Diagnóstico e análise intelixente de fallos mecánicos en interruptores de alta tensión isolantes

Nas sistemas eléctricos modernos, os interruptores de alta tensión desempeñan un papel crucial. Garantizan o aillamento seguro do equipo eléctrico ou das liñas durante a manutención e a fiabilidade durante a operación normal. As fallos mecánicas dos interruptores de alta tensión, como o mal contacto, a falla do actuador ou a fatiga dos componentes estruturais, poden afectar gravemente a estabilidade e a seguridade de todo o sistema eléctrico.Os métodos tradicionais de detección de fallos dependen da manutención regular e das inspeccións manuais.

Estes métodos non só son consumidores de tempo e intensivos en man de obra, senón que tamén teñen a tendencia de perder o momento óptimo de intervención nas fases iniciais dun fallo. Con o progreso continuo da tecnoloxía, emerxeron técnicas de diagnóstico inteligente, ofrecendo unha solución máis eficiente e precisa para a monitorización e o diagnóstico de fallos.

Os métodos de diagnóstico inteligente, como a recollida de datos baseada en sensores, o procesamento e análise de datos, a análise de sinais de corrente do motor impulsor e a medida de deformación resistiva, poden identificar comportamentos anómalos dos interruptores de alta tensión en tempo real, prever fallos potenciais e orientar as decisións de manutención. Isto aumenta significativamente a fiabilidade e a eficiencia operativa do sistema eléctrico.

1 Tipos comúns de fallos mecánicos nos interruptores de alta tensión
1.1 Fallo de mal contacto

O mal contacto debe principalmente á oxidación da superficie de contacto, á presión de contacto insuficiente ou á redución da área de contacto. Este tipo de fallo xeralmente conduce a un aumento da resistencia, afectando a conductividade do interruptor de alta tensión. Debido ao mal contacto, xéranse máis calor cando a corrente pasa polos puntos de contacto. Isto non só acelera o desgaste dos puntos de contacto, senón que tamén causa problemas térmicos máis graves, como a falla de soldadura ou o sobreaquecemento local.

O mal contacto tamén pode causar inestabilidade na tensión, afectando a calidade da tensión do sistema eléctrico. Problemas persistentes de mal contacto poden levar facilmente a un deterioro no rendemento dieléctrico do interruptor de alta tensión, aumentando os riscos de seguridade operativa do sistema. Polo tanto, detectar e abordar adequadamente os problemas de mal contacto nos interruptores de alta tensión é esencial para garantir a operación estable e segura do sistema eléctrico.

1.2 Fallo do actuador

O fallo do actuador é un problema significativo que afecta o rendemento dos interruptores de alta tensión. Este tipo de fallo inclúe o desgaste mecánico, a lubricación insuficiente e o envelecemento dos compoñentes. O desgaste mecánico xeralmente refírese ao dano de compoñentes de propulsión como roldanas e engrenaxes baixo operación repetitiva a longo prazo. A lubricación insuficiente aumenta a fricción, acelerando a taxa de desgaste dos compoñentes mecánicos e reducindo a eficiencia operativa do actuador.

Conforme aumenta o tempo de servizo, diversos compoñentes do actuador perden as súas propiedades orixinais ou se deforman debido ao envelecemento do material, afectando así a fiabilidade e a seguridade da operación de todo o interruptor de alta tensión. Se estes fallos non se detectan e abordan a tempo, poden levar a unha operación incorrecta do interruptor de alta tensión, e en casos graves, incluso ponen en peligro a operación estable de todo o sistema eléctrico.

1.3 Fallo por fatiga e danos nos compoñentes estruturais

Os fallos por fatiga e danos nos compoñentes estruturais xeralmente ocorren baixo a influencia do estrés mecánico a longo prazo e dos factores ambientais. Os compoñentes estruturais, como pilares, varas de conexión e roldanas, experimentan gradualmente fatiga do material baixo a acción do estrés mecánico a longo prazo, especialmente durante operacións frecuentes de apertura e pechado. Con o tempo, estes estréss acumúlanse dentro do material, levando á xeración e propagación de microfendas, que finalmente desenvólvense en danos mecánicos significativos.

Ademais, factores ambientais como cambios de temperatura, humidade e ambientes corrosivos poden acelerar a taxa de fatiga dos compoñentes estruturais, afectando as súas propiedades mecánicas e a vida útil. Os fallos por fatiga e danos nos compoñentes estruturais non só afectan a función normal dos interruptores de alta tensión, senón que tamén representan unha ameaza para a estabilidade global do sistema eléctrico.

2 Métodos de diagnóstico inteligente para fallos mecánicos nos interruptores de alta tensión
2.1 Sensores e recollida de datos

Os sensores xogan un papel vital no diagnóstico de fallos mecánicos dos interruptores de alta tensión. Son principalmente responsables de capturar parámetros físicos clave durante a operación do equipo, como vibración, son, temperatura e corrente. Para os interruptores de alta tensión, os principais sensores utilizados inclúen sensores de vibración, sensores de emisión acústica e sensores de corrente e tensión.

Os sensores de vibración úsanse para detectar a frecuencia e a amplitud da vibración xerada polos compoñentes do equipo durante a operación. Analizando os datos de vibración, é posible prever o desgaste do equipo e os fallos existentes. Xeralmente, a frecuencia de vibración dun interruptor de alta tensión en funcionamento normal debe estar dentro do rango estándar (xeralmente, o límite está establecido a máis de 10 veces a frecuencia de operación). Se se supera este rango, pode indicar unha anomalia. Un diagrama esquemático dun sensor de vibración amósase na Figura 1.

Os sensores de emisión acústica capturan son basándose nas ondas sonoras de alta frecuencia xeradas por defectos materiais ou estructurais. Durante a operación dun interruptor de alta tensión, se hai fisuras ou folgura, os sensores de emisión acústica poden capturar rapidamente as fluctuacións sonoras causadas por estas pequenas deformacións ou rupturas. O principio dun sensor de emisión acústica amósase na Figura 2.

Os sensores de corrente e tensión monitorean principalmente os cambios nos niveis de corrente e tensión que pasan polo interruptor de alta tensión. Lecturas anómalas de corrente ou tensión destes sensores xeralmente indican problemas nas conexións eléctricas ou na funcionalidade.

1 - Orificios de parafusos; 2 - Fundación; 3 - Cristais piezoeléctricos; 4 - Amplificador electrónico; 5 - Conector terminal

En termos de recollida de datos, a tarefa principal é converter os datos recollidos polos sensores en información utilizable. Un sistema de recollida de datos xeralmente consta dos seguintes tres aspectos:

• Unidade de Adquisición de Datos (UAD). A UAD é principalmente responsable de recibir sinais analóxicos de diversos sensores e convertir estes sinais analóxicos en sinais dixitais. A UAD asegura que os datos se recollen a unha taxa adecuada (xeralmente cun tempo de resposta no rango de milisegundos) e cunha certa precisión (xeralmente alcanzando 16 bits ou superior) para cumprir coas necesidades de procesamento subsecuente.

• Transmisión de datos. Os datos recollidos transmitense a un servidor de procesamento central a través dunha rede de comunicación estable. Este paso xeralmente depende de tecnoloxías de comunicación inalámbrica como Wi-Fi ou redes 4G/5G, que poden aumentar ademais a velocidade e a eficiencia da transmisión de datos e reducir a complexidade e o custo do cableado.

• Almacenamento e xestión de datos. Despois da transmisión exitosa dos datos, debe realizarse un almacenamento e xestión de datos efectivos nun servidor ou na nube para establecer unha base de datos máis completa. O almacenamento de datos debe permitir o acceso rápido e a análise de grandes volumes de datos, polo que son necesarios bases de datos de alto rendemento para realizar consultas e recuperacións de datos. Un diagrama esquemático da configuración da base de datos amósase na Figura 3.

A través de sensores e recollida de datos, a monitorización en tempo real do estado operativo e os indicadores de rendemento do equipo poden detectar rapidamente defectos potenciais, proporcionando unha base necesaria para o diagnóstico inteligente de fallos mecánicos, previnindo a ocorrencia de fallos e asegurando a operación estable do sistema eléctrico.

2.2 Procesamento e análise de datos
2.2.1 Análise de tempo-frecuencia

A análise de tempo-frecuencia é un método de procesamento de datos eficiente que pode transformar sinais do dominio do tempo ao dominio da frecuencia, revelando así as características internas e as tendencias de cambio dos sinais. Os métodos de análise de tempo-frecuencia comúnmente utilizados inclúen a Transformada de Fourier de Tiempo Corto (STFT), a transformada wavelet e a distribución Wigner-Ville.

A STFT realiza unha transformada de Fourier local no sinal a través dunha ventana de tamaño fixo, facéndoo adecuado para analizar sinais cuxas frecuencias cambian lentamente ao longo do tempo. Por exemplo, ao monitorizar o actuador, a STFT pode identificar eficazmente os desvíos de frecuencia causados pola fricción ou a folgura estrutural.

A transformada wavelet pode proporcionar ventanas de tamaño variable, facéndoa adecuada para procesar sinais con características de mutación instantánea. Ao ajustar a función wavelet madre, pode lograrse unha identificación precisa de vibracións anómalas dentro dunha banda de frecuencia específica.

Como unha ferramenta avanzada de análise de tempo-frecuencia, a distribución Wigner-Ville, a pesar de xerar interferencia entre términos, ofrece unha análise máis refinada do tempo e a frecuencia do sinal, facéndoa particularmente adecuada para a detección de fallos en entornos de sinal complexos.

Na aplicación práctica, combinando os métodos de análise de tempo-frecuencia mencionados coa información medida orixinalmente polos sensores, pódese monitorizar e diagnosticar con precisión as condicións de operación dos interruptores de alta tensión. En condicións normais de operación, o rango de frecuencia dos interruptores de alta tensión xeralmente pode mantérse entre 50-100 Hz; mentres que no caso de mal contacto, fatiga de compoñentes estruturais e fallos de danos, a frecuencia dos interruptores de alta tensión cambiará significativamente ou aparecerán novos componentes de frecuencia.

2.2.2 Aprendizaxe automática e recoñecemento de patróns

Primeiro, despois da recollida de datos, a través dunha etapa de preprocesamento como a eliminación de ruído e a extracción de características, preparanse os datos de entrada para algoritmos de aprendizaxe automática. Os datos inclúen componentes de frecuencia de sinais de vibración, características de forma de parámetros eléctricos, etc.

Segundo, poden utilizarse algoritmos de aprendizaxe supervisada como Máquinas de Vectores de Soporte (SVM) e Bosques Aleatorios para clasificar os datos obtidos a partir dos sensores. Estes algoritmos están formados para identificar diferentes tipos de patróns de fallos, como os patróns de sinal únicos causados polo mal contacto ou os fallos do actuador. Na aplicación práctica, miles de puntos de datos son introducidos nos algoritmos para formáilos e asegurar que podan identificar con precisión os estados de fallo.

Finalmente, as técnicas de aprendizaxe profunda, especialmente as Redes Neuronais Convolucionais (CNN), úsanse para o recoñecemento de patróns complexos. As técnicas de aprendizaxe profunda poden extraer información útil de grandes volumes de datos multidimensionais a través das súas capacidades de aprendizaxe automática de características, mellorando a precisión do diagnóstico. Por exemplo, nun modelo CNN específico, deseñanse varias capas convolucionais e de agrupación para procesar os datos de imaxe en vídeo recollidos para identificar características de fallos típicos.

2.3 Análise de sinais de corrente do motor impulsor

A monitorización e análise en tempo real dos sinais de corrente xerados durante a operación do motor impulsor poden prever e diagnosticar fallos mecánicos potenciais. A análise de sinais de corrente do motor impulsor xeralmente se centra en detectar pequenos cambios no sinal de corrente para determinar as anomalias ou o desgaste dos compoñentes mecánicos.

Se hai fallos nos compoñentes mecánicos do interruptor de alta tensión, como o dano de roldanas, o desgaste de engrenaxes ou o desequilibrio, afectará indirectamente a carga do motor impulsor, provocando así variacións específicas no seu sinal de corrente.

En termos de análise de datos, utiliza-se un sensor de corrente para rexistrar a forma de onda de corrente en condicións normais de operación arredor da bobina de alimentación do motor. A frecuencia de muestreo xeralmente está establecida por encima de 20 kHz para capturar información detallada e asegurar un análisis de datos de alta precisión.

En termos de extracción de características, a transformada de Fourier úsase para converter o sinal de corrente no dominio do tempo a un sinal no dominio da frecuencia, o que axuda a identificar anomalias harmónicas causadas por fallos mecánicos. Por exemplo, en condicións sen fallos, o sinal de corrente do motor impulsor contén principalmente a frecuencia fundamental e as súas harmónicas enteiras. Se hai un fallo, como un fallo de roldana, observaranse novos picos en frecuencias específicas.

No procesamento posterior de datos, poden utilizarse métodos estatísticos para analizar as frecuencias extraídas. Por exemplo, calcular os cambios de amplitude de cada punto de frecuencia e formar un modelo de identificación de fallos usando un algoritmo de aprendizaxe automática. A entrada do algoritmo son as características de frecuencia do sinal de corrente, e a saída é a predición do tipo e a gravedade do fallo.

Analizando o sinal de corrente, pode quantificarse a desviación do sinal de corrente. Por exemplo, na fase inicial do fallo de roldana, a amplitude da harmónica de corrente pode aumentar 5-10 A, mentres que no caso de desgaste de engrenaxe, a amplitude da harmónica relevante pode aumentar 3-8 A. Isto permite ao equipo de manutención determinar con precisión o estado do equipo e planificar o traballo de manutención, evitando así cortes de enerxía a gran escala causados por fallos.

2.4 Aplicación da tecnoloxía de medida de deformación resistiva

A tecnoloxía de medida de deformación resistiva pode utilizarse para monitorizar o estrés e a deformación estrutural dos interruptores de alta tensión. Esta tecnoloxía realiza mediante gauges de deformación resistiva instalados en compoñentes clave.

Un gauge de deformación resistiva é un sensor que converte a deformación mecánica nun sinal eléctrico. O seu principio de funcionamento basease na propiedade de que o valor de resistencia dun conductor metálico cambia cando se deforma baixo forza. Un diagrama esquemático da estrutura do gauge de deformación resistiva amósase na Figura 4.

Ao seleccionar gauges de deformación resistiva, pódense escoller gauges de deformación resistiva de folha metálica de alta precisión. Estes gauges teñen boas características lineares e unha resposta de temperatura estable, e xeralmente instálanse nas posicións onde o interruptor de alta tensión está máis estresado e máis propenso á fatiga, como o brazo de contacto e o eixe rotatorio.

Despois de completar a selección e instalación dos gauges de deformación resistiva, é necesario conectar os gauges ao sistema de recollida de datos a través de cables. O sistema de recollida de datos é responsable de rexistrar os cambios de resistencia transmitidos polos gauges de deformación resistiva e convertilos en sinais de voltaxe para lectura. O sistema de recollida de datos debe ter unha taxa de muestreo rápida e unha resolución alta para asegurar que pode capturar os rápidos cambios de deformación xerados durante a operación do interruptor de alta tensión. A taxa de muestreo utilizada xeralmente está no rango de quilohertz, e a resolución alcanza o nivel de milivolts.

Utilízase software adecuado para procesar os sinais de voltaxe recollidos. Primeiro, realiza un filtrado para eliminar posibles interrupcións de ruido, e logo usan algoritmos matemáticos como a Transformada Rápida de Fourier (FFT) para analizar o espectro do sinal e extraer datos de deformación. Os datos de deformación poden convertirse para obter o estado de estrés real do compoñente correspondente.

Os datos de deformación medidos comparanse co modelo de estrés preestablecido do interruptor de alta tensión para avaliar o estado actual de saúde do equipo. Cando o estrés monitorizado excede o limiar de deseño, o sistema de recollida de datos emitirá automaticamente un sinal de aviso para lembrar ao persoal de operación e manutención que realice inspeccións ou manutención.

3 Conclusión

Este artigo explorou en profundidade os tipos comúns de fallos mecánicos nos interruptores de alta tensión e os seus métodos de diagnóstico inteligente. Usar métodos de diagnóstico inteligente para fallos mecánicos nos interruptores de alta tensión non só pode mellorar a fiabilidade da operación do equipo, senón que tamén pode reducir significativamente os custos de manutenção e optimizar o proceso de toma de decisións de manutención.

Con o progreso da ciencia e tecnoloxía e a madurez crecente da tecnoloxía de análise de datos, o persoal relevante necesita aumentar a investigación para mellorar o nivel de diagnóstico inteligente de fallos mecánicos nos interruptores de alta tensión, proporcionando un soporte forte para a operación estable do sistema eléctrico.