Chẩn đoán và Phân tích Thông minh Sự cố Cơ khí trong Công tắc Cách ly Điện áp Cao
Trong các hệ thống điện hiện đại, công tắc cách ly điện áp cao đóng vai trò quan trọng. Chúng đảm bảo sự cách ly an toàn của thiết bị hoặc đường dây điện trong quá trình bảo dưỡng và độ tin cậy trong hoạt động bình thường. Các lỗi cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao, như tiếp xúc kém, hỏng bộ truyền động, hoặc mỏi của các thành phần cấu trúc, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định và an toàn của toàn bộ hệ thống điện.Các phương pháp phát hiện lỗi truyền thống dựa trên bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra thủ công.
Những phương pháp này không chỉ tốn thời gian và nhân lực mà còn dễ bỏ lỡ thời điểm can thiệp tối ưu ở giai đoạn đầu của lỗi. Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ, các kỹ thuật chẩn đoán thông minh đã xuất hiện, mang lại giải pháp giám sát và chẩn đoán lỗi hiệu quả và chính xác hơn.
Các phương pháp chẩn đoán thông minh, như thu thập dữ liệu dựa trên cảm biến, xử lý và phân tích dữ liệu, phân tích tín hiệu dòng điện của động cơ truyền động, và đo ứng suất điện trở, có thể nhận diện hành vi bất thường của công tắc cách ly điện áp cao theo thời gian thực, dự đoán lỗi tiềm ẩn, và hướng dẫn quyết định bảo dưỡng. Điều này tăng cường đáng kể độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
1 Các loại lỗi cơ khí phổ biến trong công tắc cách ly điện áp cao
1.1 Lỗi tiếp xúc kém
Lỗi tiếp xúc kém chủ yếu do bề mặt tiếp xúc bị oxi hóa, áp lực tiếp xúc không đủ, hoặc diện tích tiếp xúc giảm. Loại lỗi này thường dẫn đến tăng điện trở, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của công tắc cách ly điện áp cao. Do tiếp xúc kém, nhiệt lượng sinh ra khi dòng điện đi qua điểm tiếp xúc tăng lên. Điều này không chỉ làm tăng tốc độ mòn của điểm tiếp xúc mà còn gây ra các vấn đề nhiệt nghiêm trọng hơn, như lỗi hàn hoặc quá nhiệt cục bộ.
Tiếp xúc kém cũng có thể gây ra sự bất ổn định về điện áp, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các vấn đề tiếp xúc kém kéo dài có thể dễ dàng dẫn đến suy giảm hiệu suất cách điện của công tắc cách ly điện áp cao, tăng rủi ro an toàn vận hành của hệ thống. Do đó, việc phát hiện kịp thời và xử lý đúng cách các vấn đề tiếp xúc kém trong công tắc cách ly điện áp cao là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống điện.
1.2 Hỏng bộ truyền động
Hỏng bộ truyền động là một vấn đề lớn ảnh hưởng đến hiệu suất của công tắc cách ly điện áp cao. Loại lỗi này bao gồm mòn cơ khí, thiếu bôi trơn, và lão hóa thành phần. Mòn cơ khí thường đề cập đến sự hư hại của các thành phần truyền động như ổ bi và bánh răng dưới tác động của các hoạt động lặp đi lặp lại trong thời gian dài. Thiếu bôi trơn làm tăng ma sát, đẩy nhanh tốc độ mòn của các bộ phận cơ khí và giảm hiệu suất hoạt động của bộ truyền động.
Khi thời gian sử dụng tăng lên, các thành phần của bộ truyền động mất đi các tính chất ban đầu hoặc biến dạng do lão hóa vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của hoạt động của toàn bộ công tắc cách ly điện áp cao. Nếu những lỗi này không được phát hiện và xử lý kịp thời, có thể dẫn đến hoạt động sai lệch của công tắc cách ly điện áp cao, và trong trường hợp nghiêm trọng, thậm chí đe dọa đến sự ổn định hoạt động của toàn bộ hệ thống điện.
1.3 Mỏi và hỏng thành phần cấu trúc
Mỏi và hỏng thành phần cấu trúc thường xảy ra dưới tác động của ứng suất cơ học lâu dài và các yếu tố môi trường. Các thành phần cấu trúc như trụ, thanh nối, và ổ bi dần dần trải qua mỏi vật liệu dưới tác động của ứng suất cơ học lâu dài, đặc biệt là trong quá trình mở và đóng thường xuyên. Theo thời gian, các ứng suất này tích tụ trong vật liệu, dẫn đến sự hình thành và lan rộng của các vết nứt vi mô, cuối cùng phát triển thành hỏng hóc cơ khí đáng kể.
Ngoài ra, các yếu tố môi trường như thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, và môi trường ăn mòn có thể làm tăng tốc độ mỏi của các thành phần cấu trúc, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học và tuổi thọ. Mỏi và hỏng thành phần cấu trúc không chỉ ảnh hưởng đến chức năng bình thường của công tắc cách ly điện áp cao mà còn đe dọa đến sự ổn định tổng thể của hệ thống điện.
2 Phương pháp chẩn đoán thông minh cho lỗi cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao
2.1 Cảm biến và thu thập dữ liệu
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán lỗi cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao. Chúng chủ yếu chịu trách nhiệm thu thập các thông số vật lý quan trọng trong quá trình hoạt động của thiết bị, như rung, âm thanh, nhiệt độ, và dòng điện. Đối với công tắc cách ly điện áp cao, các cảm biến chính được sử dụng bao gồm cảm biến rung, cảm biến phát xạ âm, và cảm biến dòng và điện áp.
Cảm biến rung được sử dụng để phát hiện tần số và biên độ rung của các thành phần thiết bị trong quá trình hoạt động. Bằng cách phân tích dữ liệu rung, có thể dự đoán mòn thiết bị và các lỗi hiện có. Thông thường, tần số rung của công tắc cách ly điện áp cao hoạt động bình thường nên nằm trong phạm vi tiêu chuẩn (thường ngưỡng được đặt ở hơn 10 lần tần số hoạt động). Nếu vượt quá phạm vi này, có thể chỉ ra sự bất thường. Sơ đồ của cảm biến rung được hiển thị trong Hình 1.
Cảm biến phát xạ âm thu âm thanh dựa trên sóng âm tần số cao do các khuyết tật vật liệu hoặc cấu trúc tạo ra. Trong quá trình hoạt động của công tắc cách ly điện áp cao, nếu có các vết nứt hoặc lỏng lẻo, cảm biến phát xạ âm có thể kịp thời thu thập các dao động âm thanh do các biến dạng nhỏ hoặc vỡ này gây ra. Nguyên lý của cảm biến phát xạ âm được hiển thị trong Hình 2.
Cảm biến dòng và điện áp chủ yếu theo dõi sự thay đổi mức dòng điện và điện áp đi qua công tắc cách ly điện áp cao. Các đọc số dòng điện hoặc điện áp bất thường từ các cảm biến này thường chỉ ra vấn đề về kết nối điện hoặc chức năng.
1 - Lỗ vít; 2 - Đế; 3 - Tinh thể piezoelectric; 4 - Bộ khuếch đại điện tử; 5 - Đầu nối
Về việc thu thập dữ liệu, nhiệm vụ chính là chuyển đổi dữ liệu thu thập được từ các cảm biến thành thông tin có thể sử dụng. Hệ thống thu thập dữ liệu thường bao gồm ba khía cạnh sau:
Đơn vị thu thập dữ liệu (DAU). DAU chủ yếu chịu trách nhiệm nhận các tín hiệu tương tự từ các cảm biến khác nhau và chuyển đổi các tín hiệu tương tự này thành tín hiệu số. DAU đảm bảo rằng dữ liệu được thu thập với tốc độ thích hợp (thông thường với thời gian phản hồi trong phạm vi miligiây) và với độ chính xác nhất định (thông thường đạt 16 bit hoặc cao hơn) để đáp ứng yêu cầu xử lý sau đó.
Truyền dữ liệu. Dữ liệu đã thu thập được truyền đến máy chủ xử lý trung tâm thông qua mạng truyền thông ổn định. Bước này thường dựa vào các công nghệ truyền thông không dây như Wi-Fi hoặc mạng 4G/5G, có thể tăng thêm tốc độ và hiệu quả truyền dữ liệu và giảm độ phức tạp và chi phí của dây cáp.
Lưu trữ và quản lý dữ liệu. Sau khi truyền dữ liệu thành công, phải thực hiện lưu trữ và quản lý dữ liệu hiệu quả trên máy chủ hoặc đám mây để thiết lập cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh hơn. Lưu trữ dữ liệu cần hỗ trợ truy cập nhanh và phân tích dữ liệu quy mô lớn, vì vậy cần các cơ sở dữ liệu hiệu suất cao để thực hiện truy vấn và truy xuất dữ liệu. Sơ đồ thiết lập cơ sở dữ liệu được hiển thị trong Hình 3.
Qua cảm biến và thu thập dữ liệu, theo dõi trạng thái hoạt động và chỉ số hiệu suất của thiết bị theo thời gian thực có thể phát hiện kịp thời các khuyết tật tiềm ẩn, cung cấp cơ sở cần thiết cho việc chẩn đoán thông minh các lỗi cơ khí, ngăn ngừa sự cố xảy ra, và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện.
2.2 Xử lý và phân tích dữ liệu
2.2.1 Phân tích thời gian-tần số
Phân tích thời gian-tần số là phương pháp xử lý dữ liệu hiệu quả có thể chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, từ đó tiết lộ các đặc trưng nội bộ và xu hướng thay đổi của tín hiệu. Các phương pháp phân tích thời gian-tần số phổ biến bao gồm Biến đổi Fourier ngắn hạn (STFT), biến đổi wavelet, và phân phối Wigner-Ville.
STFT thực hiện biến đổi Fourier cục bộ trên tín hiệu thông qua cửa sổ có kích thước cố định, phù hợp cho việc phân tích các tín hiệu có tần số thay đổi chậm theo thời gian. Ví dụ, khi theo dõi bộ truyền động, STFT có thể hiệu quả xác định sự trôi tần số do ma sát hoặc lỏng lẻo cấu trúc.
Biến đổi wavelet có thể cung cấp cửa sổ có kích thước thay đổi, phù hợp cho việc xử lý các tín hiệu có đặc trưng đột biến tức thì. Bằng cách điều chỉnh hàm wavelet mẹ, có thể xác định chính xác các rung động bất thường trong một dải tần số cụ thể.
Là một công cụ phân tích thời gian-tần số tiên tiến, phân phối Wigner-Ville, mặc dù tạo ra nhiễu chéo, nhưng cung cấp phân tích tinh tế hơn về thời gian và tần số của tín hiệu, phù hợp đặc biệt cho việc phát hiện lỗi trong môi trường tín hiệu phức tạp.
Trong ứng dụng thực tế, kết hợp các phương pháp phân tích thời gian-tần số được đề cập trên với dữ liệu gốc đo bởi cảm biến có thể theo dõi và chẩn đoán chính xác tình trạng hoạt động của công tắc cách ly điện áp cao. Trong điều kiện hoạt động bình thường, dải tần số của công tắc cách ly điện áp cao thường được duy trì ở 50-100 Hz; trong trường hợp tiếp xúc kém, mỏi và hỏng thành phần cấu trúc, tần số của công tắc cách ly điện áp cao sẽ dịch chuyển đáng kể hoặc xuất hiện các thành phần tần số mới.
2.2.2 Học máy và nhận dạng mẫu
Đầu tiên, sau khi thu thập dữ liệu, thông qua giai đoạn tiền xử lý như loại bỏ nhiễu và trích xuất đặc trưng, dữ liệu đầu vào được chuẩn bị cho các thuật toán học máy. Dữ liệu bao gồm các thành phần tần số của tín hiệu rung, đặc trưng dạng sóng của các tham số điện, v.v.
Thứ hai, các thuật toán học máy có giám sát như Máy Vectơ Hỗ trợ (SVM) và Rừng Ngẫu nhiên có thể được sử dụng để phân loại dữ liệu thu được từ các cảm biến. Các thuật toán này được huấn luyện để nhận dạng các mẫu lỗi khác nhau, như các mẫu tín hiệu độc đáo do tiếp xúc kém hoặc hỏng bộ truyền động. Trong ứng dụng thực tế, hàng nghìn điểm dữ liệu được đưa vào các thuật toán để huấn luyện, đảm bảo rằng chúng có thể xác định chính xác các trạng thái lỗi.
Cuối cùng, các kỹ thuật học sâu, đặc biệt là Mạng Nơ-ron Mô phỏng (CNN), được sử dụng cho việc nhận dạng mẫu phức tạp. Các kỹ thuật học sâu có thể trích xuất thông tin hữu ích từ dữ liệu đa chiều quy mô lớn thông qua khả năng học tự động, cải thiện độ chính xác của chẩn đoán. Ví dụ, trong một mô hình CNN cụ thể, các lớp tích chập và pooling được thiết kế để xử lý dữ liệu hình ảnh video thu thập để nhận dạng các đặc trưng lỗi điển hình.
2.3 Phân tích tín hiệu dòng điện của động cơ truyền động
Theo dõi và phân tích tín hiệu dòng điện được tạo ra trong quá trình hoạt động của động cơ truyền động theo thời gian thực có thể dự đoán và chẩn đoán các lỗi cơ khí tiềm ẩn. Phân tích tín hiệu dòng điện của động cơ truyền động thường tập trung vào việc phát hiện các thay đổi nhỏ trong tín hiệu dòng điện để xác định các bất thường hoặc mòn của các thành phần cơ khí.
Nếu có lỗi trong các thành phần cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao, như hỏng ổ bi, mòn bánh răng, hoặc mất cân đối, nó sẽ gián tiếp ảnh hưởng đến tải của động cơ truyền động, do đó gây ra các biến đổi mẫu cụ thể trong tín hiệu dòng điện của nó.
Về việc phân tích dữ liệu, cảm biến dòng điện được sử dụng để ghi lại dạng sóng dòng điện trong điều kiện hoạt động bình thường xung quanh cuộn dây nguồn của động cơ. Tần số lấy mẫu thường được đặt trên 20 kHz để nắm bắt thông tin chi tiết và đảm bảo phân tích dữ liệu chính xác cao.
Về việc trích xuất đặc trưng, biến đổi Fourier được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu dòng điện trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền tần số, giúp xác định các bất thường hài do lỗi cơ khí. Ví dụ, trong điều kiện không có lỗi, tín hiệu dòng điện của động cơ truyền động chủ yếu chứa tần số cơ bản và các tần số nguyên bội. Nếu có lỗi, như hỏng ổ bi, sẽ quan sát thấy các đỉnh mới ở các tần số cụ thể.
Trong quá trình xử lý dữ liệu sau, các phương pháp thống kê có thể được sử dụng để phân tích các tần số đã trích xuất. Ví dụ, tính toán sự thay đổi biên độ của mỗi điểm tần số, và huấn luyện mô hình nhận dạng lỗi bằng thuật toán học máy. Đầu vào của thuật toán là các đặc trưng tần số của tín hiệu dòng điện, và đầu ra là dự đoán loại và mức độ lỗi.
Bằng cách phân tích tín hiệu dòng điện, có thể định lượng sự lệch của tín hiệu dòng điện. Ví dụ, trong giai đoạn đầu của hỏng ổ bi, biên độ của hài dòng điện có thể tăng 5-10 A, trong khi trường hợp mòn bánh răng, biên độ của các hài liên quan có thể tăng 3-8 A. Điều này cho phép đội bảo trì xác định chính xác trạng thái thiết bị và lên kế hoạch bảo dưỡng, tránh các sự cố mất điện lớn do lỗi.
2.4 Ứng dụng công nghệ đo ứng suất điện trở
Công nghệ đo ứng suất điện trở có thể được sử dụng để theo dõi ứng suất và biến dạng cấu trúc của công tắc cách ly điện áp cao. Công nghệ này được thực hiện thông qua các cảm biến ứng suất điện trở được lắp đặt trên các thành phần quan trọng.
Cảm biến ứng suất điện trở là một cảm biến chuyển đổi biến dạng cơ học thành tín hiệu điện. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên tính chất thay đổi giá trị điện trở của dây dẫn kim loại khi nó bị biến dạng dưới tác động của lực. Sơ đồ cấu trúc của cảm biến ứng suất điện trở được hiển thị trong Hình 4.
Khi chọn cảm biến ứng suất điện trở, có thể chọn cảm biến ứng suất điện trở màng kim loại độ chính xác cao. Những cảm biến này có đặc tính tuyến tính tốt và phản ứng nhiệt ổn định, thường được lắp đặt tại các vị trí mà công tắc cách ly điện áp cao chịu ứng suất nhiều nhất và dễ mỏi nhất, như cánh tiếp xúc và trục quay.
Sau khi lựa chọn và lắp đặt cảm biến ứng suất điện trở hoàn tất, các cảm biến cần được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu thông qua dây dẫn. Hệ thống thu thập dữ liệu chịu trách nhiệm ghi lại các thay đổi điện trở truyền từ các cảm biến ứng suất điện trở và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện áp để đọc. Hệ thống thu thập dữ liệu cần có tốc độ lấy mẫu cao và độ phân giải cao để đảm bảo có thể nắm bắt các thay đổi ứng suất nhanh chóng trong quá trình hoạt động của công tắc cách ly điện áp cao. Tốc độ lấy mẫu được sử dụng thường ở phạm vi kilohertz, và độ phân giải đạt mức millivolt.
Phần mềm phù hợp được sử dụng để xử lý các tín hiệu điện áp đã thu thập. Đầu tiên, thực hiện lọc để loại bỏ nhiễu có thể, và sau đó sử dụng các thuật toán toán học như Biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích phổ tín hiệu và trích xuất dữ liệu ứng suất. Dữ liệu ứng suất có thể được chuyển đổi để thu được trạng thái ứng suất thực tế của thành phần tương ứng.
Dữ liệu ứng suất đo được so sánh với mô hình ứng suất đã thiết lập trước của công tắc cách ly điện áp cao để đánh giá tình trạng sức khỏe hiện tại của thiết bị. Khi ứng suất được theo dõi vượt quá ngưỡng thiết kế, hệ thống thu thập dữ liệu sẽ tự động phát tín hiệu cảnh báo để nhắc nhở nhân viên vận hành và bảo trì tiến hành kiểm tra hoặc bảo dưỡng.
3 Kết luận
Bài viết này đã nghiên cứu sâu các loại lỗi cơ khí phổ biến của công tắc cách ly điện áp cao và các phương pháp chẩn đoán thông minh của chúng. Sử dụng các phương pháp chẩn đoán thông minh cho lỗi cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao không chỉ cải thiện độ tin cậy hoạt động của thiết bị mà còn giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng và tối ưu hóa quá trình ra quyết định bảo dưỡng.
Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ và sự chín muồi ngày càng tăng của công nghệ phân tích dữ liệu, các nhân viên liên quan cần tăng cường đầu tư nghiên cứu để nâng cao mức độ chẩn đoán thông minh cho lỗi cơ khí của công tắc cách ly điện áp cao, cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho hoạt động ổn định của hệ thống điện.
