Construcția sistemului de protecție activă pentru transformatoarele de putere: de la răspuns pasiv la blocare activă

Fiind echipamentul central al sistemului de alimentare, funcționarea sigură și stabilă a transformatoarelor de putere este direct legată de fiabilitatea rețelei electrice și de securitatea aprovizionării cu energie. Cu toate acestea, mediul de operare complex și mulți factori interni și externi ridică provocări grave pentru funcționarea în siguranță a transformatoarelor. Transformarea de la „declanșare post-eveniment” la „avertizare timpurie pre-eveniment și blocare la mijlocul evenimentului” și construirea unui sistem de protecție activă bazat pe detecție panoramică și luare a deciziilor inteligente a devenit o tendință inevitabilă în dezvoltarea tehnologiei actuale de funcționare în siguranță a transformatorului. Ca metodă de protecție emergentă, tehnologia de protecție activă poate detecta riscurile potențiale în timp înainte de apariția unei defecțiuni, oferind o garanție puternică pentru funcționarea în siguranță a transformatorului.

I. Importanţa transformatoarelor de putere

Fiind echipament de bază pentru conversia tensiunii și transmisia și distribuția energiei în rețeaua electrică, transformatoarele de putere sunt direct legate de fiabilitatea alimentării cu energie și de securitatea rețelei electrice. În sistemele de alimentare moderne, transformatoarele nu sunt doar responsabile pentru transformarea energiei electrice de înaltă tensiune generată de centralele electrice în energie electrică de ultra-înaltă tensiune adecvată pentru transportul pe distanțe lungi, dar sunt și responsabile pentru reducerea pas cu pas a energiei electrice de înaltă tensiune la energie electrică de joasă tensiune utilizată de utilizatori, asigurând astfel utilizarea eficientă și distribuția rezonabilă a resurselor de energie electrică. În plus, pe măsură ce cererea de energie electrică în topirea metalelor, producția industrială și alte domenii continuă să crească, rolul transformatoarelor de putere în asigurarea alimentării cu energie a industriilor cheie a devenit din ce în ce mai proeminent. Odată ce un transformator se defectează, nu numai că va provoca întreruperi de curent în zonele locale, ci poate declanșa și o reacție în lanț, reprezentând o amenințare pentru funcționarea sigură și stabilă a întregului sistem de alimentare. Prin urmare, asigurarea funcționării sigure și stabile a transformatoarelor de putere este de mare importanță pentru îmbunătățirea fiabilității rețelei electrice.

II. Limitările modelelor tradiționale de protecție și necesitatea protecției active

Protecția tradițională a transformatorului (cum ar fi protecția diferențială, protecția la gaz, protecția la supracurent) se bazează în principal pe acțiunea de prag a unei mărimi electrice sau a unei singure mărimi neelectrice și aparține modului „răspuns pasiv”. Cu toate acestea, practica a arătat că, chiar dacă protecția diferențială poate opera priza extrem de rapid în 10 până la 20 de milisecunde, aceasta este limitată de timpul complet de rupere a întreruptorului în sine, care este de zeci de milisecunde. Înainte ca defectul arcului să fie complet eliminat, energia defectului s-a acumulat adesea suficient pentru a provoca ruperea rezervorului de combustibil și explozia uleiului. În plus, pentru procesul de evoluție de la defecte minore de izolație (cum ar fi descărcarea parțială) la defecțiuni de arc penetrant, protecția tradițională nu are capacitatea de a interveni în stadiul intermediar și este ușor afectată de procese tranzitorii precum curentul de intrare de excitație și există riscul unei sensibilități insuficiente sau defecțiuni.

Protecția activă este diferită de protecția tradițională post-defecțiune. Miezul său se află în „prevenire în primul rând, intervenție timpurie”. Realizează identificarea timpurie și avertizarea potențialelor defecțiuni prin monitorizarea în timp real a cantităților electrice ale transformatorului (tensiune, curent, putere), cantităților neelectrice (temperatura uleiului, nivelul uleiului, vibrații, conținut de gaz) și a parametrilor de mediu, combinate cu analiza big data și algoritmi de inteligență artificială. De exemplu, prin monitorizarea online a gazelor dizolvate (DGA) din uleiul de transformator, pot fi descoperite în prealabil pericole ascunse precum îmbătrânirea izolației și descărcarea parțială, astfel încât să se poată lua măsuri de întreținere înainte de apariția defecțiunilor.

III. Principalele riscuri și evoluția defecțiunilor în funcționarea în siguranță a transformatorului

Defecțiunile interne ale transformatorului evoluează de obicei de la latente la explozive. Riscurile comune includ:

• Defecțiune de izolație: cauzată de îmbătrânirea izolației, umiditate, supratensiune etc., care se manifestă inițial sub formă de descărcare parțială (PD), și apoi se dezvoltă în scurtcircuit turn-to-turn, scurtcircuit fază-fază și chiar defecțiune la pământ.
• Defecțiune de supraîncălzire: cauzată de suprasarcină, contact slab, defecțiune a sistemului de răcire sau împământare în mai multe puncte a miezului de fier, care accelerează îmbătrânirea uleiului izolator și a izolației solide și poate duce în cele din urmă la defectarea izolației.
• Defecțiune mecanică: deformarea înfășurării, elemente de fixare slăbite etc., de obicei însoțite de vibrații anormale și pot deteriora și mai mult structura izolației.

În lanțul de evoluție a defecțiunii, „descărcarea parțială → defect sever de descărcare → defectarea arcului de înaltă energie” este una dintre cele mai periculoase căi. Cheia protecției active este de a capta caracteristicile fizice ale etapei „defect sever de descărcare” și de a întrerupe circuitul într-o fereastră de timp de milisecunde pentru a preveni consecințele catastrofale.

IV. Tehnologii cheie pentru protecția activă

Monitorizare online și tehnologie a senzorilor: Instalați senzori de înaltă performanță pentru a colecta în timp real datele privind starea de funcționare a transformatorului, inclusiv temperatura înfășurării, cromatografia în ulei, descărcarea parțială, vibrațiile și zgomotul etc., formând o rețea de monitorizare multidimensională.

Diagnosticare inteligentă și sistem de avertizare timpurie: utilizați algoritmi precum învățarea automată și învățarea profundă pentru a analiza și modela datele de monitorizare, pentru a identifica modele anormale și pentru a realiza diagnosticarea timpurie și avertizarea de clasificare a riscurilor a defecțiunilor.

Control adaptiv al protecției: Reglați în mod dinamic setările și logica de protecție în funcție de starea în timp real a transformatorului pentru a evita funcționarea greșită sau refuzul de a funcționa și pentru a îmbunătăți fiabilitatea sistemului de protecție.

Obținerea protecției active se bazează pe integrarea profundă a monitorizării stării de înaltă precizie (percepție) și a noilor principii de protecție (luarea deciziilor). În prezent, industria construiește treptat o „linie de apărare pe trei niveluri” sau un sistem de operare în siguranță „trei linii de apărare”:

1. Nivelul 1: detectarea defectelor minore și avertizare timpurie (nivelul de monitorizare a stării)

Prin implementarea senzorilor inteligenți multidimensionali, se realizează percepția panoramică de 7x24 de ore. Tehnologiile de bază includ:

* Analiza gazelor dizolvate (DGA) în ulei: monitorizați gazele caracteristice, cum ar fi H₂, C₂H₂ și CO pentru a determina tipul și viteza de supraîncălzire sau eșec de descărcare.

* Monitorizarea descărcării parțiale (PD): folosind tehnologia de frecvență ultra-înaltă (UHF), ultrasunete (AE) și curent puls de înaltă frecvență (HFCT) pentru a detecta și localiza defectele interne de izolație.

* Măsurarea temperaturii fibrei optice și monitorizarea vibrațiilor: măsurați direct temperatura punctelor fierbinți de înfășurare și monitorizați starea mecanică a miezului și a înfășurărilor.

Aceste date sunt fuzionate din mai multe surse prin edge computing pentru a realiza evaluarea indicelui de sănătate a echipamentelor (HI) și avertizare timpurie.

2. Nivelul 2: Protecție activă în stadiul de defect sever de descărcare (stratul de blocare activ)

Aceasta este legătura de bază care distinge protecția activă de protecția tradițională. Când semnalul de descărcare (cum ar fi amplitudinea UHF, abruptul curentului de impuls, energia ultrasonică) este monitorizat pentru a atinge pragul de defect grav prestabilit, iar defecțiunea este considerată cuprinzător a fi într-o etapă de dezvoltare rapidă, sistemul de protecție poate emite direct o comandă de declanșare sau poate conecta sistemul de control al stabilității pentru a transfera sarcina fără a se baza pe criteriile diferențiale tradiționale. De exemplu, pe baza principiului diferențelor caracteristice curentului diferențial al secvenței de fază, timpul de acțiune al protecției defectelor între ture poate fi scurtat la aproximativ 20 de milisecunde; sau caracteristicile multi-fizice ale sunetului, luminii și electrice cu aproximativ 100 de milisecunde înainte de defectarea defecțiunii pot fi utilizate pentru a obține îndepărtarea precisă a „etapei de defecțiune”.

3. Nivelul 3: Îmbunătățirea performanței tradiționale de protecție împotriva defectelor de arc (stratul de protecție subiacent)

Pentru defecțiunile de arc care au apărut, sensibilitatea și rapiditatea protecției tradiționale sunt îmbunătățite prin noi principii. De exemplu, tehnologia de identificare a saturației de bază bazată pe estimarea legăturii fluxului principal poate identifica în mod eficient curentul de aprindere de excitație și curentul de defect, realizând o protecție diferențială rapidă fără blocarea curentului de aprindere; Protecția ușoară între ture, bazată pe caracteristicile de scurgere a fluxului magnetic, rezolvă problema sensibilității insuficiente a protecției diferențiale tradiționale pentru scurtcircuite între ture de impedanță mare.

V. Măsuri cuprinzătoare pentru funcționarea în siguranță

Pentru a asigura funcționarea în siguranță a transformatoarelor, trebuie adoptată o strategie de management cuprinzătoare și pe mai multe niveluri:

• Inspecție și întreținere de rutină: Efectuați în mod regulat inspecția aspectului, testarea probelor de ulei, testarea la împământare etc. pentru a menține un mediu de funcționare bun al transformatorului.
• Managementul îmbătrânirii izolației: monitorizați starea materialelor de izolație, evaluați durata de viață rămasă și organizați în mod rezonabil planuri de întreținere sau înlocuire.
• Protecție la suprasarcină și supraîncălzire: Prin gestionarea sarcinii și optimizarea sistemului de răcire, preveniți supraîncărcarea pe termen lung a transformatorului sau creșterea excesivă a temperaturii.
• Plan de răspuns în caz de urgență: Dezvoltați un proces de răspuns rapid pentru defecțiuni bruște, pentru a scurta timpul de întrerupere a curentului și a reduce pierderile.

VI. Tendințele de dezvoltare viitoare

Odată cu dezvoltarea inteligenței artificiale și a tehnologiei Internet of Things, protecția activă a transformatorului evoluează către „Digital Twin + control adaptiv”:

* Geamăn digital: construiți o mapare virtuală-reală a modelului de simulare multi-fizică a transformatorului și a datelor în timp real, deduceți dinamic calea de evoluție a defecțiunii, preziceți durata de viață rămasă (RUL) și oferiți o bază cantitativă pentru intervenția proactivă.

* Protecție adaptivă: Dispozitivul de protecție nu se mai bazează pe praguri fixe, ci ajustează dinamic valoarea setării protecției sau întârzierea în funcție de rata de încărcare de funcționare în timp real, temperatura mediului, starea izolației etc., pentru a preveni defecțiunile în timp ce maximizează capacitatea de transport a echipamentului.

* Diagnosticare inteligentă AI: Folosind algoritmi de învățare profundă, cum ar fi CNN și LSTM, pentru a identifica automat modelele de descărcare parțială (PRPD) și amprentele sonore de vibrații, reducând costurile de analiză manuală și îmbunătățind rata de recunoaștere a semnelor de defecțiune slabe.

Concluzie

Protecția activă și funcționarea în siguranță a transformatoarelor de putere sunt în esență proiecte sistematice care avansează linia de siguranță a apărării. Ne cere să ne extindem de la o gândire de protecție cu un singur releu la un sistem tehnologic cu lanț complet de „detecție panoramică-diagnosticare inteligentă-blocare activă-control de auto-vindecare”. Prin integrarea tehnologiei avansate de detectare, simulare multi-fizică, inteligență artificială și noi principii de protecție pentru a obține un management transparent al stării interne a transformatorului și un control precis al evoluției defecțiunilor, putem reduce în mod fundamental apariția accidentelor de deflagrație maligne și putem construi o barieră solidă pentru funcționarea sigură și stabilă a noilor sisteme de alimentare.