Budowa układu aktywnej ochrony transformatorów mocy: od reakcji pasywnej do aktywnej blokady

Jako podstawowe wyposażenie węzła systemu elektroenergetycznego, bezpieczna i stabilna praca transformatorów mocy jest bezpośrednio związana z niezawodnością sieci elektroenergetycznej i bezpieczeństwem dostaw energii. Jednakże złożone środowisko operacyjne oraz wiele czynników wewnętrznych i zewnętrznych stwarzają poważne wyzwania dla bezpiecznej eksploatacji transformatorów. Przejście od „wyłączania po zdarzeniu” do „wczesnego ostrzegania przed zdarzeniem i blokowania w jego trakcie” oraz budowanie aktywnego systemu ochrony opartego na panoramicznej detekcji i inteligentnym podejmowaniu decyzji stało się nieuniknionym trendem w rozwoju technologii bezpiecznej pracy przekładników prądowych. Jako nowa metoda ochrony, technologia aktywnej ochrony może wykryć potencjalne ryzyko na czas przed wystąpieniem usterki, zapewniając silną gwarancję bezpiecznej pracy transformatora.

I. Znaczenie transformatorów mocy

Jako podstawowe urządzenia do przetwarzania napięcia oraz przesyłu i dystrybucji energii w sieci elektroenergetycznej, transformatory mocy są bezpośrednio związane z niezawodnością zasilania i bezpieczeństwem sieci elektroenergetycznej. We współczesnych systemach elektroenergetycznych transformatory odpowiadają nie tylko za przetwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia wytwarzanej w elektrowniach na energię elektryczną o ultrawysokim napięciu, nadającą się do przesyłu na duże odległości, ale także za stopniowe przechodzenie energii elektrycznej wysokiego napięcia na energię elektryczną niskiego napięcia wykorzystywaną przez użytkowników, zapewniając w ten sposób efektywne wykorzystanie i rozsądną dystrybucję zasobów energii elektrycznej. Ponadto w miarę ciągłego wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną w hutnictwie metali, produkcji przemysłowej i innych dziedzinach, rola transformatorów mocy w zapewnieniu zasilania kluczowych gałęzi przemysłu staje się coraz bardziej widoczna. Awaria transformatora nie tylko spowoduje lokalne przerwy w dostawie prądu, ale może także wywołać reakcję łańcuchową, stwarzając zagrożenie dla bezpiecznej i stabilnej pracy całego systemu elektroenergetycznego. Dlatego zapewnienie bezpiecznej i stabilnej pracy transformatorów elektroenergetycznych ma ogromne znaczenie dla poprawy niezawodności sieci elektroenergetycznej.

II. Ograniczenia tradycyjnych modeli ochrony i konieczność ochrony czynnej

Tradycyjne zabezpieczenie transformatora (takie jak zabezpieczenie różnicowe, zabezpieczenie gazowe, zabezpieczenie nadprądowe) opiera się głównie na działaniu progowym wielkości elektrycznej lub pojedynczej wielkości nieelektrycznej i należy do trybu „reakcji pasywnej”. Jednak praktyka pokazała, że ​​nawet jeśli zabezpieczenie różnicowe może zadziałać gniazdko niezwykle szybko w ciągu 10 do 20 milisekund, jest ono ograniczone przez pełny czas wyłączania samego wyłącznika, który wynosi dziesiątki milisekund. Zanim zwarcie łukowe zostanie całkowicie usunięte, energia zwarcia często gromadzi się na tyle, że powoduje pęknięcie zbiornika paliwa i eksplozję oleju. Ponadto w przypadku procesu ewolucji od drobnych uszkodzeń izolacji (takich jak wyładowania niezupełne) do zwarć łukowych penetrujących, tradycyjne zabezpieczenia nie mają możliwości interwencji na etapie pośrednim i łatwo ulegają wpływom procesów przejściowych, takich jak rozruchowy prąd wzbudzenia, co stwarza ryzyko niewystarczającej czułości lub nieprawidłowego działania.

Aktywna ochrona różni się od tradycyjnej ochrony po zwarciu. Jej istotą jest „najpierw zapobieganie, wczesna interwencja”. Realizuje wczesną identyfikację i ostrzeganie o potencjalnych awariach poprzez monitorowanie w czasie rzeczywistym wielkości elektrycznych transformatora (napięcie, prąd, moc), wielkości nieelektrycznych (temperatura oleju, poziom oleju, wibracje, zawartość gazu) i parametrów środowiskowych, w połączeniu z analizą Big Data i algorytmami sztucznej inteligencji. Na przykład dzięki monitorowaniu online gazów rozpuszczonych (DGA) w oleju transformatorowym można z wyprzedzeniem wykryć ukryte zagrożenia, takie jak starzenie się izolacji i wyładowania niezupełne, dzięki czemu można podjąć działania konserwacyjne przed wystąpieniem usterek.

III. Główne zagrożenia i rozwój usterek w bezpiecznej pracy transformatora

Wewnętrzne uszkodzenia transformatora zwykle ewoluują od utajonego do wybuchowego. Typowe zagrożenia obejmują:

• Wada izolacji: spowodowana starzeniem się izolacji, wilgocią, przepięciem itp., która początkowo objawia się wyładowaniem częściowym (PD), a następnie rozwija się w zwarcie międzyzwojowe, zwarcie międzyfazowe, a nawet przebicie uziemienia.
• Błąd przegrzania: spowodowany przeciążeniem, słabym stykiem, awarią układu chłodzenia lub wielopunktowym uziemieniem żelaznego rdzenia, co przyspiesza starzenie się oleju izolacyjnego i izolacji stałej i może ostatecznie doprowadzić do uszkodzenia izolacji.
• Awaria mechaniczna: odkształcenie uzwojenia, luźne elementy mocujące itp., którym zwykle towarzyszą nietypowe wibracje i mogą dodatkowo uszkodzić konstrukcję izolacji.

W łańcuchu powstawania uszkodzeń jedną z najniebezpieczniejszych ścieżek jest „wyładowanie częściowe → poważny defekt wyładowania → przebicie łuku wysokoenergetycznego”. Kluczem do aktywnej ochrony jest uchwycenie cech fizycznych etapu „poważnej wady wyładowania” i odcięcie obwodu w ciągu milisekund, aby zapobiec katastrofalnym konsekwencjom.

IV. Kluczowe technologie aktywnej ochrony

Monitorowanie online i technologia czujników: zainstaluj czujniki o wysokiej wydajności, aby zbierać dane o stanie pracy transformatora w czasie rzeczywistym, w tym o temperaturze uzwojenia, chromatografii oleju, wyładowaniach niezupełnych, wibracjach i hałasie itp., tworząc wielowymiarową sieć monitorowania.

Inteligentny system diagnostyki i wczesnego ostrzegania: używaj algorytmów, takich jak uczenie maszynowe i głębokie uczenie się, do analizowania i modelowania danych z monitorowania, identyfikowania nieprawidłowych wzorców oraz uzyskiwania wczesnej diagnozy i ostrzegania o klasyfikacji ryzyka w przypadku usterek.

Adaptacyjna kontrola zabezpieczeń: dynamicznie dostosowuj ustawienia zabezpieczeń i logikę zgodnie ze stanem transformatora w czasie rzeczywistym, aby uniknąć nieprawidłowego działania lub odmowy działania i poprawić niezawodność systemu zabezpieczeń.

Osiągnięcie aktywnej ochrony opiera się na głębokiej integracji bardzo precyzyjnego monitorowania stanu (percepcji) i nowych zasad ochrony (podejmowanie decyzji). Obecnie branża stopniowo buduje system bezpiecznego działania „trzypoziomowej linii obrony” lub „trzech linii obrony”:

1. Poziom 1: Wykrywanie drobnych usterek i wczesne ostrzeganie (warstwa monitorowania stanu)

Dzięki zastosowaniu wielowymiarowych inteligentnych czujników osiągana jest percepcja panoramiczna 7x24 godziny. Podstawowe technologie obejmują:

* Analiza gazów rozpuszczonych (DGA) w oleju: Monitoruj charakterystyczne gazy, takie jak H₂, C₂H₂ i CO, aby określić rodzaj i stopień przegrzania lub awarii rozładowania.

* Monitorowanie wyładowań niezupełnych (PD): przy użyciu technologii ultrawysokiej częstotliwości (UHF), ultradźwiękowej (AE) i prądu impulsowego wysokiej częstotliwości (HFCT) do wykrywania i lokalizowania defektów izolacji wewnętrznej.

* Pomiar temperatury światłowodu i monitorowanie drgań: bezpośredni pomiar temperatury gorących punktów uzwojenia i monitorowanie stanu mechanicznego rdzenia i uzwojeń.

Dane te są łączone z wielu źródeł za pomocą obliczeń brzegowych, aby uzyskać ocenę wskaźnika stanu sprzętu (HI) i wczesne ostrzeganie.

2. Poziom 2: Aktywna ochrona w fazie poważnej wady wyładowczej (aktywna warstwa blokująca)

Jest to podstawowe ogniwo odróżniające ochronę aktywną od ochrony tradycyjnej. Kiedy sygnał wyładowania (taki jak amplituda UHF, stromość prądu impulsu, energia ultradźwiękowa) jest monitorowany w celu osiągnięcia ustawionego progu poważnej wady, a wszechstronna ocena, że ​​usterka znajduje się w szybkim stadium rozwoju, system zabezpieczający może bezpośrednio wydać polecenie wyłączenia lub połączyć system kontroli stabilności w celu przeniesienia obciążenia bez polegania na tradycyjnych kryteriach różnicowych. Na przykład, w oparciu o zasadę różnicy charakterystyk prądu różnicowego w kolejności faz, czas działania zabezpieczenia zwarciowego międzyzwojowego można skrócić do około 20 milisekund; lub dźwięk, światło i elektryczne właściwości wielofizyczne około 100 milisekund przed awarią można wykorzystać do precyzyjnego usunięcia „etapu pączkowania zwarcia”.

3. Poziom 3: Poprawa skuteczności tradycyjnej ochrony przed łukiem elektrycznym (podstawowa warstwa ochronna)

W przypadku zwarć łukowych, które wystąpiły, czułość i szybkość tradycyjnej ochrony została poprawiona dzięki nowym zasadom. Na przykład technologia identyfikacji nasycenia rdzenia oparta na estymacji głównego strumienia może skutecznie identyfikować rozruchowy prąd wzbudzenia i prąd zwarciowy, realizując szybkie zabezpieczenie różnicowe bez blokowania prądu rozruchowego; lekkie zabezpieczenie przed zwarciami międzyzwojowymi oparte na charakterystyce upływu strumienia magnetycznego rozwiązuje problem niewystarczającej czułości tradycyjnego zabezpieczenia różnicowego dla zwarć międzyzwojowych o dużej impedancji.

V. Kompleksowe środki zapewniające bezpieczną eksploatację

Aby zapewnić bezpieczną pracę transformatorów, należy przyjąć wielopoziomową i kompleksową strategię zarządzania:

• Rutynowa kontrola i konserwacja: Regularnie przeprowadzaj kontrolę wyglądu, testowanie próbek oleju, testowanie uziemienia itp., aby utrzymać dobre środowisko pracy transformatora.
• Zarządzanie starzeniem się izolacji: monitoruj stan materiałów izolacyjnych, oceniaj pozostały okres użytkowania i rozsądnie organizuj plany konserwacji lub wymiany.
• Zabezpieczenie przed przeciążeniem i przegrzaniem: poprzez zarządzanie obciążeniem i optymalizację układu chłodzenia zapobiegają długotrwałemu przeciążeniu transformatora lub nadmiernemu wzrostowi temperatury.
• Plan reagowania awaryjnego: Opracuj proces szybkiego reagowania na nagłe awarie, aby skrócić czas przerwy w dostawie prądu i zmniejszyć straty.

VI. Przyszłe trendy rozwojowe

Wraz z rozwojem sztucznej inteligencji i technologii Internetu Rzeczy, aktywne zabezpieczenie transformatora ewoluuje w kierunku „Digital Twin + sterowanie adaptacyjne”:

* Cyfrowy bliźniak: zbuduj wirtualno-rzeczywiste mapowanie wielofizycznego modelu symulacyjnego transformatora i danych w czasie rzeczywistym, dynamicznie wydedukuj ścieżkę ewolucji uszkodzeń, przewidź pozostały czas życia (RUL) i zapewnij ilościową podstawę do proaktywnej interwencji.

* Ochrona adaptacyjna: Urządzenie zabezpieczające nie opiera się już na stałych progach, ale dynamicznie dostosowuje wartość ustawienia zabezpieczenia lub opóźnienie w oparciu o obciążenie robocze w czasie rzeczywistym, temperaturę otoczenia, stan izolacji itp., aby zapobiec awariom, jednocześnie maksymalizując nośność sprzętu.

* Inteligentna diagnostyka AI: wykorzystanie algorytmów głębokiego uczenia się, takich jak CNN i LSTM, do automatycznej identyfikacji wzorców wyładowań niezupełnych (PRPD) i śladów dźwiękowych wibracji, zmniejszając koszty ręcznej analizy i poprawiając współczynnik rozpoznawania słabych oznak usterek.

Wniosek

Aktywna ochrona i bezpieczna eksploatacja transformatorów mocy to zasadniczo systematyczne projekty, które przesuwają linię obrony bezpieczeństwa do przodu. Wymaga to od nas rozszerzenia od myślenia o zabezpieczeniu pojedynczego przekaźnika do kompleksowego systemu technologicznego obejmującego „wykrywanie panoramiczne, inteligentną diagnostykę, aktywne blokowanie i kontrolę samonaprawy”. Integrując zaawansowaną technologię wykrywania, symulację wielofizyczną, sztuczną inteligencję i nowe zasady ochrony, aby osiągnąć przejrzyste zarządzanie stanem wewnętrznym transformatora i precyzyjną kontrolę rozwoju uszkodzeń, możemy zasadniczo ograniczyć występowanie wypadków związanych ze złośliwą deflagracją i zbudować solidną barierę dla bezpiecznej i stabilnej pracy nowych systemów elektroenergetycznych.