Изграждане на система за активна защита на силови трансформатори: от пасивно реагиране до активно блокиране

Като основно хъбово оборудване на електроенергийната система, безопасната и стабилна работа на силовите трансформатори е пряко свързана с надеждността на електропреносната мрежа и сигурността на енергийните доставки. Въпреки това, сложната работна среда и много вътрешни и външни фактори поставят сериозни предизвикателства пред безопасната работа на трансформаторите. Трансформацията от „изключване след събитие“ към „ранно предупреждение преди събитие и блокиране по средата на събитието“ и изграждането на система за активна защита, базирана на панорамно наблюдение и интелигентно вземане на решения, се превърна в неизбежна тенденция в развитието на технологията за безопасна работа на токови трансформатори. Като нов метод за защита, технологията за активна защита може да открие потенциални рискове навреме, преди да възникне повреда, осигурявайки силна гаранция за безопасната работа на трансформатора.

I. Значението на силовите трансформатори

Като основно оборудване за преобразуване на напрежение и пренос и разпределение на електроенергия в електрическата мрежа, силови трансформатори са пряко свързани с надеждността на захранването и сигурността на електрическата мрежа. В съвременните енергийни системи трансформаторите са отговорни не само за преобразуването на електрическа енергия с високо напрежение, генерирана от електроцентралите, в електрическа енергия със свръхвисоко напрежение, подходяща за пренос на дълги разстояния, но също така са отговорни за постепенното намаляване на електрическата енергия с високо напрежение до електрическа енергия с ниско напрежение, използваема от потребителите, като по този начин осигуряват ефективно използване и разумно разпределение на ресурсите на електроенергия. Освен това, тъй като търсенето на електроенергия в топенето на метали, промишленото производство и други области продължава да расте, ролята на силовите трансформатори за осигуряване на електрозахранване на ключови индустрии става все по-важна. След повреда на трансформатор, това не само ще причини прекъсване на електрозахранването в местни райони, но също така може да предизвика верижна реакция, представляваща заплаха за безопасната и стабилна работа на цялата електроенергийна система. Следователно осигуряването на безопасна и стабилна работа на силови трансформатори е от голямо значение за подобряване на надеждността на електрическата мрежа.

II. Ограниченията на традиционните модели на защита и необходимостта от активна защита

Традиционната защита на трансформатора (като диференциална защита, газова защита, защита от свръхток) се основава главно на праговото действие на електрическо количество или единично неелектрическо количество и принадлежи към режима на "пасивен отговор". Практиката обаче показва, че дори ако диференциалната защита може да задейства изхода изключително бързо в рамките на 10 до 20 милисекунди, тя е ограничена от пълното време на прекъсване на самия прекъсвач, което е десетки милисекунди. Преди повредата на дъгата да бъде напълно отстранена, енергията на повредата често се е натрупала достатъчно, за да причини спукване на резервоара за гориво и експлозия на маслото. В допълнение, за процеса на развитие от незначителни изолационни дефекти (като частичен разряд) до проникващи дъгови повреди, традиционната защита няма способността да се намесва в междинния етап и лесно се влияе от преходни процеси като пусков ток на възбуждане и съществува риск от недостатъчна чувствителност или неизправност.

Активната защита е различна от традиционната защита след повреда. Неговото ядро ​​се крие в „първо превенция, ранна намеса“. Той реализира ранно идентифициране и предупреждение за потенциални неизправности чрез наблюдение в реално време на електрическите величини на трансформатора (напрежение, ток, мощност), неелектрическите величини (температура на маслото, ниво на маслото, вибрации, съдържание на газ) и параметрите на околната среда, комбинирани с анализ на големи данни и алгоритми за изкуствен интелект. Например, чрез онлайн мониторинг на разтворените газове (DGA) в трансформаторното масло, скрити опасности като стареене на изолацията и частично разреждане могат да бъдат открити предварително, така че да могат да се предприемат мерки за поддръжка, преди да възникнат повреди.

III. Основни рискове и развитие на повредата при безопасна работа на трансформатора

Вътрешните повреди на трансформатора обикновено се развиват от латентни към експлозивни. Често срещаните рискове включват:

• Повреда в изолацията: причинена от стареене на изолацията, влага, пренапрежение и т.н., която първоначално се проявява като частичен разряд (PD), а след това се развива в късо съединение от завой до завой, късо съединение от фаза до фаза и дори повреда на земята.
• Неизправност при прегряване: причинена от претоварване, лош контакт, повреда на охладителната система или многоточково заземяване на желязното ядро, което ускорява стареенето на изолационното масло и твърдата изолация и в крайна сметка може да доведе до повреда на изолацията.
• Механична повреда: деформация на намотката, разхлабени крепежни елементи и т.н., обикновено придружени от необичайни вибрации и могат допълнително да повредят изолационната структура.

Във веригата на развитие на повредата „частично разреждане → тежък дефект на разреждане → разрушаване на високоенергийна дъга“ е един от най-опасните пътища. Ключът към активната защита е да се уловят физическите характеристики на етапа на "сериозен дефект при разреждане" и да се прекъсне веригата в рамките на милисекунда от времеви прозорец, за да се предотвратят катастрофални последици.

IV. Ключови технологии за активна защита

Онлайн мониторинг и сензорна технология: Инсталирайте високоефективни сензори за събиране на данни за работното състояние на трансформатора в реално време, включително температура на намотката, маслена хроматография, частичен разряд, вибрации и шум и т.н., образувайки многоизмерна мрежа за наблюдение.

Интелигентна диагностика и система за ранно предупреждение: Използвайте алгоритми като машинно обучение и задълбочено обучение, за да анализирате и моделирате данните от мониторинга, да идентифицирате необичайни модели и да постигнете ранна диагностика и предупреждение за класификация на риска за грешки.

Адаптивен контрол на защитата: Динамично регулирайте настройките и логиката на защитата според състоянието на трансформатора в реално време, за да избегнете неправилна работа или отказ за работа и да подобрите надеждността на защитната система.

Постигането на активна защита разчита на дълбоката интеграция на високо прецизен мониторинг на състоянието (възприятие) и нови принципи на защита (вземане на решения). Понастоящем индустрията постепенно изгражда система за безопасна работа на „три нива на защита“ или „три линии на защита“:

1. Ниво 1: Откриване на незначителни дефекти и ранно предупреждение (слой за наблюдение на състоянието)

Чрез разполагането на многоизмерни интелигентни сензори се постига 7x24-часово панорамно възприятие. Основните технологии включват:

* Анализ на разтворен газ (DGA) в масло: Наблюдавайте характерни газове като H₂, C₂H₂ и CO, за да определите вида и степента на прегряване или повреда при изпускане.

* Мониторинг на частичен разряд (PD): използване на ултрависокочестотна (UHF), ултразвукова (AE) и високочестотна импулсна токова (HFCT) технология за откриване и локализиране на вътрешни изолационни дефекти.

* Измерване на температурата на оптичното влакно и мониторинг на вибрациите: директно измервайте температурата на горещите точки на намотките и наблюдавайте механичното състояние на сърцевината и намотките.

Тези данни се обединяват от множество източници чрез крайно изчисление, за да се постигне оценка на индекса на изправност на оборудването (HI) и ранно предупреждение.

2. Ниво 2: Активна защита в етапа на тежък дефект на разряд (активен блокиращ слой)

Това е основната връзка, която отличава активната защита от традиционната защита. Когато сигналът за разреждане (като UHF амплитуда, стръмност на импулсния ток, ултразвукова енергия) се наблюдава, за да достигне предварително зададения праг на сериозен дефект, и повредата е изчерпателно преценена, че е в етап на бързо развитие, системата за защита може директно да издаде команда за изключване или да свърже системата за контрол на стабилността, за да прехвърли товара, без да разчита на традиционни диференциални критерии. Например, въз основа на принципа на разликите в характеристиките на диференциалния ток на последователността на фазите, времето за действие на защитата при повреда между завоите може да бъде съкратено до около 20 милисекунди; или звуковите, светлинните и електрическите многофизични характеристики около 100 милисекунди преди повредата могат да се използват за постигане на прецизно премахване на "етапа на зараждане на повредата".

3. Ниво 3: Подобряване на традиционната производителност на защита от дъгова повреда (подлежащ защитен слой)

За възникнали дъгови повреди чувствителността и бързината на традиционната защита се подобряват чрез нови принципи. Например, технологията за идентифициране на насищане на сърцевината, базирана на оценка на връзката на главния поток, може ефективно да идентифицира пусковия ток на възбуждане и тока на повреда, реализирайки бърза диференциална защита без блокиране на пусковия ток; лека защита от повреда между завивки, базирана на характеристиките на изтичане на магнитен поток, решава проблема с недостатъчната чувствителност на традиционната диференциална защита за къси съединения между завивки с висок импеданс.

V. Комплексни мерки за безопасна експлоатация

За да се осигури безопасна работа на трансформаторите, трябва да се приеме многостепенна и цялостна стратегия за управление:

• Рутинна проверка и поддръжка: Редовно извършвайте проверка на външния вид, тестване на проби от масло, тестване на заземяване и т.н., за да поддържате добра работна среда на трансформатора.
• Управление на стареенето на изолацията: следете състоянието на изолационните материали, оценете оставащия живот и разумно организирайте планове за поддръжка или подмяна.
• Защита от претоварване и прегряване: Чрез управление на натоварването и оптимизиране на охладителната система предотвратявайте дълготрайно претоварване на трансформатора или прекомерно повишаване на температурата.
• План за реагиране при извънредни ситуации: Разработете процес за бърза реакция при внезапни повреди, за да съкратите времето за прекъсване на захранването и да намалите загубите.

VI. Бъдещи тенденции на развитие

С развитието на изкуствения интелект и технологията Интернет на нещата, активната защита на трансформатора се развива към „Цифров близнак + адаптивен контрол“:

* Цифров близнак: Изграждане на виртуално-реално картографиране на мултифизичния симулационен модел на трансформатора и данни в реално време, динамично извеждане на пътя на развитие на повредата, предсказване на оставащия живот (RUL) и осигуряване на количествена основа за проактивна намеса.

* Адаптивна защита: Устройството за защита вече не разчита на фиксирани прагове, а динамично настройва стойността на настройката на защитата или закъснението въз основа на скоростта на работно натоварване в реално време, температурата на околната среда, състоянието на изолацията и т.н., за да предотврати неизправност, като същевременно максимизира товароносимостта на оборудването.

* AI интелигентна диагностика: Използване на алгоритми за задълбочено обучение като CNN и LSTM за автоматично идентифициране на модели на частично разреждане (PRPD) и вибрационни звукови отпечатъци, намаляване на разходите за ръчен анализ и подобряване на степента на разпознаване на слаби признаци на повреда.

Заключение

Активната защита и безопасната експлоатация на силови трансформатори са по същество систематични проекти, които придвижват защитната линия напред. Това изисква от нас да се разширим от едно мислене за релейна защита до технологична система с пълна верига на „панорамно отчитане-интелигентна диагностика-активно блокиране-самовъзстановяващ се контрол“. Чрез интегриране на усъвършенствана сензорна технология, мултифизична симулация, изкуствен интелект и нови принципи на защита за постигане на прозрачно управление на вътрешния статус на трансформатора и прецизен контрол на еволюцията на повредата, можем фундаментално да ограничим появата на злокачествени дефлаграционни инциденти и да изградим солидна бариера за безопасната и стабилна работа на новите енергийни системи.