Erőátviteli transzformátorok aktív védelmi rendszerének felépítése: a passzív választól az aktív blokkolásig

A villamosenergia-rendszer központi csomóponti berendezéseként a transzformátorok biztonságos és stabil működése közvetlenül összefügg az elektromos hálózat megbízhatóságával és az energiaellátás biztonságával. A bonyolult működési környezet és számos belső és külső tényező azonban komoly kihívásokat jelent a transzformátorok biztonságos üzemeltetése szempontjából. Az „esemény utáni kioldásról” az „esemény előtti korai riasztásra és az esemény közbeni blokkolásra” való átalakítás, valamint a panorámaérzékelésen és intelligens döntéshozatalon alapuló aktív védelmi rendszer kiépítése elkerülhetetlen irányzattá vált az áramtranszformátorok biztonságos működési technológiájának fejlesztésében. Feltörekvő védelmi módszerként az aktív védelmi technológia még a hiba fellépése előtt képes felismerni a potenciális kockázatokat, erős garanciát nyújtva a transzformátor biztonságos működésére.

I. Erőátviteli transzformátorok jelentősége

A feszültségátalakító, valamint a villamosenergia-átvitel és -elosztás alapvető berendezéseiként a teljesítménytranszformátorok közvetlenül kapcsolódnak az elektromos hálózat energiaellátásának megbízhatóságához és biztonságához. A modern villamosenergia-rendszerekben a transzformátorok nemcsak az erőművek által termelt nagyfeszültségű villamos energiát nagy távolságú átvitelre alkalmas ultranagy feszültségű villamos energiává alakítják, hanem a nagyfeszültségű villamos energiát a felhasználók által felhasználható kisfeszültségű villamos energiává lépésről lépésre leépítik, ezzel biztosítva a villamos energiaforrások hatékony felhasználását és ésszerű elosztását. Ezen túlmenően, mivel a fémkohászatban, az ipari termelésben és más területeken folyamatosan növekszik a villamos energia iránti kereslet, a transzformátorok szerepe a kulcsfontosságú iparágak áramellátásának biztosításában egyre hangsúlyosabbá vált. Ha egy transzformátor meghibásodik, az nemcsak a helyi területeken okoz áramkimaradást, hanem láncreakciót is kiválthat, ami veszélyt jelent a teljes villamosenergia-rendszer biztonságos és stabil működésére. Ezért a teljesítménytranszformátorok biztonságos és stabil működésének biztosítása nagy jelentőséggel bír az elektromos hálózat megbízhatóságának javítása szempontjából.

II. A hagyományos védelmi modellek korlátai és az aktív védelem szükségessége

A hagyományos transzformátorvédelem (például differenciálvédelem, gázvédelem, túláramvédelem) főként egy elektromos mennyiség vagy egyetlen nem elektromos mennyiség küszöbhatásán alapul, és a "passzív válasz" módhoz tartozik. A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy még ha a differenciálvédelem rendkívül gyorsan, 10-20 ezredmásodperc alatt képes is működtetni a kimenetet, ennek magának a megszakítónak a teljes megszakítási ideje korlátozza, ami több tíz ezredmásodperc. Mielőtt az ívhiba teljesen megszűnne, a hibaenergia gyakran felhalmozódott annyira, hogy az üzemanyagtartály megrepedjen és az olaj felrobbanjon. Ezenkívül a kisebb szigetelési hibáktól (például részleges kisüléstől) a behatoló ívhibákig a hagyományos védelem nem képes a közbenső szakaszban beavatkozni, és könnyen befolyásolják az átmeneti folyamatok, például a gerjesztési beindulási áram, és fennáll az elégtelen érzékenység vagy meghibásodás veszélye.

Az aktív védelem eltér a hagyományos hiba utáni védelemtől. Lényege, hogy „első a megelőzés, a korai beavatkozás”. A transzformátor elektromos mennyiségeinek (feszültség, áram, teljesítmény), nem elektromos mennyiségeknek (olajhőmérséklet, olajszint, rezgés, gáztartalom) és környezeti paraméterek valós idejű monitorozásával valósítja meg a lehetséges hibák korai azonosítását és figyelmeztetését, kombinálva big data elemzéssel és mesterséges intelligencia algoritmusokkal. Például a transzformátorolajban oldott gázok (DGA) online monitorozása révén előre felfedezhetők az olyan rejtett veszélyek, mint a szigetelés elöregedése és a részleges kisülés, így a karbantartási intézkedések megtehetők a hibák bekövetkezése előtt.

III. A transzformátor biztonságos működésének főbb kockázatai és hibafejlődése

A transzformátor belső hibái általában látensből robbanásveszélyessé válnak. A gyakori kockázatok a következők:

• Szigetelési hiba: a szigetelés elöregedése, nedvesség, túlfeszültség stb. okozza, amely kezdetben részleges kisülésben (PD) nyilvánul meg, majd fordulatról-kanyarra rövidzárlat, fázis-fázis rövidzárlat, sőt földelés meghibásodása is kialakul.
• Túlmelegedési hiba: túlterhelés, rossz érintkezés, hűtőrendszer meghibásodása vagy a vasmag többpontos földelése okozza, ami felgyorsítja a szigetelőolaj és a szilárd szigetelés öregedését, és végül a szigetelés tönkremeneteléhez vezethet.
• Mechanikai meghibásodás: tekercselés deformációja, laza rögzítések stb., általában rendellenes vibráció kíséretében, és tovább károsíthatják a szigetelés szerkezetét.

A hibafejlődési láncban a "részleges kisülés → súlyos kisülési hiba → nagy energiájú ívleállás" az egyik legveszélyesebb út. Az aktív védelem kulcsa a „súlyos kisülési hiba” szakasz fizikai jellemzőinek rögzítése és az áramkör egy ezredmásodperces időablakon belüli lekapcsolása a katasztrofális következmények elkerülése érdekében.

IV. Az aktív védelem kulcsfontosságú technológiái

Online felügyeleti és szenzortechnológia: Telepítsen nagy teljesítményű érzékelőket a transzformátor üzemállapotának valós idejű gyűjtéséhez, beleértve a tekercselési hőmérsékletet, az olajkromatográfiát, a részleges kisülést, a rezgést és a zajt stb., így egy többdimenziós megfigyelési hálózatot alkot.

Intelligens diagnosztikai és korai figyelmeztető rendszer: Használjon olyan algoritmusokat, mint a gépi tanulás és a mély tanulás a megfigyelési adatok elemzésére és modellezésére, a kóros minták azonosítására, valamint a hibák korai diagnosztizálására és kockázatbesorolásra.

Adaptív védelmi vezérlés: Dinamikusan állítsa be a védelmi beállításokat és a logikát a transzformátor valós idejű állapotának megfelelően, hogy elkerülje a helytelen működést vagy a működés megtagadását, és javítsa a védelmi rendszer megbízhatóságát.

Az aktív védelem elérése a nagy pontosságú állapotfigyelés (észlelés) és az új védelmi elvek (döntéshozatal) mélyreható integrációján alapul. Jelenleg az ipar fokozatosan "háromszintű védelmi vonal" vagy "három védelmi vonal" biztonságos működési rendszert épít ki:

1. 1. szint: Kisebb hibák észlelése és korai figyelmeztetés (állapotfigyelő réteg)

Többdimenziós intelligens érzékelők alkalmazásával 7x24 órás panorámaérzékelés érhető el. Az alapvető technológiák a következők:

* Oldott gáz elemzése (DGA) olajban: Figyelje a jellemző gázokat, mint például a H₂, C2H₂ és CO, hogy meghatározza a túlmelegedés vagy kisülési hiba típusát és arányát.

* Részleges kisülés (PD) felügyelet: ultra-nagy frekvenciájú (UHF), ultrahangos (AE) és nagyfrekvenciás impulzusáram (HFCT) technológia a belső szigetelési hibák észlelésére és lokalizálására.

* Optikai szál hőmérsékletmérés és rezgésfigyelés: közvetlenül méri a tekercselés forró pontjainak hőmérsékletét, és figyeli a mag és a tekercsek mechanikai állapotát.

Ezeket az adatokat több forrásból egyesítik az élszámításon keresztül, hogy elérjék a berendezés állapotindexének (HI) értékelését és a korai figyelmeztetést.

2. 2. szint: Aktív védelem súlyos kisülési hiba szakaszában (aktív blokkoló réteg)

Ez az a fő kapcsolat, amely megkülönbözteti az aktív védelmet a hagyományos védelemtől. Ha a kisülési jelet (például UHF amplitúdó, impulzusáram meredeksége, ultrahang energia) figyelik, hogy elérje az előre beállított súlyos hibaküszöböt, és átfogóan úgy ítélik meg, hogy a hiba gyors fejlődési szakaszban van, a védelmi rendszer közvetlenül kiadhat kioldási parancsot, vagy összekapcsolhatja a stabilitásszabályozó rendszert a terhelés átviteléhez anélkül, hogy a hagyományos differenciálkritériumokra hagyatkozna. Például a fázissorrendű differenciáláram-jellemző különbségek elve alapján a fordulatok közötti hibavédelem működési ideje körülbelül 20 milliszekundumra csökkenthető; vagy a hang-, fény- és elektromos multifizikai jellemzők körülbelül 100 ezredmásodperccel a hiba lebontása előtt felhasználhatók a "hibakezdő szakasz" pontos eltávolítására.

3. 3. szint: A hagyományos ívhibavédelmi teljesítmény javítása (az alatta lévő védőréteg)

A fellépő ívhibák esetén a hagyományos védelem érzékenysége és gyorsasága új elvek révén javul. Például a fő fluxus kapcsolat becslésén alapuló magtelítettség azonosítási technológia hatékonyan képes azonosítani a gerjesztő bekapcsolási áramot és a hibaáramot, gyors differenciálvédelmet megvalósítva a bekapcsolási áram blokkolása nélkül; a mágneses fluxus szivárgási karakterisztikán alapuló enyhe fordulatközi hibavédelem megoldja a hagyományos differenciálvédelem elégtelen érzékenységének problémáját a nagy impedanciájú körök közötti rövidzárlatoknál.

V. Átfogó intézkedések a biztonságos üzemeltetés érdekében

A transzformátorok biztonságos működésének biztosítása érdekében többszintű és átfogó irányítási stratégiát kell elfogadni:

• Rutinellenőrzés és karbantartás: Rendszeresen végezzen megjelenés-ellenőrzést, olajminta-vizsgálatot, földelésvizsgálatot stb., hogy fenntartsa a transzformátor jó működési környezetét.
• Szigetelés elöregedésének kezelése: figyelje a szigetelőanyagok állapotát, értékelje a hátralévő élettartamot, és ésszerűen készítsen karbantartási vagy csereterveket.
• Túlterhelés és túlmelegedés elleni védelem: A terheléskezelés és a hűtőrendszer optimalizálása révén megakadályozza a transzformátor hosszú távú túlterhelését vagy a túlzott hőmérséklet-emelkedést.
• Vészhelyzeti reagálási terv: Gyors reagálási folyamat kidolgozása hirtelen meghibásodásokra az áramkimaradási idő lerövidítése és a veszteségek csökkentése érdekében.

VI. A jövőbeni fejlesztési irányok

A mesterséges intelligencia és a tárgyak internete technológia fejlődésével a transzformátoros aktív védelem a „Digital Twin + adaptív vezérlés” felé fejlődik:

* Digitális iker: A transzformátor többfizikai szimulációs modelljének és valós idejű adatoknak virtuális-valós leképezése, dinamikusan következtethet a hiba kifejlődési útjára, megjósolhatja a hátralévő élettartamot (RUL), és kvantitatív alapot biztosít a proaktív beavatkozáshoz.

* Adaptív védelem: A védelmi eszköz már nem támaszkodik rögzített küszöbértékekre, hanem dinamikusan állítja be a védelem beállítási értékét vagy késleltetését a valós idejű üzemi terhelési ráta, a környezeti hőmérséklet, a szigetelés állapota stb. alapján, hogy megakadályozza a meghibásodást, miközben maximalizálja a berendezés teherbírását.

* AI intelligens diagnózis: Mélytanulási algoritmusok, például CNN és ​​LSTM használata a részleges kisülési minták (PRPD) és a vibrációs hanglenyomatok automatikus azonosítására, csökkentve a kézi elemzés költségeit és javítva a gyenge hibajelek felismerési arányát.

Következtetés

Az erősáramú transzformátorok aktív védelme és biztonságos üzemeltetése alapvetően szisztematikus projektek, amelyek előremozdítják a biztonsági védelmi vonalat. Ez megköveteli, hogy az egyetlen relé védelmi gondolkodásról a "panorámás érzékelés-intelligens diagnosztika-aktív blokkoló-öngyógyító vezérlés" teljes láncú technológiai rendszerére terjeszkedjünk. A fejlett érzékelési technológia, a többfizikai szimuláció, a mesterséges intelligencia és az új védelmi elvek integrálásával a transzformátor belső állapotának átlátható kezelése és a hibafejlődés precíz szabályozása érdekében alapvetően megfékezhetjük a rosszindulatú deflagrációs balesetek előfordulását, és szilárd gátat építhetünk az új villamosenergia-rendszerek biztonságos és stabil működése elé.