Konstruktion af aktivt beskyttelsessystem til krafttransformatorer: fra passiv reaktion til aktiv blokering

Som kerneudstyret i elsystemet er den sikre og stabile drift af strømtransformatorer direkte relateret til elnettets pålidelighed og energiforsyningssikkerheden. Det komplekse driftsmiljø og mange interne og eksterne faktorer udgør imidlertid alvorlige udfordringer for sikker drift af transformere. Transformationen fra "post-event tripping" til "pre-event early warning and mid-event blocking" og opbygning af et aktivt beskyttelsessystem baseret på panoramasensorer og intelligent beslutningstagning er blevet en uundgåelig trend i udviklingen af ​​den nuværende transformer-sikker driftteknologi. Som en ny beskyttelsesmetode kan aktiv beskyttelsesteknologi opdage potentielle risici i tide, før der opstår en fejl, hvilket giver en stærk garanti for sikker drift af transformeren.

I. Betydningen af ​​krafttransformatorer

Som kerneudstyret til spændingskonvertering og krafttransmission og -distribution i elnettet er krafttransformatorer direkte relateret til strømforsyningens pålidelighed og sikkerhed i elnettet. I moderne kraftsystemer er transformatorer ikke kun ansvarlige for at konvertere højspændingselektrisk energi genereret af kraftværker til ultrahøjspændingselektrisk energi, der er egnet til langdistancetransmission, men er også ansvarlige for trinvis nedtrapping af højspændingselektrisk energi til lavspændingselektrisk energi, der kan bruges af brugerne, og derved sikre effektiv udnyttelse og rimelig fordeling af elektriske energiressourcer. Efterhånden som efterspørgslen efter elektricitet inden for metalsmeltning, industriel produktion og andre områder fortsætter med at vokse, er krafttransformatorernes rolle i at sikre strømforsyning til nøgleindustrier blevet stadig mere fremtrædende. Når en transformer svigter, vil den ikke kun forårsage strømafbrydelser i lokale områder, men kan også udløse en kædereaktion, der udgør en trussel mod en sikker og stabil drift af hele elsystemet. Derfor er sikring af sikker og stabil drift af strømtransformatorer af stor betydning for at forbedre elnettets pålidelighed.

II. Begrænsninger af traditionelle beskyttelsesmodeller og nødvendigheden af ​​aktiv beskyttelse

Traditionel transformatorbeskyttelse (såsom differentiel beskyttelse, gasbeskyttelse, overstrømsbeskyttelse) er hovedsageligt baseret på tærskelvirkningen af ​​en elektrisk størrelse eller en enkelt ikke-elektrisk størrelse og hører til tilstanden "passiv respons". Praksis har dog vist, at selvom differentialbeskyttelsen kan betjene stikkontakten ekstremt hurtigt inden for 10 til 20 millisekunder, er den begrænset af selve afbryderens fulde brydetid, som er titusvis af millisekunder. Inden lysbuefejlen er helt fjernet, har fejlenergien ofte akkumuleret nok til at få brændstoftanken til at briste og olien til at eksplodere. For udviklingsprocessen fra mindre isolationsfejl (såsom delvis afladning) til gennemtrængende lysbuefejl mangler traditionel beskyttelse desuden evnen til at gribe ind i mellemtrinnet og påvirkes let af forbigående processer såsom excitationsstartstrøm, og der er risiko for utilstrækkelig følsomhed eller funktionsfejl.

Aktiv beskyttelse adskiller sig fra traditionel beskyttelse efter fejl. Dens kerne ligger i "forebyggelse først, tidlig indsats". Den realiserer tidlig identifikation og advarsel om potentielle fejl ved realtidsovervågning af transformatorens elektriske størrelser (spænding, strøm, effekt), ikke-elektriske størrelser (olietemperatur, olieniveau, vibration, gasindhold) og miljøparametre kombineret med big data-analyse og kunstig intelligens algoritmer. Gennem online overvågning af opløste gasser (DGA) i transformerolie kan der på forhånd opdages skjulte farer som isolationsældning og delvis udledning, så der kan tages vedligeholdelsesforanstaltninger, inden der opstår fejl.

III. Vigtigste risici og fejludvikling af transformer sikker drift

Transformers interne fejl udvikler sig normalt fra latente til eksplosive. Almindelige risici omfatter:

• Isolationsfejl: forårsaget af isolationsældning, fugt, overspænding osv., som i begyndelsen viser sig som partiel afladning (PD), og derefter udvikler sig til turn-to-turn kortslutning, fase-til-fase kortslutning og endda jordnedbrud.
• Overophedningsfejl: forårsaget af overbelastning, dårlig kontakt, kølesystemsvigt eller flerpunktsjording af jernkernen, hvilket fremskynder ældningen af ​​isoleringsolien og den faste isolering og kan i sidste ende føre til isolationsnedbrud.
• Mekanisk fejl: viklingsdeformation, løse fastgørelseselementer osv., normalt ledsaget af unormale vibrationer og kan yderligere beskadige isoleringsstrukturen.

I fejludviklingskæden er "delvis afladning → alvorlig udledningsfejl → højenergibuesammenbrud" en af ​​de farligste veje. Nøglen til aktiv beskyttelse er at fange de fysiske karakteristika af "alvorlig afladningsdefekt"-stadiet og afbryde kredsløbet inden for et millisekunds tidsvindue for at forhindre katastrofale konsekvenser.

IV. Nøgleteknologier til aktiv beskyttelse

Online overvågning og sensorteknologi: Installer højtydende sensorer for at indsamle transformatordriftsstatusdata i realtid, herunder viklingstemperatur, oliekromatografi, delvis udledning, vibration og støj osv., og danner et multidimensionelt overvågningsnetværk.

Intelligent diagnose og tidlig varslingssystem: Brug algoritmer såsom maskinlæring og deep learning til at analysere og modellere overvågningsdata, identificere unormale mønstre og opnå tidlig diagnose og risikoklassificeringsadvarsel om fejl.

Adaptiv beskyttelseskontrol: Juster dynamisk beskyttelsesindstillingerne og logikken i henhold til transformerens realtidsstatus for at undgå fejlbetjening eller afvisning af drift og forbedre beskyttelsessystemets pålidelighed.

Opnåelse af aktiv beskyttelse afhænger af en dyb integration af højpræcisionsstatusovervågning (perception) og nye beskyttelsesprincipper (beslutningstagning). I øjeblikket er industrien gradvist ved at opbygge et "tre-niveau forsvarslinje" eller "tre forsvarslinjer" sikkert operationssystem:

1. Niveau 1: Påvisning af mindre defekter og tidlig advarsel (tilstandsovervågningslag)

Ved at implementere multidimensionelle smarte sensorer opnås 7x24-timers panoramaopfattelse. Kerneteknologier omfatter:

* Opløst gasanalyse (DGA) i olie: Overvåg karakteristiske gasser såsom H₂, C₂H₂ og CO for at bestemme typen og hastigheden af ​​overophedning eller udledningsfejl.

* Overvågning af delvis afladning (PD): ved hjælp af ultrahøj frekvens (UHF), ultralyd (AE) og højfrekvent pulsstrøm (HFCT) teknologi til at detektere og lokalisere interne isolationsfejl.

* Optisk fibertemperaturmåling og vibrationsovervågning: Mål direkte temperaturen på viklingshotspots og overvåg den mekaniske status af kernen og viklingerne.

Disse data er fusioneret fra flere kilder gennem edge computing for at opnå udstyrssundhedsindeks (HI) vurdering og tidlig advarsel.

2. Niveau 2: Aktiv beskyttelse i det svære udledningsdefektstadium (aktivt blokeringslag)

Dette er kerneleddet, der adskiller aktiv beskyttelse fra traditionel beskyttelse. Når udladningssignalet (såsom UHF-amplitude, pulsstrømstejlhed, ultralydsenergi) overvåges for at nå den forudindstillede tærskel for alvorlige defekter, og fejlen vurderes omfattende at være i et hurtigt udviklingsstadium, kan beskyttelsessystemet direkte udstede en trip-kommando eller forbinde stabilitetskontrolsystemet til at overføre belastningen uden at stole på traditionelle differentialkriterier. For eksempel, baseret på princippet om fasesekvens differentielle strømkarakteristiske forskelle, kan inter-turn fejlbeskyttelseshandlingstiden forkortes til omkring 20 millisekunder; eller lyd-, lys- og elektriske multifysiske karakteristika omkring 100 millisekunder før fejlnedbrydning kan bruges til at opnå præcis fjernelse af "fejlskudsstadiet".

3. Niveau 3: Forbedring af traditionel lysbuefejlbeskyttelsesydelse (underliggende beskyttende lag)

For lysbuefejl, der er opstået, forbedres følsomheden og hurtigheden af ​​traditionel beskyttelse gennem nye principper. For eksempel kan kernemætningsidentifikationsteknologi baseret på estimering af hovedfluxforbindelsen effektivt identificere excitationsstartstrøm og fejlstrøm, hvilket realiserer hurtig differentialbeskyttelse uden startstrømsblokering; let inter-turn-fejlbeskyttelse baseret på magnetiske fluxlækagekarakteristika løser problemet med utilstrækkelig følsomhed af traditionel differentialbeskyttelse til højimpedans inter-turn-kortslutninger.

V. Omfattende foranstaltninger til sikker drift

For at sikre sikker drift af transformere skal der vedtages en omfattende ledelsesstrategi på flere niveauer:

• Rutinemæssig inspektion og vedligeholdelse: Udfør regelmæssigt udseendeinspektion, olieprøvetestning, jordingstest osv. for at opretholde et godt driftsmiljø for transformeren.
• Styring af ældning af isolering: overvåg status for isoleringsmaterialer, evaluer resterende levetid og arrangere vedligeholdelses- eller udskiftningsplaner med rimelighed.
• Overbelastnings- og overophedningsbeskyttelse: Gennem belastningsstyring og optimering af kølesystem, forhindre langsigtet overbelastning af transformeren eller for stor temperaturstigning.
• Nødberedskabsplan: Udvikl en hurtig reaktionsproces for pludselige fejl for at forkorte strømafbrydelsestiden og reducere tab.

VI. Fremtidige udviklingstendenser

Med udviklingen af ​​kunstig intelligens og Internet of Things-teknologi udvikler aktiv transformatorbeskyttelse sig mod "Digital Twin + adaptiv kontrol":

* Digital tvilling: Konstruer en virtuel-reel kortlægning af transformatorens multifysiske simuleringsmodel og realtidsdata, udled dynamisk fejludviklingsstien, forudsig den resterende levetid (RUL) og giv et kvantitativt grundlag for proaktiv intervention.

* Adaptiv beskyttelse: Beskyttelsesenheden er ikke længere afhængig af faste tærskler, men justerer dynamisk beskyttelsesindstillingsværdien eller forsinkelsen baseret på realtids driftsbelastningshastighed, omgivelsestemperatur, isoleringsstatus osv., for at forhindre fejlfunktion og samtidig maksimere udstyrets bæreevne.

* AI intelligent diagnose: Brug af deep learning algoritmer som CNN og LSTM til automatisk at identificere partielle udladningsmønstre (PRPD) og vibrationslydaftryk, reducere omkostningerne til manuelle analyser og forbedre genkendelsesraten af ​​svage fejltegn.

Konklusion

Aktiv beskyttelse og sikker drift af krafttransformatorer er i det væsentlige systematiske projekter, der flytter sikkerhedslinjen fremad. Det kræver, at vi udvider fra en enkelt relæbeskyttelsestænkning til et fuldkædet teknologisystem med "panoramisk sansning-intelligent diagnose-aktiv blokerende-selvhelbredende kontrol". Ved at integrere avanceret sensorteknologi, multi-fysisk simulering, kunstig intelligens og nye beskyttelsesprincipper for at opnå gennemsigtig styring af transformatorens interne status og præcis kontrol af fejludviklingen, kan vi fundamentalt bremse forekomsten af ​​maligne deflagrationsulykker og bygge en solid barriere for sikker og stabil drift af nye strømsystemer.