Построение системы активной защиты силовых трансформаторов: от пассивного реагирования к активной блокировке

Безопасная и стабильная работа силовых трансформаторов, являющихся основным узловым оборудованием энергосистемы, напрямую связана с надежностью электросети и безопасностью энергоснабжения. Однако сложная эксплуатационная среда и множество внутренних и внешних факторов создают серьезные проблемы для безопасной эксплуатации трансформаторов. Переход от «отключения после события» к «раннему предупреждению и блокировке в середине события» и построение системы активной защиты на основе панорамного зондирования и интеллектуального принятия решений стали неизбежной тенденцией в развитии технологии безопасной эксплуатации трансформаторов тока. Технология активной защиты, являющаяся новым методом защиты, позволяет вовремя обнаружить потенциальные риски до того, как произойдет неисправность, обеспечивая надежную гарантию безопасной эксплуатации трансформатора.

I. Важность силовых трансформаторов

Являясь основным оборудованием для преобразования напряжения, передачи и распределения электроэнергии в электросети, силовые трансформаторы напрямую связаны с надежностью и безопасностью электроснабжения электросети. В современных энергосистемах трансформаторы не только отвечают за преобразование электрической энергии высокого напряжения, вырабатываемой электростанциями, в электрическую энергию сверхвысокого напряжения, пригодную для передачи на большие расстояния, но и отвечают за поэтапное понижение электрической энергии высокого напряжения до электрической энергии низкого напряжения, используемой потребителями, обеспечивая тем самым эффективное использование и разумное распределение электроэнергетических ресурсов. Кроме того, поскольку спрос на электроэнергию в металлургии, промышленном производстве и других сферах продолжает расти, роль силовых трансформаторов в обеспечении электроснабжения ключевых отраслей промышленности становится все более заметной. Выход из строя трансформатора не только приведет к отключению электроэнергии в отдельных районах, но и может вызвать цепную реакцию, создающую угрозу безопасной и стабильной работе всей энергосистемы. Поэтому обеспечение безопасной и стабильной работы силовых трансформаторов имеет большое значение для повышения надежности электросети.

II. Ограничения традиционных моделей защиты и необходимость активной защиты

Традиционная защита трансформатора (например, дифференциальная защита, газовая защита, защита от сверхтоков) в основном основана на пороговом действии электрической величины или одной неэлектрической величины и относится к режиму «пассивного реагирования». Однако практика показала, что даже если дифференциальная защита и может чрезвычайно быстро сработать розетку в течение 10–20 миллисекунд, она ограничена временем полного отключения самого выключателя, составляющим десятки миллисекунд. Прежде чем дуговое замыкание будет полностью устранено, энергия замыкания часто накапливается достаточно, чтобы вызвать разрыв топливного бака и взрыв масла. Кроме того, при переходе от незначительных дефектов изоляции (таких как частичный разряд) к проникающим дуговым замыканиям традиционная защита не имеет возможности вмешаться на промежуточном этапе и легко подвергается влиянию переходных процессов, таких как пусковой ток возбуждения, и существует риск недостаточной чувствительности или неисправности.

Активная защита отличается от традиционной защиты после сбоя. Его суть заключается в том, что «сначала профилактика, раннее вмешательство». Он осуществляет раннее выявление и предупреждение о потенциальных неисправностях путем мониторинга в реальном времени электрических величин трансформатора (напряжение, ток, мощность), неэлектрических величин (температура масла, уровень масла, вибрация, содержание газа) и параметров окружающей среды в сочетании с анализом больших данных и алгоритмами искусственного интеллекта. Например, посредством онлайн-мониторинга растворенных газов (DGA) в трансформаторном масле можно заранее обнаружить скрытые опасности, такие как старение изоляции и частичные разряды, что позволяет принять меры по техническому обслуживанию до возникновения неисправностей.

III. Основные риски и развитие неисправностей безопасной эксплуатации трансформатора

Внутренние повреждения трансформатора обычно развиваются от скрытых до взрывных. Общие риски включают в себя:

• Повреждение изоляции: вызванное старением изоляции, влажностью, перенапряжением и т. д., которое первоначально проявляется как частичный разряд (ЧР), а затем перерастает в межвитковое короткое замыкание, межфазное короткое замыкание и даже пробой на землю.
• Неисправность перегрева: вызвана перегрузкой, плохим контактом, отказом системы охлаждения или многоточечным заземлением железного сердечника, что ускоряет старение изоляционного масла и твердой изоляции и может в конечном итоге привести к разрушению изоляции.
• Механические неисправности: деформация обмотки, ослабление крепления и т. д., обычно сопровождающиеся ненормальной вибрацией и способные привести к дальнейшему повреждению изоляционной конструкции.

В цепочке развития неисправности «частичный разряд → серьезный дефект разряда → высокоэнергетический дуговой пробой» является одним из наиболее опасных путей. Ключом к активной защите является фиксация физических характеристик стадии «серьезного разряда» и отключение цепи в течение миллисекундного временного окна, чтобы предотвратить катастрофические последствия.

IV. Ключевые технологии активной защиты

Онлайн-мониторинг и сенсорные технологии: установите высокопроизводительные датчики для сбора данных о рабочем состоянии трансформатора в режиме реального времени, включая температуру обмотки, хроматографию масла, частичный разряд, вибрацию и шум и т. д., образуя многомерную сеть мониторинга.

Интеллектуальная система диагностики и раннего предупреждения: используйте такие алгоритмы, как машинное обучение и глубокое обучение, для анализа и моделирования данных мониторинга, выявления аномальных закономерностей, а также для ранней диагностики и предупреждения сбоев по классификации рисков.

Адаптивное управление защитой: динамически настраивайте настройки и логику защиты в соответствии с состоянием трансформатора в реальном времени, чтобы избежать неправильной работы или отказа в работе и повысить надежность системы защиты.

Достижение активной защиты зависит от глубокой интеграции высокоточного мониторинга состояния (восприятия) и новых принципов защиты (принятия решений). В настоящее время в отрасли постепенно выстраивается система безопасной эксплуатации «трехуровневой линии обороны» или «трех линий обороны»:

1. Уровень 1: Обнаружение незначительных дефектов и раннее предупреждение (уровень мониторинга состояния).

За счет использования многомерных интеллектуальных датчиков достигается круглосуточное панорамное восприятие. Основные технологии включают в себя:

* Анализ растворенных газов (DGA) в масле. Мониторинг характерных газов, таких как H₂, C₂H₂ и CO, для определения типа и скорости перегрева или отказа нагнетания.

* Мониторинг частичных разрядов (ЧР): использование технологий сверхвысокой частоты (УВЧ), ультразвука (AE) и высокочастотного импульсного тока (HFCT) для обнаружения и локализации внутренних дефектов изоляции.

* Измерение температуры оптического волокна и мониторинг вибрации: непосредственно измеряйте температуру горячих точек обмотки и контролируйте механическое состояние сердечника и обмоток.

Эти данные объединяются из нескольких источников с помощью периферийных вычислений для оценки индекса исправности оборудования (HI) и раннего предупреждения.

2. Уровень 2: Активная защита на стадии серьезного разряда (активный блокирующий слой).

Это основное звено, которое отличает активную защиту от традиционной защиты. Когда сигнал разряда (например, амплитуда УВЧ, крутизна импульсного тока, энергия ультразвука) контролируется на предмет достижения заданного порога серьезного дефекта и всесторонне оценивается, что неисправность находится на стадии быстрого развития, система защиты может напрямую выдать команду на отключение или связать систему контроля устойчивости для передачи нагрузки, не полагаясь на традиционные дифференциальные критерии. Например, на основании принципа разности характеристик дифференциального тока последовательности фаз время действия защиты от межвиткового замыкания может быть сокращено примерно до 20 миллисекунд; или звуковые, световые и электрические мультифизические характеристики примерно за 100 миллисекунд до пробоя неисправности можно использовать для достижения точного устранения «стадии зарождения неисправности».

3. Уровень 3: Улучшение характеристик традиционной защиты от дугового замыкания (нижний защитный слой)

В случае возникших дуговых замыканий чувствительность и быстродействие традиционной защиты улучшаются за счет новых принципов. Например, технология идентификации насыщения сердечника, основанная на оценке основной потокосцепления, может эффективно определять пусковой ток возбуждения и ток повреждения, реализуя быструю дифференциальную защиту без блокировки пускового тока; Защита от небольших межвитковых замыканий на основе характеристик рассеяния магнитного потока решает проблему недостаточной чувствительности традиционной дифференциальной защиты при высокоомных межвитковых замыканиях.

V. Комплексные меры по безопасной эксплуатации

Для обеспечения безопасной эксплуатации трансформаторов необходимо принять многоуровневую и комплексную стратегию управления:

• Регулярный осмотр и техническое обслуживание. Регулярно проводите внешний осмотр, проверку проб масла, проверку заземления и т. д. для поддержания хороших условий эксплуатации трансформатора.
• Управление старением изоляции: отслеживайте состояние изоляционных материалов, оценивайте оставшийся срок службы и разумно составляйте планы обслуживания или замены.
• Защита от перегрузки и перегрева: благодаря управлению нагрузкой и оптимизации системы охлаждения предотвращайте длительную перегрузку трансформатора или чрезмерное повышение температуры.
• План реагирования на чрезвычайные ситуации: разработайте процесс быстрого реагирования на внезапные сбои, чтобы сократить время отключения электроэнергии и уменьшить потери.

VI. Будущие тенденции развития

С развитием технологий искусственного интеллекта и Интернета вещей активная защита трансформатора эволюционирует в сторону «Цифровой двойник + адаптивное управление»:

* Цифровой двойник: создайте виртуально-реальное отображение мультифизической имитационной модели трансформатора и данных в реальном времени, динамически определите путь развития неисправности, прогнозируйте остаточный срок службы (RUL) и обеспечьте количественную основу для упреждающего вмешательства.

* Адаптивная защита: защитное устройство больше не полагается на фиксированные пороговые значения, а динамически регулирует значение настройки защиты или задержку в зависимости от скорости рабочей нагрузки в реальном времени, температуры окружающей среды, состояния изоляции и т. д., чтобы предотвратить сбои при максимальном увеличении несущей способности оборудования.

* Интеллектуальная диагностика с помощью искусственного интеллекта: использование алгоритмов глубокого обучения, таких как CNN и LSTM, для автоматического определения моделей частичных разрядов (PRPD) и звуковых отпечатков вибрации, что снижает затраты на ручной анализ и повышает скорость распознавания слабых признаков неисправности.

Заключение

Активная защита и безопасная эксплуатация силовых трансформаторов — это, по сути, систематические проекты, которые продвигают линию защиты вперед. Это требует от нас перехода от концепции единой релейной защиты к комплексной технологической системе «панорамное зондирование-интеллектуальная диагностика-активная блокировка-управление самовосстановлением». Интегрируя передовые сенсорные технологии, мультифизическое моделирование, искусственный интеллект и новые принципы защиты для достижения прозрачного управления внутренним состоянием трансформатора и точного контроля развития неисправностей, мы можем существенно ограничить возникновение аварий со злокачественным горением и построить прочный барьер для безопасной и стабильной работы новых энергосистем.