Konstruksjon av aktivt beskyttelsessystem for krafttransformatorer: fra passiv respons til aktiv blokkering

Som kjernenavutstyret til kraftsystemet er sikker og stabil drift av krafttransformatorer direkte relatert til påliteligheten til strømnettet og sikkerheten til energiforsyningen. Det komplekse driftsmiljøet og mange interne og eksterne faktorer utgjør imidlertid store utfordringer for sikker drift av transformatorer. Transformasjonen fra "tripping etter hendelse" til "tidlig varsling før hendelse og blokkering av mid-hendelse" og bygging av et aktivt beskyttelsessystem basert på panoramaføling og intelligent beslutningstaking har blitt en uunngåelig trend i utviklingen av dagens teknologi for sikker drift av transformatorer. Som en ny beskyttelsesmetode kan aktiv beskyttelsesteknologi oppdage potensielle risikoer i tide før en feil oppstår, og gir en sterk garanti for sikker drift av transformatoren.

I. Viktigheten av krafttransformatorer

Som kjerneutstyr for spenningskonvertering og kraftoverføring og -distribusjon i strømnettet, er krafttransformatorer direkte relatert til strømforsyningssikkerheten og sikkerheten til strømnettet. I moderne kraftsystemer er transformatorer ikke bare ansvarlige for å konvertere høyspent elektrisk energi generert av kraftverk til ultra-høyspent elektrisk energi egnet for langdistanseoverføring, men er også ansvarlig for trinnvis nedtrapping av høyspent elektrisk energi til lavspent elektrisk energi som kan brukes av brukerne, og dermed sikre effektiv utnyttelse og rimelig fordeling av elektriske kraftressurser. I tillegg, ettersom etterspørselen etter elektrisitet innen metallsmelting, industriproduksjon og andre felt fortsetter å vokse, har krafttransformatorers rolle i å sikre strømforsyning til nøkkelnæringer blitt stadig mer fremtredende. Når en transformator svikter, vil den ikke bare forårsake strømbrudd i lokale områder, men kan også utløse en kjedereaksjon, som utgjør en trussel mot sikker og stabil drift av hele kraftsystemet. Derfor er det av stor betydning å sikre sikker og stabil drift av krafttransformatorer for å forbedre påliteligheten til strømnettet.

II. Begrensninger for tradisjonelle beskyttelsesmodeller og nødvendigheten av aktiv beskyttelse

Tradisjonell transformatorbeskyttelse (som differensialbeskyttelse, gassbeskyttelse, overstrømsbeskyttelse) er hovedsakelig basert på terskelvirkningen til en elektrisk mengde eller en enkelt ikke-elektrisk mengde, og tilhører modusen "passiv respons". Praksis har imidlertid vist at selv om differensialbeskyttelsen kan betjene uttaket ekstremt raskt innen 10 til 20 millisekunder, er det begrenset av hele brytetiden til selve effektbryteren, som er titalls millisekunder. Før lysbuefeilen er fullstendig fjernet, har feilenergien ofte samlet seg nok til at drivstofftanken sprekker og oljen eksploderer. I tillegg, for utviklingsprosessen fra mindre isolasjonsfeil (som delvis utladning) til penetrerende lysbuefeil, mangler tradisjonell beskyttelse evnen til å gripe inn i mellomstadiet, og påvirkes lett av forbigående prosesser som eksitasjonsstartstrøm, og det er fare for utilstrekkelig følsomhet eller funksjonsfeil.

Aktiv beskyttelse er forskjellig fra tradisjonell beskyttelse etter feil. Dens kjerne ligger i "forebygging først, tidlig intervensjon". Den realiserer tidlig identifisering og varsling av potensielle feil ved sanntidsovervåking av transformatorens elektriske mengder (spenning, strøm, effekt), ikke-elektriske mengder (oljetemperatur, oljenivå, vibrasjon, gassinnhold) og miljøparametere, kombinert med stordataanalyse og kunstig intelligens-algoritmer. Gjennom nettbasert overvåking av oppløste gasser (DGA) i transformatorolje kan for eksempel skjulte farer som isolasjonsaldring og delvis utslipp oppdages på forhånd, slik at vedlikeholdstiltak kan iverksettes før feil oppstår.

III. Hovedrisikoer og feilutvikling av transformatorsikker drift

Interne feil i transformatoren utvikler seg vanligvis fra latent til eksplosiv. Vanlige risikoer inkluderer:

• Isolasjonsfeil: forårsaket av isolasjonsaldring, fuktighet, overspenning, etc., som i utgangspunktet manifesterer seg som delvis utladning (PD), og deretter utvikler seg til tur-til-sving kortslutning, fase-til-fase kortslutning og til og med jordbrudd.
• Overopphetingsfeil: forårsaket av overbelastning, dårlig kontakt, kjølesystemfeil eller flerpunktsjording av jernkjernen, noe som akselererer aldring av isolasjonsoljen og solid isolasjon, og kan til slutt føre til isolasjonsbrudd.
• Mekanisk svikt: viklingsdeformasjon, løse festemidler, etc., vanligvis ledsaget av unormale vibrasjoner og kan ytterligere skade isolasjonsstrukturen.

I feilutviklingskjeden er "delvis utladning → alvorlig utladningsdefekt → høyenergibuesammenbrudd" en av de farligste veiene. Nøkkelen til aktiv beskyttelse er å fange opp de fysiske egenskapene til "alvorlig utladningsdefekt"-stadiet og kutte av kretsen innen et millisekunds tidsvindu for å forhindre katastrofale konsekvenser.

IV. Nøkkelteknologier for aktiv beskyttelse

Online overvåking og sensorteknologi: Installer høyytelsessensorer for å samle transformatordriftsstatusdata i sanntid, inkludert viklingstemperatur, oljekromatografi, delvis utladning, vibrasjon og støy, etc., og danner et flerdimensjonalt overvåkingsnettverk.

Intelligent diagnose og tidlig varslingssystem: Bruk algoritmer som maskinlæring og dyp læring for å analysere og modellere overvåkingsdata, identifisere unormale mønstre og oppnå tidlig diagnose og risikoklassifiseringsvarsel om feil.

Adaptiv beskyttelseskontroll: Juster beskyttelsesinnstillingene og logikken dynamisk i henhold til sanntidsstatusen til transformatoren for å unngå feiloperasjon eller avslag på drift og forbedre påliteligheten til beskyttelsessystemet.

Å oppnå aktiv beskyttelse er avhengig av dyp integrasjon av høypresisjonsstatusovervåking (persepsjon) og nye beskyttelsesprinsipper (beslutningstaking). For tiden bygger industrien gradvis et "tre-nivå forsvarslinje" eller "tre forsvarslinjer" trygt operasjonssystem:

1. Nivå 1: Oppdagelse av mindre defekter og tidlig varsling (tilstandsovervåkingslag)

Ved å distribuere flerdimensjonale smarte sensorer oppnås 7x24-timers panoramaoppfatning. Kjerneteknologier inkluderer:

* Analyse av oppløst gass (DGA) i olje: Overvåk karakteristiske gasser som H₂, C₂H₂ og CO for å bestemme typen og hastigheten på overoppheting eller utslippsfeil.

* Overvåking av delvis utladning (PD): ved hjelp av ultrahøyfrekvent (UHF), ultralyd (AE) og høyfrekvent pulsstrøm (HFCT) teknologi for å oppdage og lokalisere interne isolasjonsfeil.

* Temperaturmåling av optisk fiber og vibrasjonsovervåking: mål direkte temperaturen på viklingshot spots og overvåk den mekaniske statusen til kjernen og viklingene.

Disse dataene er smeltet sammen fra flere kilder gjennom edge computing for å oppnå vurdering av utstyrshelseindeks (HI) og tidlig varsling.

2. Nivå 2: Aktiv beskyttelse i det alvorlige utslippsdefektstadiet (aktivt blokkeringslag)

Dette er kjerneleddet som skiller aktiv beskyttelse fra tradisjonell beskyttelse. Når utladningssignalet (som UHF-amplitude, pulsstrømsstetthet, ultralydenergi) overvåkes for å nå den forhåndsinnstilte terskelen for alvorlige defekter, og feilen vurderes omfattende å være i et raskt utviklingsstadium, kan beskyttelsessystemet direkte gi en turkommando eller koble stabilitetskontrollsystemet for å overføre lasten uten å stole på tradisjonelle differensialkriterier. For eksempel, basert på prinsippet om fasesekvensdifferensielle strømkarakteristiske forskjeller, kan handlingstiden for inter-turn feilbeskyttelse forkortes til omtrent 20 millisekunder; eller lyd, lys og elektriske multifysiske karakteristika ca. 100 millisekunder før feilbrudd kan brukes for å oppnå nøyaktig fjerning av "feilspirende stadium".

3. Nivå 3: Forbedring av tradisjonell lysbuefeilbeskyttelsesytelse (underliggende beskyttende lag)

For lysbuefeil som har oppstått, forbedres følsomheten og hurtigheten til tradisjonell beskyttelse gjennom nye prinsipper. For eksempel kan kjernemetningsidentifikasjonsteknologi basert på hovedflukskoblingsestimat effektivt identifisere eksitasjonsstartstrøm og feilstrøm, og realisere rask differensialbeskyttelse uten startstrømblokkering; Lett inter-sving-feilbeskyttelse basert på magnetiske flukslekkasjeegenskaper løser problemet med utilstrekkelig følsomhet for tradisjonell differensialbeskyttelse for høyimpedans inter-sving-kortslutninger.

V. Omfattende tiltak for sikker drift

For å sikre sikker drift av transformatorer, må en multi-level og omfattende styringsstrategi vedtas:

• Rutinemessig inspeksjon og vedlikehold: Utfør regelmessig utseendeinspeksjon, oljeprøvetesting, jordingstesting osv. for å opprettholde et godt driftsmiljø for transformatoren.
• Isolasjonsaldringsstyring: overvåk statusen til isolasjonsmaterialer, evaluer gjenværende levetid og ordne vedlikeholds- eller utskiftingsplaner på en rimelig måte.
• Overbelastnings- og overopphetingsbeskyttelse: Gjennom laststyring og kjølesystemoptimalisering, forhindre langsiktig overbelastning av transformatoren eller overdreven temperaturøkning.
• Beredskapsplan: Utvikle en rask responsprosess for plutselige feil for å forkorte strømbruddstiden og redusere tap.

VI. Fremtidige utviklingstrender

Med utviklingen av kunstig intelligens og Internet of Things-teknologi, utvikler transformatoraktiv beskyttelse seg mot "Digital Twin + adaptiv kontroll":

* Digital tvilling: Konstruer en virtuell-reell kartlegging av transformatorens multifysikksimuleringsmodell og sanntidsdata, utleder dynamisk feilutviklingsbanen, forutsi gjenværende levetid (RUL), og legg et kvantitativt grunnlag for proaktiv intervensjon.

* Adaptiv beskyttelse: Beskyttelsesenheten er ikke lenger avhengig av faste terskler, men justerer beskyttelsesinnstillingsverdien eller forsinkelsen dynamisk basert på sanntids driftslasthastighet, omgivelsestemperatur, isolasjonsstatus osv., for å forhindre funksjonsfeil samtidig som utstyrets bæreevne maksimeres.

* AI intelligent diagnose: Bruk av dyplæringsalgoritmer som CNN og LSTM for automatisk å identifisere partielle utladningsmønstre (PRPD) og vibrasjonslydavtrykk, redusere manuelle analysekostnader og forbedre gjenkjenningsfrekvensen for svake feiltegn.

Konklusjon

Aktiv beskyttelse og sikker drift av krafttransformatorer er i hovedsak systematiske prosjekter som flytter forsvarslinjen fremover. Det krever at vi utvider fra en enkelt relébeskyttelsestenkning til et fullkjedeteknologisystem med "panoramisk sensing-intelligent diagnose-aktiv blokkerende-selvhelbredende kontroll". Ved å integrere avansert sensorteknologi, multifysikksimulering, kunstig intelligens og nye beskyttelsesprinsipper for å oppnå transparent styring av transformatorens interne status og presis kontroll av feilutviklingen, kan vi fundamentalt dempe forekomsten av ondartede deflagrasjonsulykker og bygge en solid barriere for sikker og stabil drift av nye kraftsystemer.