Constructie van een actief beveiligingssysteem voor vermogenstransformatoren: van passieve respons tot actieve blokkering

Als de kernhubuitrusting van het energiesysteem is de veilige en stabiele werking van stroomtransformatoren rechtstreeks gerelateerd aan de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet en de zekerheid van de energievoorziening. De complexe werkomgeving en veel interne en externe factoren vormen echter ernstige uitdagingen voor de veilige werking van transformatoren. De transformatie van ‘post-event tripping’ naar ‘pre-event early warning en mid-event blocking’ en het bouwen van een actief beveiligingssysteem gebaseerd op panoramische detectie en intelligente besluitvorming is een onvermijdelijke trend geworden in de ontwikkeling van veilige werkingstechnologie voor stroomtransformatoren. Als opkomende beveiligingsmethode kan actieve beveiligingstechnologie potentiële risico's tijdig detecteren voordat er een fout optreedt, wat een sterke garantie biedt voor de veilige werking van de transformator.

I. Het belang van stroomtransformatoren

Als de kernapparatuur voor spanningsomzetting en energietransmissie en -distributie in het elektriciteitsnet, houden vermogenstransformatoren rechtstreeks verband met de betrouwbaarheid en veiligheid van de stroomvoorziening van het elektriciteitsnet. In moderne energiesystemen zijn transformatoren niet alleen verantwoordelijk voor het omzetten van elektrische hoogspanningsenergie die door elektriciteitscentrales wordt opgewekt in ultrahoge elektrische energie die geschikt is voor transmissie over lange afstanden, maar zijn ze ook verantwoordelijk voor het stapsgewijs terugbrengen van elektrische hoogspanningsenergie naar elektrische laagspanningsenergie die bruikbaar is voor gebruikers, waardoor een efficiënt gebruik en een redelijke verdeling van elektrische energiebronnen wordt gewaarborgd. Naarmate de vraag naar elektriciteit bij het smelten van metalen, de industriële productie en andere terreinen blijft groeien, is de rol van energietransformatoren bij het waarborgen van de stroomvoorziening aan belangrijke industrieën bovendien steeds prominenter geworden. Als een transformator eenmaal uitvalt, veroorzaakt dit niet alleen stroomuitval in lokale gebieden, maar kan het ook een kettingreactie veroorzaken, wat een bedreiging vormt voor de veilige en stabiele werking van het gehele energiesysteem. Daarom is het garanderen van de veilige en stabiele werking van stroomtransformatoren van groot belang voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet.

II. Beperkingen van traditionele beschermingsmodellen en de noodzaak van actieve bescherming

Traditionele transformatorbeveiliging (zoals differentiële beveiliging, gasbeveiliging, overstroombeveiliging) is voornamelijk gebaseerd op de drempelwerking van een elektrische grootheid of een enkele niet-elektrische grootheid, en behoort tot de "passieve respons" -modus. De praktijk heeft echter uitgewezen dat zelfs als de differentiële beveiliging de uitlaat extreem snel kan bedienen binnen 10 tot 20 milliseconden, deze wordt beperkt door de volledige uitschakeltijd van de stroomonderbreker zelf, die tientallen milliseconden bedraagt. Voordat de boogfout volledig is verwijderd, heeft de foutenergie zich vaak voldoende verzameld om ervoor te zorgen dat de brandstoftank scheurt en de olie explodeert. Bovendien mist traditionele bescherming voor het evolutieproces van kleine isolatiedefecten (zoals gedeeltelijke ontlading) naar doordringende boogfouten de mogelijkheid om in de tussenfase in te grijpen, en wordt deze gemakkelijk beïnvloed door voorbijgaande processen zoals excitatie-inschakelstroom, en bestaat er een risico op onvoldoende gevoeligheid of storing.

Actieve bescherming verschilt van traditionele actiebescherming na een fout. De kern ervan ligt in "eerst preventie, vroegtijdige interventie". Het realiseert vroegtijdige identificatie en waarschuwing van potentiële fouten door realtime monitoring van de elektrische grootheden van de transformator (spanning, stroom, vermogen), niet-elektrische grootheden (olietemperatuur, oliepeil, trillingen, gasgehalte) en omgevingsparameters, gecombineerd met big data-analyse en kunstmatige intelligentie-algoritmen. Door bijvoorbeeld online monitoring van opgeloste gassen (DGA) in transformatorolie kunnen verborgen gevaren zoals isolatieveroudering en gedeeltelijke ontlading vooraf worden ontdekt, zodat onderhoudsmaatregelen kunnen worden genomen voordat er storingen optreden.

III. Belangrijkste risico's en foutevolutie van de veilige werking van transformatoren

Interne fouten in transformatoren evolueren meestal van latent naar explosief. Veel voorkomende risico's zijn onder meer:

• Isolatiefout: veroorzaakt door veroudering van de isolatie, vocht, overspanning enz., wat zich aanvankelijk manifesteert als gedeeltelijke ontlading (PD) en zich vervolgens ontwikkelt tot kortsluiting, fase-naar-fase-kortsluiting en zelfs aarddoorslag.
• Oververhittingsfout: veroorzaakt door overbelasting, slecht contact, falen van het koelsysteem of meerpuntsaarding van de ijzeren kern, wat de veroudering van de isolerende olie- en vaste isolatie versnelt en uiteindelijk kan leiden tot kapotte isolatie.
• Mechanisch falen: vervorming van de wikkeling, losse bevestigingen, enz., meestal gepaard gaande met abnormale trillingen en die de isolatiestructuur verder kunnen beschadigen.

In de foutevolutieketen is "gedeeltelijke ontlading → ernstig ontladingsdefect → hoogenergetische boogdoorslag" een van de gevaarlijkste paden. De sleutel tot actieve bescherming is het vastleggen van de fysieke kenmerken van de fase van "ernstig ontladingsdefect" en het uitschakelen van het circuit binnen een tijdsbestek van milliseconden om catastrofale gevolgen te voorkomen.

IV. Sleuteltechnologieën voor actieve bescherming

Online monitoring en sensortechnologie: Installeer hoogwaardige sensoren om in realtime gegevens over de bedrijfsstatus van transformatoren te verzamelen, inclusief wikkelingstemperatuur, oliechromatografie, gedeeltelijke ontlading, trillingen en geluid, enz., waardoor een multidimensionaal monitoringnetwerk ontstaat.

Intelligent diagnose- en systeem voor vroegtijdige waarschuwing: gebruik algoritmen zoals machine learning en deep learning om monitoringgegevens te analyseren en te modelleren, abnormale patronen te identificeren en vroegtijdige diagnoses te stellen en waarschuwingen voor risicoclassificatie bij fouten te geven.

Adaptieve beveiligingscontrole: Pas de beveiligingsinstellingen en logica dynamisch aan op basis van de realtime status van de transformator om verkeerde bediening of weigering om te werken te voorkomen en de betrouwbaarheid van het beveiligingssysteem te verbeteren.

Het bereiken van actieve bescherming is afhankelijk van de diepe integratie van zeer nauwkeurige statusmonitoring (perceptie) en nieuwe beschermingsprincipes (besluitvorming). Momenteel bouwt de industrie geleidelijk aan een veilig operatiesysteem met "drie niveaus" of "drie verdedigingslinies":

1. Niveau 1: detectie van kleine defecten en vroegtijdige waarschuwing (laag voor condition monitoring)

Door multidimensionale slimme sensoren in te zetten, wordt een panoramische perceptie van 7x24 uur bereikt. Kerntechnologieën omvatten:

* Analyse van opgeloste gassen (DGA) in olie: controleer karakteristieke gassen zoals H₂, C₂H₂ en CO om het type en de snelheid van oververhitting of ontladingsfouten te bepalen.

* Monitoring van gedeeltelijke ontlading (PD): gebruik van ultrahoge frequentie (UHF), ultrasone (AE) en hoogfrequente pulsstroom (HFCT) technologie om interne isolatiedefecten te detecteren en lokaliseren.

* Temperatuurmeting van optische vezels en trillingsmonitoring: meet direct de temperatuur van de wikkelingshotspots en bewaak de mechanische status van de kern en wikkelingen.

Deze gegevens worden via edge computing uit meerdere bronnen samengevoegd om een ​​beoordeling van de apparatuurgezondheidsindex (HI) en vroegtijdige waarschuwing mogelijk te maken.

2. Niveau 2: Actieve bescherming in de fase van ernstig ontladingsdefect (actieve blokkeerlaag)

Dit is de kernverbinding die actieve bescherming onderscheidt van traditionele bescherming. Wanneer het ontladingssignaal (zoals UHF-amplitude, pulsstroomsteilheid, ultrasone energie) wordt gecontroleerd om de vooraf ingestelde drempelwaarde voor ernstige defecten te bereiken, en alomvattend wordt beoordeeld dat de fout zich in een snelle ontwikkelingsfase bevindt, kan het beveiligingssysteem direct een uitschakelcommando geven of het stabiliteitscontrolesysteem koppelen om de belasting over te dragen zonder te vertrouwen op traditionele differentiële criteria. Op basis van het principe van differentiële stroomkarakteristieken in fasevolgorde kan de actietijd voor foutbeveiliging tussen de windingen bijvoorbeeld worden verkort tot ongeveer 20 milliseconden; of de geluids-, licht- en elektrische multi-fysieke kenmerken ongeveer 100 milliseconden voordat de fout kapot gaat, kunnen worden gebruikt om een ​​nauwkeurige verwijdering van de "fout-ontluikende fase" te bereiken.

3. Niveau 3: Verbetering van de traditionele vlamboogbeveiligingsprestaties (onderliggende beschermlaag)

Voor vlamboogfouten die zich hebben voorgedaan, worden de gevoeligheid en snelheid van traditionele bescherming verbeterd door middel van nieuwe principes. Kernverzadigingsidentificatietechnologie op basis van schatting van de hoofdfluxkoppeling kan bijvoorbeeld effectief de inschakelstroom en foutstroom van de excitatie identificeren, waardoor een snelle differentiële bescherming wordt gerealiseerd zonder blokkering van de inschakelstroom; Een lichte foutbeveiliging tussen de windingen op basis van magnetische fluxlekkarakteristieken lost het probleem op van onvoldoende gevoeligheid van traditionele differentiële bescherming voor kortsluitingen tussen de windingen met hoge impedantie.

V. Uitgebreide maatregelen voor veilig gebruik

Om de veilige werking van transformatoren te garanderen, moet een alomvattende beheerstrategie op meerdere niveaus worden gevolgd:

• Routinematige inspectie en onderhoud: Voer regelmatig uiterlijkinspecties, oliemonstertests, aardingstests, enz. uit om een ​​goede werkomgeving voor de transformator te behouden.
• Beheer van isolatieveroudering: bewaak de status van isolatiematerialen, evalueer de resterende levensduur en regel redelijkerwijs onderhouds- of vervangingsplannen.
• Bescherming tegen overbelasting en oververhitting: Door belastingbeheer en optimalisatie van het koelsysteem kunt u langdurige overbelasting van de transformator of overmatige temperatuurstijging voorkomen.
• Noodplan: Ontwikkel een snel reactieproces bij plotselinge storingen om de stroomuitvaltijd te verkorten en verliezen te verminderen.

VI. Toekomstige ontwikkelingstrends

Met de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie en Internet of Things-technologie evolueert de actieve bescherming van transformatoren naar "Digital Twin + adaptieve controle":

* Digital twin: Construeer een virtueel-reële mapping van het multi-fysische simulatiemodel van de transformator en real-time gegevens, leid op dynamische wijze het pad van de foutevolutie af, voorspel de resterende levensduur (RUL) en zorg voor een kwantitatieve basis voor proactieve interventie.

* Adaptieve bescherming: het beveiligingsapparaat is niet langer afhankelijk van vaste drempels, maar past dynamisch de beveiligingsinstellingswaarde of vertraging aan op basis van de real-time operationele belasting, omgevingstemperatuur, isolatiestatus, enz., om storingen te voorkomen en tegelijkertijd de draagcapaciteit van de apparatuur te maximaliseren.

* Intelligente AI-diagnose: gebruik van deep learning-algoritmen zoals CNN en LSTM om automatisch gedeeltelijke ontladingspatronen (PRPD) en trillingsgeluidsafdrukken te identificeren, waardoor de kosten voor handmatige analyse worden verlaagd en de herkenningssnelheid van zwakke foutsignalen wordt verbeterd.

Conclusie

Actieve bescherming en veilige werking van stroomtransformatoren zijn in wezen systematische projecten die de veiligheidslinie vooruit helpen. Het vereist dat we uitbreiden van een enkelvoudig relaisbeschermingsdenken naar een volledig ketentechnologiesysteem van "panoramische detectie-intelligente diagnose-actieve blokkering-zelfherstellende controle". Door geavanceerde detectietechnologie, multi-fysische simulatie, kunstmatige intelligentie en nieuwe beschermingsprincipes te integreren om een ​​transparant beheer van de interne status van de transformator en nauwkeurige controle van de foutevolutie te bereiken, kunnen we het optreden van kwaadaardige deflagratie-ongevallen fundamenteel beteugelen en een solide barrière bouwen voor de veilige en stabiele werking van nieuwe energiesystemen.