Konstruktion av aktivt skyddssystem för krafttransformatorer: från passivt svar till aktiv blockering

Som kärnnavutrustningen i kraftsystemet är den säkra och stabila driften av krafttransformatorer direkt relaterad till elnätets tillförlitlighet och energiförsörjningssäkerheten. Den komplexa driftsmiljön och många interna och externa faktorer utgör dock allvarliga utmaningar för säker drift av transformatorer. Förvandlingen från "utlösning efter händelse" till "tidig varning före händelse och blockering i mitten av händelser" och att bygga ett aktivt skyddssystem baserat på panoramaavkänning och intelligent beslutsfattande har blivit en oundviklig trend i utvecklingen av nuvarande teknik för säker drift av transformatorer. Som en framväxande skyddsmetod kan aktiv skyddsteknik upptäcka potentiella risker i tid innan ett fel uppstår, vilket ger en stark garanti för säker drift av transformatorn.

I. Vikten av krafttransformatorer

Som kärnutrustning för spänningsomvandling och kraftöverföring och distribution i elnätet är krafttransformatorer direkt relaterade till elnätets tillförlitlighet och säkerhet. I moderna kraftsystem är transformatorer inte bara ansvariga för att omvandla högspänningselektrisk energi som genereras av kraftverk till ultrahögspänningselektrisk energi lämplig för långdistansöverföring, utan är också ansvariga för steg-för-steg nedtrappning av högspänningselektrisk energi till lågspänningselektrisk energi som kan användas av användarna, vilket säkerställer ett effektivt utnyttjande och rimlig fördelning av elektriska kraftresurser. Dessutom, eftersom efterfrågan på elektricitet inom metallsmältning, industriproduktion och andra områden fortsätter att växa, har krafttransformatorernas roll för att säkerställa strömförsörjningen till nyckelindustrier blivit allt mer framträdande. När en transformator väl går sönder kommer den inte bara att orsaka strömavbrott i lokala områden, utan kan också utlösa en kedjereaktion, vilket utgör ett hot mot en säker och stabil drift av hela kraftsystemet. Att säkerställa en säker och stabil drift av krafttransformatorer är därför av stor betydelse för att förbättra elnätets tillförlitlighet.

II. Begränsningar av traditionella skyddsmodeller och nödvändigheten av aktivt skydd

Traditionellt transformatorskydd (såsom differentialskydd, gasskydd, överströmsskydd) är huvudsakligen baserat på tröskelverkan av en elektrisk storhet eller en enda icke-elektrisk storhet, och tillhör läget "passivt svar". Praxis har dock visat att även om differentialskyddet kan driva uttaget extremt snabbt inom 10 till 20 millisekunder, begränsas det av hela bryttiden för själva brytaren, som är tiotals millisekunder. Innan ljusbågsfelet är helt borttaget har felenergin ofta ackumulerats så mycket att bränsletanken spricker och oljan exploderar. Dessutom, för utvecklingsprocessen från mindre isoleringsdefekter (såsom partiell urladdning) till penetrerande ljusbågsfel, saknar traditionellt skydd förmågan att ingripa i mellanstadiet, och påverkas lätt av transienta processer som excitationsstartström, och det finns risk för otillräcklig känslighet eller felfunktion.

Aktivt skydd skiljer sig från traditionellt skydd efter fel. Dess kärna ligger i "prevention first, early intervention". Den realiserar tidig identifiering och varning för potentiella fel genom realtidsövervakning av transformatorns elektriska storheter (spänning, ström, effekt), icke-elektriska storheter (oljetemperatur, oljenivå, vibrationer, gasinnehåll) och miljöparametrar, kombinerat med stordataanalys och artificiell intelligens algoritmer. Till exempel genom onlineövervakning av lösta gaser (DGA) i transformatorolja kan dolda faror som isoleringsåldring och partiell urladdning upptäckas i förväg, så att underhållsåtgärder kan vidtas innan fel uppstår.

III. Huvudrisker och felutveckling av transformatorsäker drift

Transformatorns interna fel utvecklas vanligtvis från latent till explosivt. Vanliga risker inkluderar:

• Isolationsfel: orsakas av åldrande av isoleringen, fukt, överspänning etc., som initialt visar sig som partiell urladdning (PD), och sedan utvecklas till kortslutning från sväng till sväng, kortslutning fas till fas och till och med jordhaveri.
• Överhettningsfel: orsakas av överbelastning, dålig kontakt, kylsystemfel eller flerpunktsjordning av järnkärnan, vilket påskyndar åldrandet av den isolerande oljan och den fasta isoleringen, och kan så småningom leda till isolationsbrott.
• Mekaniskt fel: lindningsdeformation, lösa fästelement etc., vanligtvis åtföljd av onormala vibrationer och kan ytterligare skada isoleringsstrukturen.

I felutvecklingskedjan är "partiell urladdning → allvarlig urladdningsdefekt → högenergibågebrott" en av de farligaste vägarna. Nyckeln till aktivt skydd är att fånga de fysiska egenskaperna hos "svår urladdningsdefekt"-steget och stänga av kretsen inom ett millisekunds tidsfönster för att förhindra katastrofala konsekvenser.

IV. Nyckelteknologier för aktivt skydd

Onlineövervakning och sensorteknik: Installera högpresterande sensorer för att samla in transformatordriftstatusdata i realtid, inklusive lindningstemperatur, oljekromatografi, partiell urladdning, vibrationer och brus, etc., vilket bildar ett flerdimensionellt övervakningsnätverk.

Intelligent diagnos och tidig varningssystem: Använd algoritmer som maskininlärning och djupinlärning för att analysera och modellera övervakningsdata, identifiera onormala mönster och uppnå tidig diagnos och riskklassificeringsvarning för fel.

Adaptiv skyddskontroll: Justera dynamiskt skyddsinställningarna och logiken enligt transformatorns realtidsstatus för att undvika felfunktion eller vägran att fungera och förbättra skyddssystemets tillförlitlighet.

Att uppnå aktivt skydd bygger på en djup integration av högprecisionsstatusövervakning (perception) och nya skyddsprinciper (beslutsfattande). För närvarande bygger industrin gradvis upp ett "tre-nivå försvarslinje" eller "tre försvarslinjer" säkert operationssystem:

1. Nivå 1: Mindre defektdetektering och tidig varning (tillståndsövervakningsskikt)

Genom att använda flerdimensionella smarta sensorer uppnås 7x24-timmars panoramauppfattning. Kärnteknologier inkluderar:

* Analys av löst gas (DGA) i olja: Övervaka karakteristiska gaser som H₂, C₂H₂ och CO för att bestämma typen och graden av överhettning eller utsläppsfel.

* Övervakning av partiell urladdning (PD): använder ultrahög frekvens (UHF), ultraljud (AE) och högfrekvent pulsström (HFCT) teknologi för att upptäcka och lokalisera interna isolationsdefekter.

* Temperaturmätning av optisk fiber och vibrationsövervakning: mät direkt temperaturen på slingrande hot spots och övervaka den mekaniska statusen för kärnan och lindningarna.

Dessa data smälts samman från flera källor genom edge computing för att uppnå bedömning av utrustningshälsoindex (HI) och tidig varning.

2. Nivå 2: Aktivt skydd i det allvarliga urladdningsdefektstadiet (aktivt blockerande lager)

Detta är kärnlänken som skiljer aktivt skydd från traditionellt skydd. När urladdningssignalen (som UHF-amplitud, pulsströmsbranthet, ultraljudsenergi) övervakas för att nå den förinställda tröskeln för allvarliga defekter, och felet bedöms vara i ett snabbt utvecklingsstadium, kan skyddssystemet direkt utfärda ett utlösningskommando eller länka stabilitetskontrollsystemet för att överföra lasten utan att förlita sig på traditionella differentialkriterier. Till exempel, baserat på principen om fasföljdsskillnader i strömkarakteristika, kan åtgärdstiden för skyddet mellan svängfel förkortas till cirka 20 millisekunder; eller ljud, ljus och elektriska multifysiska egenskaper cirka 100 millisekunder innan felavbrott kan användas för att uppnå exakt borttagning av "felknoppningsstadiet".

3. Nivå 3: Förbättring av traditionellt ljusbågsfelsskydd (underliggande skyddsskikt)

För ljusbågsfel som har uppstått förbättras känsligheten och snabbheten hos traditionellt skydd genom nya principer. Till exempel kan kärnmättnadsidentifieringsteknik baserad på uppskattning av huvudflödeslänken effektivt identifiera magnetiseringsström och felström, vilket ger ett snabbt differentialskydd utan blockering av inkopplingsström; lätt inter-turn fel skydd baserat på magnetiska flödesläckage egenskaper löser problemet med otillräcklig känslighet av traditionellt differentialskydd för hög impedans inter-turn kortslutningar.

V. Omfattande åtgärder för säker drift

För att säkerställa säker drift av transformatorer måste en övergripande förvaltningsstrategi på flera nivåer antas:

• Rutininspektion och underhåll: Genomför regelbundet utseendeinspektion, oljeprovstestning, jordningstestning, etc. för att upprätthålla en god driftsmiljö för transformatorn.
• Hantering av isoleringens åldrande: övervaka isoleringsmaterialens status, utvärdera återstående livslängd och ordna rimligt underhålls- eller bytesplaner.
• Överbelastnings- och överhettningsskydd: Genom lasthantering och optimering av kylsystem, förhindra långvarig överbelastning av transformatorn eller överdriven temperaturökning.
• Nödberedskapsplan: Utveckla en snabbinsatsprocess för plötsliga fel för att förkorta strömavbrottstiden och minska förlusterna.

VI. Framtida utvecklingstrender

Med utvecklingen av artificiell intelligens och Internet of Things-teknologin utvecklas transformatoraktivt skydd mot "Digital Twin + adaptiv kontroll":

* Digital tvilling: Konstruera en virtuell verklig kartläggning av transformatorns multifysiksimuleringsmodell och realtidsdata, härled dynamiskt felutvecklingsvägen, förutsäg återstående livslängd (RUL) och tillhandahåll en kvantitativ grund för proaktiv intervention.

* Adaptivt skydd: Skyddsanordningen förlitar sig inte längre på fasta trösklar, utan justerar dynamiskt skyddsinställningsvärdet eller fördröjningen baserat på realtidsdriftbelastning, omgivningstemperatur, isoleringsstatus, etc., för att förhindra funktionsfel samtidigt som utrustningens bärförmåga maximeras.

* AI intelligent diagnos: Använder algoritmer för djupinlärning som CNN och LSTM för att automatiskt identifiera partiella urladdningsmönster (PRPD) och vibrationsljudavtryck, minska kostnaderna för manuell analys och förbättra identifieringsgraden av svaga feltecken.

Slutsats

Aktivt skydd och säker drift av krafttransformatorer är i huvudsak systematiska projekt som flyttar säkerhetslinjen framåt. Det kräver att vi expanderar från ett enda reläskyddstänkande till ett fullständigt teknologisystem med "panoramisk avkänning-intelligent diagnos-aktiv blockerande-självläkande kontroll". Genom att integrera avancerad avkänningsteknik, multifysisk simulering, artificiell intelligens och nya skyddsprinciper för att uppnå transparent hantering av transformatorns interna status och exakt kontroll av felutvecklingen, kan vi i grunden stävja förekomsten av maligna deflagrationsolyckor och bygga en solid barriär för säker och stabil drift av nya kraftsystem.