Побудова системи активного захисту силових трансформаторів: від пасивного спрацьовування до активного блокування

Безпечна та стабільна робота силових трансформаторів як основного вузлового обладнання енергосистеми безпосередньо пов’язана з надійністю електромережі та безпекою енергопостачання. Однак складне робоче середовище та багато внутрішніх і зовнішніх факторів створюють серйозні проблеми для безпечної експлуатації трансформаторів. Перехід від «відключення після події» до «раннього попередження перед подією та блокування в середині події» та створення системи активного захисту на основі панорамного зондування та інтелектуального прийняття рішень стало неминучою тенденцією в розвитку технології безпечної експлуатації трансформаторів струму. Будучи новим методом захисту, технологія активного захисту може вчасно виявити потенційні ризики до виникнення несправності, забезпечуючи надійну гарантію безпечної роботи трансформатора.

І. Значення силових трансформаторів

Як основне обладнання для перетворення напруги, передачі та розподілу електроенергії в електромережі, силові трансформатори безпосередньо пов’язані з надійністю електропостачання та безпекою електромережі. У сучасних енергетичних системах трансформатори відповідають не тільки за перетворення високовольтної електричної енергії, виробленої електростанціями, в електричну енергію надвисокої напруги, придатну для передачі на великі відстані, але також відповідають за поступове зниження електричної енергії високої напруги до електричної енергії низької напруги, яка використовується користувачами, забезпечуючи таким чином ефективне використання та розумний розподіл електроенергії. Крім того, оскільки попит на електроенергію у виплавці металу, промисловому виробництві та інших галузях продовжує зростати, роль силових трансформаторів у забезпеченні електропостачання ключових галузей промисловості стає дедалі помітнішою. Якщо трансформатор виходить з ладу, це не тільки спричинить відключення електроенергії в місцевості, але й може викликати ланцюгову реакцію, створюючи загрозу для безпечної та стабільної роботи всієї енергосистеми. Тому забезпечення безпечної та стабільної роботи силових трансформаторів має велике значення для підвищення надійності електромережі.

II. Обмеження традиційних моделей захисту та необхідність активного захисту

Традиційний захист трансформатора (такий як диференціальний захист, газовий захист, захист від перевантаження по струму) в основному базується на пороговій дії електричної величини або окремої неелектричної величини та відноситься до режиму "пасивного відгуку". Однак практика показала, що навіть якщо диференціальний захист може спрацювати розетку надзвичайно швидко протягом 10-20 мілісекунд, він обмежений повним часом відключення самого вимикача, який становить десятки мілісекунд. До повного усунення дугового замикання часто накопичується достатньо енергії, що призводить до розриву паливного бака та вибуху масла. Крім того, для процесу розвитку від незначних дефектів ізоляції (таких як частковий розряд) до наскрізних дугових замикань традиційний захист не має можливості втручатися на проміжній стадії, і на нього легко впливають перехідні процеси, такі як пусковий струм збудження, і існує ризик недостатньої чутливості або несправності.

Активний захист відрізняється від традиційного післяаварійного захисту. Її суть полягає в «спочатку профілактика, раннє втручання». Він реалізує ранню ідентифікацію та попередження про потенційні несправності шляхом моніторингу в реальному часі електричних величин трансформатора (напруга, струм, потужність), неелектричних величин (температура масла, рівень масла, вібрація, вміст газу) і параметрів навколишнього середовища в поєднанні з аналізом великих даних і алгоритмами штучного інтелекту. Наприклад, за допомогою онлайн-моніторингу розчинених газів (DGA) у трансформаторному маслі можна заздалегідь виявити приховані небезпеки, такі як старіння ізоляції та частковий розряд, щоб можна було вжити заходів щодо технічного обслуговування до того, як виникнуть несправності.

III. Основні ризики та розвиток несправностей безпечної експлуатації трансформатора

Внутрішні несправності трансформатора зазвичай розвиваються від прихованих до вибухових. Загальні ризики включають:

• Помилка ізоляції: спричинена старінням ізоляції, вологою, перенапругою тощо, яка спочатку проявляється як частковий розряд (PD), а потім розвивається у міжвиткове коротке замикання, міжфазне коротке замикання та навіть пробій на землю.
• Несправність через перегрів: спричинена перевантаженням, поганим контактом, несправністю системи охолодження або багатоточковим заземленням залізного сердечника, що прискорює старіння ізоляційного масла та твердої ізоляції та може призвести до руйнування ізоляції.
• Механічна несправність: деформація обмотки, ослаблені кріплення тощо, зазвичай супроводжується ненормальною вібрацією та може ще більше пошкодити структуру ізоляції.

У ланцюжку розвитку несправності «частковий розряд → сильний дефект розряду → пробій високоенергетичної дуги» є одним із найнебезпечніших шляхів. Ключем до активного захисту є фіксація фізичних характеристик стадії «серйозного дефекту розряду» та відключення ланцюга протягом мілісекундного часового вікна, щоб запобігти катастрофічним наслідкам.

IV. Ключові технології активного захисту

Технологія онлайн-моніторингу та датчиків: установіть високоефективні датчики для збору даних про робочий стан трансформатора в реальному часі, включаючи температуру обмотки, масляну хроматографію, частковий розряд, вібрацію та шум тощо, утворюючи багатовимірну мережу моніторингу.

Інтелектуальна система діагностики та раннього попередження. Використовуйте такі алгоритми, як машинне та глибоке навчання, щоб аналізувати та моделювати дані моніторингу, виявляти аномальні закономірності та досягати ранньої діагностики та попередження про несправності за класифікацією ризиків.

Адаптивне керування захистом: динамічно регулюйте параметри захисту та логіку відповідно до стану трансформатора в реальному часі, щоб уникнути неправильної роботи або відмови від роботи та підвищити надійність системи захисту.

Досягнення активного захисту залежить від глибокої інтеграції високоточного моніторингу стану (сприйняття) і нових принципів захисту (прийняття рішень). Зараз галузь поступово будує систему безпечного функціонування «трирівневої лінії захисту» або «трьох ліній захисту»:

1. Рівень 1: виявлення незначних дефектів і раннє попередження (рівень моніторингу стану)

Завдяки застосуванню багатовимірних розумних датчиків досягається панорамне сприйняття 7x24 години. Основні технології включають:

* Аналіз розчинених газів (DGA) в маслі: відстежуйте характерні гази, такі як H₂, C₂H₂ і CO, щоб визначити тип і швидкість перегріву або збою в розрядці.

* Моніторинг часткового розряду (PD): використання технології ультрависокої частоти (UHF), ультразвуку (AE) і високочастотного імпульсного струму (HFCT) для виявлення та локалізації внутрішніх дефектів ізоляції.

* Вимірювання температури оптичного волокна та моніторинг вібрації: безпосередньо вимірюйте температуру гарячих точок намотування та контролюйте механічний стан сердечника та обмоток.

Ці дані об’єднуються з багатьох джерел через периферійні обчислення для оцінки індексу справності обладнання (HI) і раннього попередження.

2. Рівень 2: активний захист на стадії серйозного дефекту розряду (активний блокуючий шар)

Це основна ланка, яка відрізняє активний захист від традиційного захисту. Коли сигнал розряду (наприклад, амплітуда УВЧ, крутизна імпульсного струму, ультразвукова енергія) контролюється, щоб досягти попередньо встановленого порогу серйозного дефекту, і всебічно оцінюється як несправність на стадії швидкого розвитку, система захисту може безпосередньо видати команду на відключення або зв’язати систему контролю стабільності для перенесення навантаження, не покладаючись на традиційні диференціальні критерії. Наприклад, на основі принципу різниці характеристик диференціального струму послідовності фаз час спрацьовування захисту від замикання між витками можна скоротити приблизно до 20 мілісекунд; або звукові, світлові та електричні багатофізичні характеристики приблизно за 100 мілісекунд до поломки розлому можна використовувати для досягнення точного видалення «стадії зачатка розлому».

3. Рівень 3: покращення традиційного захисту від дугового замикання (основний захисний шар)

Для дугових замикань, які виникли, чутливість і швидкість традиційного захисту покращено за допомогою нових принципів. Наприклад, технологія ідентифікації насичення сердечника, заснована на оцінці основного потоку, може ефективно ідентифікувати пусковий струм збудження та струм замикання, реалізуючи швидкий диференціальний захист без блокування пускового струму; захист від незначного міжвиткового замикання на основі характеристик витоку магнітного потоку вирішує проблему недостатньої чутливості традиційного диференціального захисту для високоімпедансних міжвиткових коротких замикань.

V. Комплексні заходи щодо безпечної експлуатації

Щоб забезпечити безпечну експлуатацію трансформаторів, необхідно прийняти багаторівневу та комплексну стратегію управління:

• Звичайний огляд і технічне обслуговування: Регулярно проводите перевірку зовнішнього вигляду, перевірку зразків масла, перевірку заземлення тощо, щоб підтримувати хороші робочі умови трансформатора.
• Управління старінням ізоляції: відстежуйте стан ізоляційних матеріалів, оцінюйте термін служби, що залишився, і обґрунтовано плануйте технічне обслуговування або заміну.
• Захист від перевантаження та перегріву: завдяки управлінню навантаженням і оптимізації системи охолодження запобігайте довготривалому перевантаженню трансформатора або надмірному підвищенню температури.
• План реагування на надзвичайні ситуації: розробіть процес швидкого реагування на раптові збої, щоб скоротити час відключення електроенергії та зменшити втрати.

VI. Майбутні тенденції розвитку

З розвитком штучного інтелекту та технології Інтернету речей активний захист трансформаторів розвивається в напрямку «Цифрового двійника + адаптивного керування»:

* Цифровий двійник: побудуйте віртуально-реальне відображення багатофізичної імітаційної моделі трансформатора та даних у реальному часі, динамічно виведіть шлях розвитку несправності, спрогнозуйте залишковий ресурс (RUL) і забезпечте кількісну основу для проактивного втручання.

* Адаптивний захист: захисний пристрій більше не покладається на фіксовані порогові значення, а динамічно регулює значення параметра захисту або затримку на основі робочого навантаження в реальному часі, температури навколишнього середовища, стану ізоляції тощо, щоб запобігти несправності при максимальному збільшенні пропускної здатності обладнання.

* Інтелектуальна діагностика штучного інтелекту: використання алгоритмів глибокого навчання, таких як CNN і LSTM, для автоматичного визначення моделей часткового розряду (PRPD) і звукових відбитків вібрації, що зменшує витрати на ручний аналіз і покращує швидкість розпізнавання слабких ознак несправності.

Висновок

Активний захист і безпечна експлуатація силових трансформаторів – це, по суті, системні проекти, які просувають лінію безпеки вперед. Це вимагає від нас переходу від єдиного мислення релейного захисту до повноланцюгової технологічної системи «панорамне зондування-інтелектуальна діагностика-активне блокування-контроль самовідновлення». Інтегруючи передову технологію зондування, мультифізичне моделювання, штучний інтелект і нові принципи захисту для досягнення прозорого управління внутрішнім станом трансформатора та точного контролю розвитку несправностей, ми можемо принципово стримати виникнення злоякісних аварій із загорянням і створити міцний бар’єр для безпечної та стабільної роботи нових енергосистем.