Galios transformatorių aktyvios apsaugos sistemos konstrukcija: nuo pasyvaus atsako iki aktyvaus blokavimo

Saugus ir stabilus galios transformatorių, kaip pagrindinės elektros sistemos stebulės, veikimas yra tiesiogiai susijęs su elektros tinklo patikimumu ir energijos tiekimo saugumu. Tačiau sudėtinga darbo aplinka ir daugybė vidinių bei išorinių veiksnių kelia rimtų iššūkių saugiam transformatorių eksploatavimui. Perėjimas nuo „išjungimo po įvykio“ prie „ankstyvojo įspėjimo prieš įvykį ir įvykio vidurio blokavimo“ bei aktyvios apsaugos sistemos, pagrįstos panoraminiu jutimu ir protingu sprendimų priėmimu, sukūrimas tapo neišvengiama srovės transformatoriaus saugaus veikimo technologijos plėtros tendencija. Kaip naujas apsaugos metodas, aktyviosios apsaugos technologija gali laiku aptikti galimą riziką prieš įvykstant gedimui, suteikdama tvirtą saugaus transformatoriaus veikimo garantiją.

I. Galios transformatorių svarba

Kaip pagrindinė įtampos konvertavimo ir energijos perdavimo bei paskirstymo elektros tinkle įranga, galios transformatoriai yra tiesiogiai susiję su elektros energijos tiekimo patikimumu ir elektros tinklo saugumu. Šiuolaikinėse energetikos sistemose transformatoriai ne tik atsakingi už elektrinių generuojamos aukštos įtampos elektros energijos pavertimą itin aukštos įtampos elektros energija, tinkama perduoti dideliais atstumais, bet ir yra atsakingi už laipsnišką aukštos įtampos elektros energijos mažinimą į vartotojų naudojamą žemos įtampos elektros energiją, taip užtikrinant efektyvų elektros energijos išteklių panaudojimą ir racionalų paskirstymą. Be to, toliau augant elektros energijos poreikiui metalo lydymo, pramonės gamyboje ir kitose srityse, vis labiau išryškėjo galios transformatorių vaidmuo užtikrinant elektros energijos tiekimą pagrindinėms pramonės šakoms. Sugedus transformatoriui, jis ne tik sukels elektros tiekimo nutrūkimus vietinėse vietovėse, bet ir gali sukelti grandininę reakciją, sukeldama grėsmę saugiam ir stabiliam visos elektros sistemos darbui. Todėl, didinant elektros tinklo patikimumą, labai svarbu užtikrinti saugų ir stabilų galios transformatorių darbą.

II. Tradicinių apsaugos modelių apribojimai ir aktyvios apsaugos būtinumas

Tradicinė transformatorių apsauga (pvz., diferencinė apsauga, apsauga nuo dujų, apsauga nuo viršsrovių) daugiausia grindžiama elektrinio arba vieno neelektrinio dydžio slenksčiu ir priklauso „pasyviojo atsako“ režimui. Tačiau praktika parodė, kad net jei diferencinė apsauga gali itin greitai suveikti išėjimo angą per 10–20 milisekundžių, ją riboja visas paties grandinės pertraukiklio pertraukimo laikas, kuris yra dešimtys milisekundžių. Prieš visiškai pašalinant lanko gedimą, gedimo energija dažnai susikaupė pakankamai, kad plyštų degalų bakas ir sprogtų alyva. Be to, vykstant evoliucijos procesui nuo nedidelių izoliacijos defektų (pvz., dalinio iškrovimo) iki prasiskverbiančių lanko gedimų, tradicinė apsauga neturi galimybės įsikišti tarpinėje stadijoje ir yra lengvai paveikta laikinų procesų, pvz., sužadinimo įsijungimo srovė, ir yra nepakankamo jautrumo arba gedimo rizika.

Aktyvioji apsauga skiriasi nuo tradicinės apsaugos po gedimo. Jos esmė yra „pirmiausia prevencija, ankstyva intervencija“. Ji realizuoja ankstyvą galimų gedimų atpažinimą ir įspėjimą apie juos, realiu laiku stebint transformatoriaus elektros dydžius (įtampa, srovę, galią), neelektrinius dydžius (alyvos temperatūrą, alyvos lygį, vibraciją, dujų kiekį) ir aplinkos parametrus, kartu su didžiųjų duomenų analize ir dirbtinio intelekto algoritmais. Pavyzdžiui, internetu stebint ištirpusių dujų (DGA) transformatorių alyvoje, galima iš anksto aptikti paslėptus pavojus, tokius kaip izoliacijos senėjimas ir dalinis iškrovimas, kad būtų galima imtis techninės priežiūros priemonių prieš atsirandant gedimams.

III. Pagrindinės transformatoriaus saugaus veikimo rizikos ir gedimų raida

Transformatoriaus vidiniai gedimai paprastai išsivysto iš latentinių į sprogstamuosius. Įprasta rizika apima:

• Izoliacijos gedimas: atsiranda dėl izoliacijos senėjimo, drėgmės, viršįtampio ir pan., kuris iš pradžių pasireiškia daliniu iškrovimu (PD), o vėliau išsivysto į trumpąjį jungimą posūkis į posūkį, fazių trumpąjį jungimą ir net žemės gedimą.
• Perkaitimo gedimas: atsiranda dėl perkrovos, prasto kontakto, aušinimo sistemos gedimo arba daugiataškio geležies šerdies įžeminimo, kuris pagreitina izoliacinės alyvos ir kietos izoliacijos senėjimą ir galiausiai gali sukelti izoliacijos gedimą.
• Mechaninis gedimas: apvijos deformacija, atsilaisvinusios tvirtinimo detalės ir kt., paprastai lydimas neįprastos vibracijos ir gali dar labiau pažeisti izoliacijos konstrukciją.

Gedimų raidos grandinėje „dalinis iškrovimas → stiprus iškrovos defektas → didelės energijos lanko gedimas“ yra vienas pavojingiausių kelių. Aktyvios apsaugos raktas yra užfiksuoti fizines „didelio iškrovimo defekto“ fazės charakteristikas ir per milisekundės laiko langą atjungti grandinę, kad būtų išvengta katastrofiškų padarinių.

IV. Pagrindinės aktyviosios apsaugos technologijos

Internetinė stebėjimo ir jutiklių technologija: įdiekite didelio našumo jutiklius, kad realiuoju laiku rinktumėte transformatoriaus veikimo būsenos duomenis, įskaitant apvijų temperatūrą, alyvos chromatografiją, dalinį iškrovimą, vibraciją ir triukšmą ir kt., sudarydami daugiamatį stebėjimo tinklą.

Pažangi diagnostikos ir išankstinio įspėjimo sistema: naudokite tokius algoritmus kaip mašininis mokymasis ir gilusis mokymasis, kad analizuotumėte ir modeliuotumėte stebėjimo duomenis, nustatytumėte neįprastus modelius ir gautumėte ankstyvą diagnozę bei rizikos klasifikavimo įspėjimą apie gedimus.

Adaptyvus apsaugos valdymas: dinamiškai reguliuokite apsaugos nustatymus ir logiką pagal transformatoriaus būseną realiuoju laiku, kad išvengtumėte netinkamo veikimo ar atsisakymo veikti ir pagerintumėte apsaugos sistemos patikimumą.

Aktyvios apsaugos pasiekimas priklauso nuo didelio tikslumo būsenos stebėjimo (suvokimo) ir naujų apsaugos principų (sprendimų priėmimo) integravimo. Šiuo metu pramonė palaipsniui kuria „trijų lygių gynybos linijos“ arba „trijų gynybos linijų“ saugaus veikimo sistemą:

1. 1 lygis: nedidelių defektų aptikimas ir išankstinis įspėjimas (būklės stebėjimo sluoksnis)

Įdiegus daugiamačius išmaniuosius jutiklius, pasiekiamas 7x24 valandų panoraminis suvokimas. Pagrindinės technologijos apima:

* Ištirpusių dujų analizė (DGA) aliejuje: stebėkite būdingas dujas, tokias kaip H₂, C2H₂ ir CO, kad nustatytumėte perkaitimo arba išleidimo gedimo tipą ir greitį.

* Dalinio iškrovimo (PD) stebėjimas: naudojant itin aukšto dažnio (UHF), ultragarso (AE) ir aukšto dažnio impulsinės srovės (HFCT) technologijas, siekiant aptikti ir nustatyti vidinius izoliacijos defektus.

* Optinio pluošto temperatūros matavimas ir vibracijos stebėjimas: tiesiogiai matuokite apvijų karštųjų taškų temperatūrą ir stebėkite šerdies ir apvijų mechaninę būseną.

Šie duomenys sujungiami iš kelių šaltinių naudojant kraštų skaičiavimą, kad būtų įvertintas įrangos būklės indeksas (HI) ir būtų galima įspėti išankstinį įspėjimą.

2. 2 lygis: aktyvi apsauga esant rimtam iškrovimo defektui (aktyvus blokuojantis sluoksnis)

Tai yra pagrindinė grandis, skirianti aktyvią apsaugą nuo tradicinės apsaugos. Kai stebimas iškrovos signalas (pvz., UHF amplitudė, impulso srovės staigumas, ultragarso energija), kad pasiektų iš anksto nustatytą rimto defekto slenkstį, ir visapusiškai įvertinama, kad gedimas sparčiai vystosi, apsaugos sistema gali tiesiogiai duoti išjungimo komandą arba susieti stabilumo kontrolės sistemą, kad būtų perduota apkrova, nesiremdama tradiciniais diferencialiniais kriterijais. Pavyzdžiui, remiantis fazių sekos diferencinės srovės charakteristikų skirtumų principu, apsaugos tarp posūkių gedimų veikimo laikas gali būti sutrumpintas iki maždaug 20 milisekundžių; arba garso, šviesos ir elektrinės daugiafizinės charakteristikos gali būti naudojamos maždaug 100 milisekundžių iki gedimo gedimo, kad būtų galima tiksliai pašalinti „gedimų atsiradimo stadiją“.

3. 3 lygis: tradicinės lanko apsaugos nuo gedimų efektyvumo gerinimas (apatinis apsauginis sluoksnis)

Dėl atsiradusių lanko gedimų tradicinės apsaugos jautrumas ir greitis pagerinami taikant naujus principus. Pavyzdžiui, šerdies prisotinimo identifikavimo technologija, pagrįsta pagrindinio srauto jungties įvertinimu, gali veiksmingai identifikuoti sužadinimo įjungimo srovę ir gedimo srovę, realizuojant greitą diferencinę apsaugą be įjungimo srovės blokavimo; Nedidelė apsauga nuo posūkių, pagrįsta magnetinio srauto nuotėkio charakteristikomis, išsprendžia tradicinės diferencinės apsaugos nepakankamo jautrumo problemą esant didelės varžos posūkių trumpiesiems jungimams.

V. Visapusiškos saugios eksploatacijos priemonės

Siekiant užtikrinti saugų transformatorių eksploatavimą, reikia priimti daugiapakopę ir visapusišką valdymo strategiją:

• Reguliarus patikrinimas ir techninė priežiūra: reguliariai atlikite išvaizdos patikrinimą, alyvos mėginių bandymus, įžeminimo bandymus ir kt., kad išlaikytumėte gerą transformatoriaus veikimo aplinką.
• Izoliacijos senėjimo valdymas: stebėkite izoliacinių medžiagų būklę, įvertinkite likusį tarnavimo laiką ir pagrįstai rengkite priežiūros ar keitimo planus.
• Apsauga nuo perkrovos ir perkaitimo: valdydami apkrovą ir optimizuodami aušinimo sistemą, išvengsite ilgalaikės transformatoriaus perkrovos arba per didelio temperatūros kilimo.
• Reagavimo į ekstremalias situacijas planas: sukurkite greito reagavimo į staigius gedimus procesą, kad sutrumpintumėte elektros tiekimo nutraukimo laiką ir sumažintumėte nuostolius.

VI. Ateities plėtros tendencijos

Tobulėjant dirbtiniam intelektui ir daiktų interneto technologijoms, transformatoriaus aktyvioji apsauga vystosi link „Digital Twin + adaptyvaus valdymo“:

* Skaitmeninis dvynys: sukurkite transformatoriaus kelių fizikos modeliavimo modelio ir realaus laiko duomenų virtualų ir realų atvaizdą, dinamiškai nustatykite gedimo raidos kelią, numatykite likusį gyvenimą (RUL) ir sukurkite kiekybinį aktyvios intervencijos pagrindą.

* Prisitaikanti apsauga: Apsaugos įtaisas nebepasilaiko fiksuotų slenksčių, bet dinamiškai koreguoja apsaugos nustatymo vertę arba delsą pagal realiojo laiko veikimo apkrovos greitį, aplinkos temperatūrą, izoliacijos būseną ir kt., kad būtų išvengta gedimų ir maksimaliai padidinta įrangos keliamoji galia.

* AI intelektuali diagnostika: naudojant gilaus mokymosi algoritmus, tokius kaip CNN ir LSTM, kad būtų galima automatiškai nustatyti dalinės iškrovos modelius (PRPD) ir vibracijos garso atspaudus, sumažinti neautomatinės analizės išlaidas ir pagerinti silpnų gedimų ženklų atpažinimo dažnį.

Išvada

Aktyvi apsauga ir saugus galios transformatorių veikimas iš esmės yra sistemingi projektai, perkeliantys saugos gynybos liniją į priekį. Tai reikalauja, kad nuo vienos relinės apsaugos mąstymo išsiplėtume iki visos grandinės technologijos sistemos „panoraminis jutimas – išmanioji diagnostika – aktyvus blokavimas – savaiminio išgydymo valdymas“. Integruodami pažangias jutimo technologijas, daugialypį fizinį modeliavimą, dirbtinį intelektą ir naujus apsaugos principus, kad būtų galima skaidriai valdyti transformatoriaus vidinę būseną ir tiksliai kontroliuoti gedimų raidą, galime iš esmės pažaboti piktybinių deflagracijos avarijų atsiradimą ir sukurti tvirtą barjerą saugiam ir stabiliam naujų elektros energijos sistemų veikimui.