Realizzazione di sistemi di protezione attiva per trasformatori di potenza: dalla risposta passiva al blocco attivo

Essendo l'apparecchiatura principale del sistema energetico, il funzionamento sicuro e stabile dei trasformatori di potenza è direttamente correlato all'affidabilità della rete elettrica e alla sicurezza dell'approvvigionamento energetico. Tuttavia, il complesso ambiente operativo e molti fattori interni ed esterni pongono gravi sfide al funzionamento sicuro dei trasformatori. La trasformazione da "intervento post-evento" a "allarme precoce pre-evento e blocco a metà evento" e la creazione di un sistema di protezione attiva basato sul rilevamento panoramico e sul processo decisionale intelligente è diventata una tendenza inevitabile nello sviluppo della tecnologia di funzionamento sicuro dei trasformatori di corrente. Essendo un metodo di protezione emergente, la tecnologia di protezione attiva è in grado di rilevare potenziali rischi in tempo prima che si verifichi un guasto, fornendo una forte garanzia per il funzionamento sicuro del trasformatore.

I. L'importanza dei trasformatori di potenza

Essendo le apparecchiature principali per la conversione della tensione e la trasmissione e distribuzione dell'energia nella rete elettrica, i trasformatori di potenza sono direttamente correlati all'affidabilità e alla sicurezza dell'alimentazione elettrica della rete elettrica. Nei moderni sistemi energetici, i trasformatori non sono solo responsabili della conversione dell'energia elettrica ad alta tensione generata dalle centrali elettriche in energia elettrica ad altissima tensione adatta alla trasmissione a lunga distanza, ma sono anche responsabili della riduzione graduale dell'energia elettrica ad alta tensione in energia elettrica a bassa tensione utilizzabile dagli utenti, garantendo così un utilizzo efficiente e una distribuzione ragionevole delle risorse di energia elettrica. Inoltre, poiché la domanda di elettricità nella fusione dei metalli, nella produzione industriale e in altri settori continua a crescere, il ruolo dei trasformatori di potenza nel garantire l’approvvigionamento energetico alle industrie chiave è diventato sempre più importante. Una volta che un trasformatore si guasta, non solo causerà interruzioni di corrente nelle aree locali, ma potrebbe anche innescare una reazione a catena, ponendo una minaccia al funzionamento sicuro e stabile dell’intero sistema elettrico. Pertanto, garantire il funzionamento sicuro e stabile dei trasformatori di potenza è di grande importanza per migliorare l’affidabilità della rete elettrica.

II. Limitazioni dei modelli di protezione tradizionali e necessità di protezione attiva

La protezione tradizionale dei trasformatori (come la protezione differenziale, la protezione gas, la protezione contro le sovracorrenti) si basa principalmente sull'azione di soglia di una grandezza elettrica o di una singola grandezza non elettrica, e appartiene alla modalità "risposta passiva". Tuttavia, la pratica ha dimostrato che anche se la protezione differenziale può azionare l'uscita in modo estremamente rapido entro 10-20 millisecondi, è limitata dal tempo di interruzione completo dell'interruttore stesso, che è di decine di millisecondi. Prima che il guasto dell'arco venga completamente rimosso, l'energia del guasto si è spesso accumulata abbastanza da causare la rottura del serbatoio del carburante e l'esplosione dell'olio. Inoltre, per il processo di evoluzione da difetti di isolamento minori (come scariche parziali) a guasti da arco penetrante, la protezione tradizionale non ha la capacità di intervenire nella fase intermedia, ed è facilmente influenzata da processi transitori come la corrente di spunto di eccitazione, e c'è il rischio di sensibilità insufficiente o malfunzionamento.

La protezione attiva è diversa dalla tradizionale protezione ad azione post-guasto. Il suo fulcro risiede nella "prevenzione prima di tutto, intervento precoce". Realizza l'identificazione precoce e l'allarme di potenziali guasti mediante il monitoraggio in tempo reale delle quantità elettriche del trasformatore (tensione, corrente, potenza), quantità non elettriche (temperatura dell'olio, livello dell'olio, vibrazioni, contenuto di gas) e parametri ambientali, combinati con l'analisi dei big data e algoritmi di intelligenza artificiale. Ad esempio, attraverso il monitoraggio online dei gas disciolti (DGA) nell'olio del trasformatore, è possibile scoprire in anticipo pericoli nascosti come l'invecchiamento dell'isolamento e le scariche parziali, in modo da poter adottare misure di manutenzione prima che si verifichino guasti.

III. Principali rischi ed evoluzione dei guasti nel funzionamento in sicurezza del trasformatore

I guasti interni del trasformatore di solito evolvono da latenti a esplosivi. I rischi comuni includono:

• Guasto di isolamento: causato dall'invecchiamento dell'isolamento, dall'umidità, dalla sovratensione, ecc., che inizialmente si manifesta come scarica parziale (PD), per poi svilupparsi in cortocircuito tra spire, cortocircuito fase-fase e persino guasto a terra.
• Guasto di surriscaldamento: causato da sovraccarico, scarso contatto, guasto del sistema di raffreddamento o messa a terra multipunto del nucleo di ferro, che accelera l'invecchiamento dell'olio isolante e dell'isolamento solido e può eventualmente portare alla rottura dell'isolamento.
• Guasto meccanico: deformazione dell'avvolgimento, elementi di fissaggio allentati, ecc., solitamente accompagnati da vibrazioni anomale e possono danneggiare ulteriormente la struttura isolante.

Nella catena di evoluzione dei guasti, "scarica parziale → grave difetto di scarica → rottura dell'arco ad alta energia" è uno dei percorsi più pericolosi. La chiave per la protezione attiva è catturare le caratteristiche fisiche dello stadio di "grave difetto di scarica" ​​e interrompere il circuito entro una finestra temporale di millisecondi per prevenire conseguenze catastrofiche.

IV. Tecnologie chiave per la protezione attiva

Monitoraggio online e tecnologia dei sensori: installa sensori ad alte prestazioni per raccogliere dati sullo stato operativo del trasformatore in tempo reale, tra cui temperatura dell'avvolgimento, cromatografia dell'olio, scariche parziali, vibrazioni e rumore, ecc., formando una rete di monitoraggio multidimensionale.

Diagnosi intelligente e sistema di allarme precoce: utilizza algoritmi come l'apprendimento automatico e il deep learning per analizzare e modellare i dati di monitoraggio, identificare modelli anomali e ottenere una diagnosi precoce e un avviso di classificazione del rischio di guasti.

Controllo adattivo della protezione: regola dinamicamente le impostazioni e la logica della protezione in base allo stato in tempo reale del trasformatore per evitare malfunzionamenti o rifiuto di operare e migliorare l'affidabilità del sistema di protezione.

Il raggiungimento della protezione attiva si basa sulla profonda integrazione del monitoraggio dello stato ad alta precisione (percezione) e dei nuovi principi di protezione (processo decisionale). Attualmente, l'industria sta gradualmente costruendo un sistema operativo sicuro "linea di difesa a tre livelli" o "tre linee di difesa":

1. Livello 1: rilevamento di difetti minori e allarme tempestivo (livello di monitoraggio delle condizioni)

Utilizzando sensori intelligenti multidimensionali, si ottiene una percezione panoramica 7x24 ore. Le tecnologie principali includono:

* Analisi dei gas disciolti (DGA) nell'olio: monitora gas caratteristici come H₂, C₂H₂ e CO per determinare il tipo e la velocità di surriscaldamento o di errore di scarico.

* Monitoraggio delle scariche parziali (PD): utilizzo della tecnologia ad altissima frequenza (UHF), a ultrasuoni (AE) e con corrente pulsata ad alta frequenza (HFCT) per rilevare e localizzare difetti di isolamento interno.

* Misurazione della temperatura della fibra ottica e monitoraggio delle vibrazioni: misura direttamente la temperatura dei punti caldi dell'avvolgimento e monitora lo stato meccanico del nucleo e degli avvolgimenti.

Questi dati vengono fusi da più fonti tramite l'edge computing per ottenere la valutazione dell'indice di salute delle apparecchiature (HI) e l'allarme tempestivo.

2. Livello 2: protezione attiva nella fase di grave difetto di scarica (strato di blocco attivo)

Questo è il legame fondamentale che distingue la protezione attiva da quella tradizionale. Quando il segnale di scarica (come l'ampiezza UHF, la pendenza della corrente di impulso, l'energia ultrasonica) viene monitorato per raggiungere la soglia di difetto grave preimpostata e si ritiene che il guasto sia in una fase di sviluppo rapido, il sistema di protezione può emettere direttamente un comando di intervento o collegare il sistema di controllo della stabilità per trasferire il carico senza fare affidamento sui criteri differenziali tradizionali. Ad esempio, in base al principio delle differenze caratteristiche della corrente differenziale della sequenza di fase, il tempo di azione della protezione da guasto tra spire può essere ridotto a circa 20 millisecondi; oppure le caratteristiche multifisiche del suono, della luce e dell'elettricità circa 100 millisecondi prima del guasto del guasto possono essere utilizzate per ottenere la rimozione precisa della "fase in erba del guasto".

3. Livello 3: miglioramento delle prestazioni tradizionali di protezione dai guasti da arco elettrico (strato protettivo sottostante)

Per i guasti da arco verificatisi, la sensibilità e la rapidità della protezione tradizionale vengono migliorate attraverso nuovi principi. Ad esempio, la tecnologia di identificazione della saturazione del nucleo basata sulla stima del collegamento del flusso principale può identificare efficacemente la corrente di spunto di eccitazione e la corrente di guasto, realizzando una protezione differenziale rapida senza blocco della corrente di spunto; La protezione dai guasti leggeri tra le spire basata sulle caratteristiche di dispersione del flusso magnetico risolve il problema dell'insufficiente sensibilità della protezione differenziale tradizionale per i cortocircuiti tra le spire ad alta impedenza.

V. Misure globali per un funzionamento sicuro

Per garantire il funzionamento sicuro dei trasformatori, è necessario adottare una strategia di gestione multilivello e globale:

• Ispezione e manutenzione di routine: condurre regolarmente ispezioni estetiche, test su campioni di olio, test di messa a terra, ecc. per mantenere un buon ambiente operativo del trasformatore.
• Gestione dell'invecchiamento dell'isolamento: monitorare lo stato dei materiali isolanti, valutare la vita residua e organizzare ragionevolmente piani di manutenzione o sostituzione.
• Protezione da sovraccarico e surriscaldamento: attraverso la gestione del carico e l'ottimizzazione del sistema di raffreddamento, previene il sovraccarico a lungo termine del trasformatore o l'eccessivo aumento della temperatura.
• Piano di risposta alle emergenze: sviluppare un processo di risposta rapida per guasti improvvisi per ridurre i tempi di interruzione dell'alimentazione e ridurre le perdite.

VI. Tendenze di sviluppo futuro

Con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e della tecnologia Internet of Things, la protezione attiva del trasformatore si evolve verso il "Digital Twin + controllo adattivo":

* Gemello digitale: costruire una mappatura virtuale-reale del modello di simulazione multifisica del trasformatore e dei dati in tempo reale, dedurre dinamicamente il percorso di evoluzione del guasto, prevedere la vita residua (RUL) e fornire una base quantitativa per un intervento proattivo.

* Protezione adattiva: il dispositivo di protezione non si basa più su soglie fisse, ma regola dinamicamente il valore di impostazione o il ritardo della protezione in base al tasso di carico operativo in tempo reale, alla temperatura ambiente, allo stato di isolamento, ecc., per prevenire malfunzionamenti massimizzando al tempo stesso la capacità di carico dell'apparecchiatura.

* Diagnosi intelligente basata sull'intelligenza artificiale: utilizzo di algoritmi di deep learning come CNN e LSTM per identificare automaticamente i modelli di scariche parziali (PRPD) e le impronte sonore delle vibrazioni, riducendo i costi di analisi manuale e migliorando il tasso di riconoscimento dei segnali di guasto deboli.

Conclusione

La protezione attiva e il funzionamento sicuro dei trasformatori di potenza sono essenzialmente progetti sistematici che fanno avanzare la linea di difesa della sicurezza. Ci impone di espanderci da un pensiero di protezione a relè singolo a un sistema tecnologico a catena completa di "rilevamento panoramico-diagnosi intelligente-blocco attivo-controllo di autoriparazione". Integrando tecnologia di rilevamento avanzata, simulazione multifisica, intelligenza artificiale e nuovi principi di protezione per ottenere una gestione trasparente dello stato interno del trasformatore e un controllo preciso dell'evoluzione dei guasti, possiamo sostanzialmente frenare il verificarsi di incidenti di deflagrazione maligna e costruire una solida barriera per il funzionamento sicuro e stabile dei nuovi sistemi di alimentazione.