ساخت سیستم حفاظت فعال برای ترانسفورماتورهای قدرت: از پاسخ غیرفعال تا انسداد فعال

به عنوان تجهیزات مرکز اصلی سیستم قدرت، عملکرد ایمن و پایدار ترانسفورماتورهای قدرت به طور مستقیم با قابلیت اطمینان شبکه برق و امنیت تامین انرژی مرتبط است. با این حال، محیط پیچیده عملیاتی و بسیاری از عوامل داخلی و خارجی چالش های جدی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتورها ایجاد می کند. تبدیل از "سقوط پس از رویداد" به "هشدار اولیه قبل از رویداد و مسدود کردن اواسط رویداد" و ساخت یک سیستم حفاظت فعال مبتنی بر حسگر پانوراما و تصمیم گیری هوشمند به یک روند اجتناب ناپذیر در توسعه فناوری عملکرد ایمن ترانسفورماتور فعلی تبدیل شده است. به عنوان یک روش حفاظتی نوظهور، فناوری حفاظت فعال می تواند خطرات احتمالی را به موقع قبل از وقوع خطا شناسایی کند و تضمینی قوی برای عملکرد ایمن ترانسفورماتور ارائه دهد.

I. اهمیت ترانسفورماتورهای قدرت

به عنوان تجهیزات اصلی برای تبدیل ولتاژ و انتقال و توزیع برق در شبکه برق، ترانسفورماتورهای قدرت به طور مستقیم با قابلیت اطمینان منبع تغذیه و امنیت شبکه برق مرتبط هستند. در سیستم‌های قدرت مدرن، ترانسفورماتورها نه تنها مسئول تبدیل انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا تولید شده توسط نیروگاه‌ها به انرژی الکتریکی با ولتاژ فوق‌العاده مناسب برای انتقال در مسافت‌های طولانی هستند، بلکه مسئول کاهش گام به گام انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا به انرژی الکتریکی با ولتاژ پایین قابل استفاده توسط کاربران هستند و در نتیجه استفاده کارآمد و توزیع منطقی انرژی را تضمین می‌کنند. علاوه بر این، با ادامه رشد تقاضا برای برق در ذوب فلزات، تولید صنعتی و سایر زمینه ها، نقش ترانسفورماتورهای قدرت در تضمین تامین برق صنایع کلیدی به طور فزاینده ای برجسته شده است. هنگامی که یک ترانسفورماتور از کار بیفتد، نه تنها باعث قطع برق در مناطق محلی می شود، بلکه ممکن است باعث ایجاد یک واکنش زنجیره ای شود که تهدیدی برای عملکرد ایمن و پایدار کل سیستم قدرت است. بنابراین، اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار ترانسفورماتورهای قدرت برای بهبود قابلیت اطمینان شبکه قدرت اهمیت زیادی دارد.

II. محدودیت‌های مدل‌های حفاظت سنتی و ضرورت حفاظت فعال

حفاظت ترانسفورماتور سنتی (مانند حفاظت دیفرانسیل، حفاظت از گاز، حفاظت جریان اضافه) عمدتاً مبتنی بر عمل آستانه یک کمیت الکتریکی یا یک کمیت غیر الکتریکی است و به حالت "پاسخ غیرالکتریک" تعلق دارد. با این حال، تمرین نشان داده است که حتی اگر حفاظت دیفرانسیل بتواند پریز را به سرعت در عرض 10 تا 20 میلی ثانیه کار کند، مدت زمان قطع کامل خود قطع کننده مدار که ده ها میلی ثانیه است محدود می شود. قبل از رفع کامل خطای قوس، انرژی خطا اغلب به اندازه‌ای انباشته می‌شود که باعث پارگی مخزن سوخت و منفجر شدن روغن می‌شود. علاوه بر این، برای فرآیند تکامل از عیوب جزئی عایق (مانند تخلیه جزئی) تا گسل های قوس نافذ، حفاظت سنتی توانایی مداخله در مرحله میانی را ندارد و به راحتی تحت تأثیر فرآیندهای گذرا مانند جریان هجومی تحریک قرار می گیرد و خطر حساسیت ناکافی یا نقص وجود دارد.

حفاظت فعال با حفاظت عمل سنتی پس از خطا متفاوت است. هسته اصلی آن در "ابتدا پیشگیری، مداخله زودهنگام" نهفته است. شناسایی زودهنگام و هشدار خطاهای احتمالی را با نظارت بر زمان واقعی کمیت های الکتریکی ترانسفورماتور (ولتاژ، جریان، توان)، مقادیر غیر الکتریکی (دمای روغن، سطح روغن، ارتعاش، محتوای گاز) و پارامترهای محیطی، همراه با تجزیه و تحلیل داده های بزرگ و الگوریتم های هوش مصنوعی، محقق می کند. به عنوان مثال، از طریق پایش آنلاین گازهای محلول (DGA) در روغن ترانسفورماتور، خطرات پنهانی مانند پیری عایق و تخلیه جزئی را می توان از قبل کشف کرد، به طوری که می توان اقدامات تعمیر و نگهداری را قبل از وقوع خطا انجام داد.

III. خطرات اصلی و تکامل خطا عملکرد ایمن ترانسفورماتور

خطاهای داخلی ترانسفورماتور معمولاً از حالت نهفته به حالت انفجاری تبدیل می شوند. خطرات رایج عبارتند از:

• خطای عایق: ناشی از پیری عایق، رطوبت، اضافه ولتاژ و غیره است که در ابتدا به صورت تخلیه جزئی (PD) ظاهر می شود و سپس به اتصال کوتاه چرخشی، اتصال کوتاه فاز به فاز و حتی خرابی زمین تبدیل می شود.
• خطای گرمای بیش از حد: ناشی از اضافه بار، تماس ضعیف، خرابی سیستم خنک کننده یا زمین شدن چند نقطه ای هسته آهنی است که پیر شدن روغن عایق و عایق جامد را تسریع می کند و ممکن است در نهایت منجر به خرابی عایق شود.
• خرابی مکانیکی: تغییر شکل سیم پیچ، بست های شل و غیره که معمولاً با لرزش غیرعادی همراه است و ممکن است به ساختار عایق آسیب بیشتری وارد کند.

در زنجیره تکامل گسل، «تخلیه جزئی → نقص تخلیه شدید → شکست قوس پرانرژی» یکی از خطرناک ترین مسیرها است. کلید حفاظت فعال این است که ویژگی‌های فیزیکی مرحله «نقص شدید تخلیه» و قطع مدار در یک پنجره زمانی میلی‌ثانیه‌ای برای جلوگیری از عواقب فاجعه‌بار باشد.

IV. فن آوری های کلیدی برای حفاظت فعال

نظارت آنلاین و فناوری حسگر: نصب سنسورهای با کارایی بالا برای جمع‌آوری داده‌های وضعیت عملکرد ترانسفورماتور در زمان واقعی، از جمله دمای سیم‌پیچ، کروماتوگرافی روغن، تخلیه جزئی، لرزش و نویز و غیره و تشکیل یک شبکه نظارتی چند بعدی.

تشخیص هوشمند و سیستم هشدار اولیه: از الگوریتم‌هایی مانند یادگیری ماشینی و یادگیری عمیق برای تجزیه و تحلیل و مدل‌سازی داده‌های نظارت، شناسایی الگوهای غیرعادی و دستیابی به تشخیص زودهنگام و هشدار طبقه‌بندی خطر خطاها استفاده کنید.

کنترل حفاظت تطبیقی: تنظیمات حفاظتی و منطق را به صورت پویا با توجه به وضعیت بلادرنگ ترانسفورماتور تنظیم کنید تا از عملکرد نادرست یا امتناع از کارکرد جلوگیری شود و قابلیت اطمینان سیستم حفاظتی بهبود یابد.

دستیابی به حفاظت فعال متکی به ادغام عمیق نظارت بر وضعیت با دقت بالا (ادراک) و اصول حفاظتی جدید (تصمیم گیری) است. در حال حاضر، صنعت به تدریج در حال ساخت یک سیستم عملیات ایمن "خط دفاعی سه سطحی" یا "سه خط دفاعی" است:

1. سطح 1: تشخیص نقص جزئی و هشدار اولیه (لایه نظارت بر وضعیت)

با استقرار سنسورهای هوشمند چند بعدی، ادراک پانوراما 7x24 ساعته به دست می آید. فناوری های اصلی عبارتند از:

* تجزیه و تحلیل گاز محلول (DGA) در روغن: گازهای مشخصه مانند H2، C2H2 و CO را برای تعیین نوع و میزان گرمای بیش از حد یا خرابی تخلیه کنترل کنید.

* نظارت بر تخلیه جزئی (PD): با استفاده از فناوری فرکانس فوق العاده بالا (UHF)، اولتراسونیک (AE) و جریان پالس با فرکانس بالا (HFCT) برای شناسایی و مکان یابی عیوب عایق داخلی.

* اندازه گیری دمای فیبر نوری و نظارت بر لرزش: به طور مستقیم دمای نقاط داغ سیم پیچ را اندازه گیری کنید و وضعیت مکانیکی هسته و سیم پیچ ها را نظارت کنید.

این داده ها از منابع متعدد از طریق محاسبات لبه برای دستیابی به ارزیابی شاخص سلامت تجهیزات (HI) و هشدار اولیه ترکیب می شوند.

2. سطح 2: حفاظت فعال در مرحله نقص شدید تخلیه (لایه مسدود کننده فعال)

این پیوند اصلی است که حفاظت فعال را از حفاظت سنتی متمایز می کند. هنگامی که سیگنال تخلیه (مانند دامنه UHF، شیب جریان پالس، انرژی مافوق صوت) برای رسیدن به آستانه نقص جدی از پیش تعیین شده نظارت می شود، و خطا به طور جامع در مرحله توسعه سریع است، سیستم حفاظت می تواند مستقیماً فرمان سفر صادر کند یا سیستم کنترل پایداری را برای انتقال بار بدون تکیه بر معیارهای متفاوت سنتی به هم متصل کند. به عنوان مثال، بر اساس اصل تفاوت‌های مشخصه جریان دیفرانسیل توالی فاز، زمان عمل حفاظت خطای بین چرخشی را می‌توان به حدود 20 میلی‌ثانیه کاهش داد. یا از ویژگی های چند فیزیکی صدا، نور و الکتریکی حدود 100 میلی ثانیه قبل از شکست خطا می توان برای دستیابی به حذف دقیق "مرحله جوانه زدن خطا" استفاده کرد.

3. سطح 3: بهبود عملکرد حفاظت از خطای قوس سنتی (لایه محافظ زیرین)

برای خطاهای قوسی که رخ داده است، حساسیت و سرعت حفاظت سنتی از طریق اصول جدید بهبود می یابد. به عنوان مثال، فناوری شناسایی اشباع هسته بر اساس تخمین پیوند شار اصلی می تواند به طور موثر جریان هجومی تحریک و جریان خطا را شناسایی کند و حفاظت دیفرانسیل سریع بدون مسدود شدن جریان هجومی را تحقق بخشد. حفاظت خفیف خطای میان‌پیچ بر اساس ویژگی‌های نشتی شار مغناطیسی، مشکل حساسیت ناکافی حفاظت دیفرانسیل سنتی را برای مدارهای کوتاه میان‌پیچ امپدانس بالا حل می‌کند.

V. اقدامات جامع برای عملیات ایمن

به منظور اطمینان از عملکرد ایمن ترانسفورماتورها، باید یک استراتژی مدیریت چند سطحی و جامع اتخاذ شود:

• بازرسی و نگهداری معمول: به طور منظم بازرسی ظاهری، آزمایش نمونه روغن، آزمایش زمین و غیره را برای حفظ محیط عملکرد خوب ترانسفورماتور انجام دهید.
• مدیریت پیری عایق: وضعیت مواد عایق را بررسی کنید، عمر باقیمانده را ارزیابی کنید و برنامه های تعمیر و نگهداری یا جایگزینی را به طور منطقی ترتیب دهید.
• حفاظت از اضافه بار و گرمای بیش از حد: از طریق مدیریت بار و بهینه سازی سیستم خنک کننده، از اضافه بار طولانی مدت ترانسفورماتور یا افزایش بیش از حد دما جلوگیری کنید.
• طرح واکنش اضطراری: برای کوتاه کردن زمان قطع برق و کاهش تلفات، یک فرآیند واکنش سریع برای خرابی‌های ناگهانی ایجاد کنید.

VI. روندهای توسعه آینده

با توسعه هوش مصنوعی و فناوری اینترنت اشیا، حفاظت فعال ترانسفورماتور به سمت "کنترل دوقلوی دیجیتال + تطبیقی" در حال تکامل است:

* دوقلو دیجیتال: یک نقشه مجازی-واقعی از مدل شبیه‌سازی چند فیزیک ترانسفورماتور و داده‌های بی‌درنگ ایجاد کنید، مسیر تکامل خطا را به صورت پویا استنتاج کنید، عمر باقی‌مانده (RUL) را پیش‌بینی کنید، و مبنای کمی برای مداخله فعال فراهم کنید.

* حفاظت تطبیقی: دستگاه حفاظت دیگر به آستانه های ثابت متکی نیست، بلکه به صورت پویا مقدار تنظیم حفاظت یا تأخیر را بر اساس نرخ بار عملیاتی بلادرنگ، دمای محیط، وضعیت عایق و غیره تنظیم می کند تا ضمن به حداکثر رساندن ظرفیت حمل تجهیزات، از سوء عملکرد جلوگیری کند.

* تشخیص هوشمند هوش مصنوعی: استفاده از الگوریتم های یادگیری عمیق مانند CNN و LSTM برای شناسایی خودکار الگوهای تخلیه جزئی (PRPD) و صداهای ارتعاشی، کاهش هزینه های تحلیل دستی و بهبود نرخ تشخیص علائم خطای ضعیف.

نتیجه گیری

حفاظت فعال و عملکرد ایمن ترانسفورماتورهای قدرت اساساً پروژه های سیستماتیکی هستند که خط ایمنی دفاع را به جلو می برند. این امر مستلزم آن است که از یک تفکر حفاظتی رله واحد به یک سیستم فناوری زنجیره کامل "حسگر پانوراما-تشخیص هوشمند-مسدود فعال-کنترل خوددرمانی" گسترش دهیم. با ادغام فناوری سنجش پیشرفته، شبیه‌سازی چند فیزیک، هوش مصنوعی و اصول حفاظتی جدید برای دستیابی به مدیریت شفاف وضعیت داخلی ترانسفورماتور و کنترل دقیق تکامل خطا، می‌توانیم به طور اساسی از وقوع حوادث بدخیم آتش‌زدایی جلوگیری کنیم و مانعی محکم برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های قدرت جدید بسازیم.