Aufbau eines aktiven Schutzsystems für Leistungstransformatoren: von der passiven Reaktion zur aktiven Blockierung

Als zentrale Knotenpunktausrüstung des Energiesystems steht der sichere und stabile Betrieb von Leistungstransformatoren in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit des Stromnetzes und der Sicherheit der Energieversorgung. Allerdings stellen die komplexe Betriebsumgebung und viele interne und externe Faktoren große Herausforderungen für den sicheren Betrieb von Transformatoren dar. Der Wandel von der „Auslösung nach dem Ereignis“ zur „Frühwarnung vor dem Ereignis und zur Blockierung während des Ereignisses“ und der Aufbau eines aktiven Schutzsystems auf der Grundlage von Panoramaerfassung und intelligenter Entscheidungsfindung ist zu einem unvermeidlichen Trend bei der Entwicklung der Technologie für den sicheren Betrieb von Stromtransformatoren geworden. Als aufstrebende Schutzmethode kann die aktive Schutztechnologie potenzielle Risiken rechtzeitig erkennen, bevor ein Fehler auftritt, und bietet so eine starke Garantie für den sicheren Betrieb des Transformators.

I. Die Bedeutung von Leistungstransformatoren

Als Kernausrüstung für die Spannungsumwandlung sowie die Stromübertragung und -verteilung im Stromnetz stehen Leistungstransformatoren in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit und Sicherheit der Stromversorgung des Stromnetzes. In modernen Energiesystemen sind Transformatoren nicht nur für die Umwandlung der von Kraftwerken erzeugten elektrischen Hochspannungsenergie in für die Fernübertragung geeignete elektrische Hochspannungsenergie verantwortlich, sondern auch für die schrittweise Umwandlung der elektrischen Hochspannungsenergie in für die Nutzer nutzbare elektrische Niederspannungsenergie und sorgen so für eine effiziente Nutzung und sinnvolle Verteilung der elektrischen Energieressourcen. Da außerdem der Strombedarf in der Metallschmelze, der Industrieproduktion und anderen Bereichen weiter wächst, kommt der Rolle von Leistungstransformatoren bei der Sicherstellung der Stromversorgung von Schlüsselindustrien eine immer größere Bedeutung zu. Der Ausfall eines Transformators führt nicht nur zu lokalen Stromausfällen, sondern kann auch eine Kettenreaktion auslösen, die den sicheren und stabilen Betrieb des gesamten Stromnetzes gefährdet. Daher ist die Gewährleistung des sicheren und stabilen Betriebs von Leistungstransformatoren von großer Bedeutung für die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Stromnetzes.

II. Grenzen traditioneller Schutzmodelle und die Notwendigkeit eines aktiven Schutzes

Der herkömmliche Transformatorschutz (z. B. Differentialschutz, Gasschutz, Überstromschutz) basiert hauptsächlich auf der Schwellenwirkung einer elektrischen Größe oder einer einzelnen nichtelektrischen Größe und gehört zum Modus „passive Reaktion“. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass der Differentialschutz die Steckdose zwar extrem schnell innerhalb von 10 bis 20 Millisekunden betätigen kann, dies jedoch durch die volle Ausschaltzeit des Leistungsschalters selbst begrenzt ist, die mehrere zehn Millisekunden beträgt. Bevor der Lichtbogenfehler vollständig beseitigt ist, hat sich die Fehlerenergie häufig so stark angesammelt, dass der Kraftstofftank platzt und das Öl explodiert. Darüber hinaus mangelt es dem herkömmlichen Schutz beim Entwicklungsprozess von geringfügigen Isolationsfehlern (z. B. Teilentladung) bis hin zu durchdringenden Lichtbogenfehlern an der Fähigkeit, in der Zwischenstufe einzugreifen, und er wird leicht durch transiente Prozesse wie Erregungs-Einschaltströme beeinträchtigt, und es besteht das Risiko einer unzureichenden Empfindlichkeit oder Fehlfunktion.

Der aktive Schutz unterscheidet sich vom herkömmlichen Post-Fault-Action-Schutz. Ihr Kern liegt in „Prävention zuerst, frühes Eingreifen“. Es ermöglicht eine frühzeitige Erkennung und Warnung potenzieller Fehler durch Echtzeitüberwachung der elektrischen Größen des Transformators (Spannung, Strom, Leistung), nichtelektrischer Größen (Öltemperatur, Ölstand, Vibration, Gasgehalt) und Umgebungsparameter, kombiniert mit Big-Data-Analyse und Algorithmen der künstlichen Intelligenz. Beispielsweise können durch die Online-Überwachung gelöster Gase (DGA) in Transformatorenöl versteckte Gefahren wie Isolationsalterung und Teilentladung im Voraus erkannt werden, sodass Wartungsmaßnahmen ergriffen werden können, bevor Störungen auftreten.

III. Hauptrisiken und Fehlerentwicklung beim sicheren Betrieb von Transformatoren

Interne Fehler in Transformatoren entwickeln sich normalerweise von latent zu explosiv. Zu den häufigsten Risiken gehören:

• Isolationsfehler: verursacht durch Isolationsalterung, Feuchtigkeit, Überspannung usw., der sich zunächst als Teilentladung (TE) äußert und sich dann zu einem Windungskurzschluss, einem Phase-zu-Phase-Kurzschluss und sogar einem Erddurchschlag entwickelt.
• Überhitzungsfehler: verursacht durch Überlastung, schlechten Kontakt, Ausfall des Kühlsystems oder Mehrpunkterdung des Eisenkerns, was die Alterung des Isolieröls und der festen Isolierung beschleunigt und schließlich zum Ausfall der Isolierung führen kann.
• Mechanischer Fehler: Verformung der Wicklung, lockere Befestigungselemente usw., die normalerweise mit ungewöhnlichen Vibrationen einhergehen und die Isolationsstruktur weiter beschädigen können.

In der Fehlerentwicklungskette ist „Teilentladung → schwerer Entladungsfehler → Hochenergie-Lichtbogendurchschlag“ einer der gefährlichsten Pfade. Der Schlüssel zum aktiven Schutz besteht darin, die physikalischen Eigenschaften des Stadiums „schwerer Entladungsdefekt“ zu erfassen und den Stromkreis innerhalb eines Millisekunden-Zeitfensters zu unterbrechen, um katastrophale Folgen zu verhindern.

IV. Schlüsseltechnologien für aktiven Schutz

Online-Überwachung und Sensortechnologie: Installieren Sie Hochleistungssensoren, um Daten zum Betriebszustand des Transformators in Echtzeit zu erfassen, einschließlich Wicklungstemperatur, Ölchromatographie, Teilentladung, Vibration und Lärm usw., und bilden Sie so ein mehrdimensionales Überwachungsnetzwerk.

Intelligentes Diagnose- und Frühwarnsystem: Verwenden Sie Algorithmen wie maschinelles Lernen und Deep Learning, um Überwachungsdaten zu analysieren und zu modellieren, abnormale Muster zu identifizieren und eine frühzeitige Diagnose und Risikoklassifizierung von Fehlern zu erreichen.

Adaptive Schutzsteuerung: Passen Sie die Schutzeinstellungen und die Logik dynamisch an den Echtzeitstatus des Transformators an, um Fehlbedienungen oder Betriebsverweigerungen zu vermeiden und die Zuverlässigkeit des Schutzsystems zu verbessern.

Um einen aktiven Schutz zu erreichen, ist die tiefe Integration einer hochpräzisen Zustandsüberwachung (Wahrnehmung) und neuer Schutzprinzipien (Entscheidungsfindung) erforderlich. Derzeit baut die Branche schrittweise ein sicheres Betriebssystem mit „dreistufiger Verteidigungslinie“ oder „drei Verteidigungslinien“ auf:

1. Ebene 1: Erkennung kleinerer Fehler und Frühwarnung (Zustandsüberwachungsschicht)

Durch den Einsatz mehrdimensionaler intelligenter Sensoren wird eine Panoramawahrnehmung rund um die Uhr erreicht. Zu den Kerntechnologien gehören:

* Analyse gelöster Gase (DGA) in Öl: Überwachen Sie charakteristische Gase wie H₂, C₂H₂ und CO, um die Art und Rate von Überhitzung oder Entladungsfehlern zu bestimmen.

* Teilentladungsüberwachung (PD): Verwendung von Ultrahochfrequenz- (UHF), Ultraschall- (AE) und Hochfrequenz-Pulsstrom-Technologie (HFCT) zur Erkennung und Lokalisierung interner Isolationsfehler.

* Temperaturmessung und Vibrationsüberwachung optischer Fasern: Messen Sie direkt die Temperatur heißer Stellen in der Wicklung und überwachen Sie den mechanischen Zustand des Kerns und der Wicklungen.

Diese Daten werden aus mehreren Quellen durch Edge Computing zusammengeführt, um eine Bewertung des Equipment Health Index (HI) und eine Frühwarnung zu ermöglichen.

2. Stufe 2: Aktiver Schutz im schweren Entladungsdefektstadium (aktive Sperrschicht)

Dies ist die zentrale Verbindung, die den aktiven Schutz vom traditionellen Schutz unterscheidet. Wenn das Entladungssignal (z. B. UHF-Amplitude, Impulsstromsteilheit, Ultraschallenergie) überwacht wird, um den voreingestellten Schwellenwert für schwerwiegende Fehler zu erreichen, und umfassend beurteilt wird, dass sich der Fehler in einem schnellen Entwicklungsstadium befindet, kann das Schutzsystem direkt einen Auslösebefehl erteilen oder das Stabilitätskontrollsystem zur Übertragung der Last verknüpfen, ohne sich auf herkömmliche Differentialkriterien verlassen zu müssen. Basierend auf dem Prinzip der Phasenfolge-Differenzstromcharakteristikunterschiede kann beispielsweise die Wirkungszeit des Fehlerschutzes zwischen den Windungen auf etwa 20 Millisekunden verkürzt werden; oder die Schall-, Licht- und elektrischen multiphysikalischen Eigenschaften etwa 100 Millisekunden vor dem Fehlerausfall können verwendet werden, um eine präzise Beseitigung des „Fehlerknospungsstadiums“ zu erreichen.

3. Stufe 3: Verbesserung der Leistung des herkömmlichen Störlichtbogenschutzes (unterliegende Schutzschicht)

Bei aufgetretenen Störlichtbögen werden Empfindlichkeit und Schnelligkeit des herkömmlichen Schutzes durch neue Prinzipien verbessert. Beispielsweise kann die Kernsättigungserkennungstechnologie, die auf der Schätzung der Hauptflussverknüpfung basiert, den Einschaltstrom der Erregung und den Fehlerstrom effektiv identifizieren und so einen schnellen Differentialschutz ohne Blockierung des Einschaltstroms realisieren. Der leichte Kurzschlussschutz zwischen den Windungen, der auf magnetischen Streuflusseigenschaften basiert, löst das Problem der unzureichenden Empfindlichkeit des herkömmlichen Differentialschutzes für hochohmige Kurzschlüsse zwischen den Windungen.

V. Umfassende Maßnahmen für einen sicheren Betrieb

Um den sicheren Betrieb von Transformatoren zu gewährleisten, ist eine mehrstufige und umfassende Managementstrategie erforderlich:

• Routinemäßige Inspektion und Wartung: Führen Sie regelmäßig eine Inspektion des Aussehens, Ölprobentests, Erdungstests usw. durch, um eine gute Betriebsumgebung des Transformators aufrechtzuerhalten.
• Alterungsmanagement der Isolierung: Überwachen Sie den Status von Isoliermaterialien, bewerten Sie die verbleibende Lebensdauer und vereinbaren Sie sinnvolle Wartungs- oder Austauschpläne.
• Überlast- und Überhitzungsschutz: Durch Lastmanagement und Optimierung des Kühlsystems verhindern Sie eine langfristige Überlastung des Transformators oder einen übermäßigen Temperaturanstieg.
• Notfallplan: Entwickeln Sie einen schnellen Reaktionsprozess bei plötzlichen Ausfällen, um die Stromausfallzeit zu verkürzen und Verluste zu reduzieren.

VI. Zukünftige Entwicklungstrends

Mit der Entwicklung der künstlichen Intelligenz und der Internet-of-Things-Technologie entwickelt sich der aktive Transformatorschutz in Richtung „Digital Twin + adaptive Steuerung“:

* Digitaler Zwilling: Erstellen Sie eine virtuell-reale Abbildung des Multiphysik-Simulationsmodells des Transformators und der Echtzeitdaten, leiten Sie dynamisch den Fehlerentwicklungspfad ab, sagen Sie die verbleibende Lebensdauer (RUL) voraus und stellen Sie eine quantitative Grundlage für proaktive Interventionen bereit.

* Adaptiver Schutz: Das Schutzgerät verlässt sich nicht mehr auf feste Schwellenwerte, sondern passt den Schutzeinstellwert oder die Verzögerung basierend auf der Echtzeit-Betriebslastrate, der Umgebungstemperatur, dem Isolationsstatus usw. dynamisch an, um Fehlfunktionen zu verhindern und gleichzeitig die Belastbarkeit der Ausrüstung zu maximieren.

* Intelligente KI-Diagnose: Verwendung von Deep-Learning-Algorithmen wie CNN und LSTM zur automatischen Identifizierung von Teilentladungsmustern (PRPD) und Vibrationsgeräuschen, wodurch die Kosten für manuelle Analysen gesenkt und die Erkennungsrate schwacher Fehlerzeichen verbessert werden.

Abschluss

Aktiver Schutz und sicherer Betrieb von Leistungstransformatoren sind im Wesentlichen systematische Projekte, die die Sicherheitsverteidigungslinie vorantreiben. Es erfordert, dass wir uns von einem einzelnen Relaisschutzdenken zu einem Technologiesystem mit vollständiger Kette aus „Panoramaerkennung, intelligenter Diagnose, aktiver Blockierung und Selbstheilungssteuerung“ entwickeln. Durch die Integration fortschrittlicher Sensortechnologie, Multiphysik-Simulation, künstlicher Intelligenz und neuer Schutzprinzipien, um eine transparente Verwaltung des internen Status des Transformators und eine präzise Kontrolle der Fehlerentwicklung zu erreichen, können wir das Auftreten bösartiger Deflagrationsunfälle grundlegend eindämmen und eine solide Barriere für den sicheren und stabilen Betrieb neuer Energiesysteme aufbauen.