Surveillance en ligne des transformateurs à sec

Les transformateurs à sec sont largement utilisés dans les immeubles de grande hauteur, les transports ferroviaires urbains, les centres de données et d'autres scénarios présentant des exigences strictes en matière de sécurité de l'alimentation électrique, en raison de leur fonctionnement sans huile, de leur excellente résistance au feu et de leur faible besoin de maintenance. SesTechnologie de surveillance en ligneGrâce à la collecte en temps réel des paramètres clés pendant le fonctionnement de l'équipement, il est possible d'identifier et d'alerter rapidement les défauts cachés afin d'éviter les temps d'arrêt non planifiés, ce qui constitue le principal moyen technique de garantir le fonctionnement continu et fiable du système électrique. Ce qui suit est une description complète des paramètres clés et de l'objectif de la surveillance, des principes clés de la technologie de surveillance, de la composition du système, de la valeur de l'application, des tendances de développement et des considérations relatives à l'application.

I. Principaux paramètres de surveillance et objectif de la surveillance

Les défauts dans les transformateurs de type sec sont principalement générés parAugmentation anormale de la température, apparition de décharges partielles, détérioration des propriétés d'isolation, déviation des paramètres électriquesDans ce contexte, une surveillance en ligne doit être effectuée pour les paramètres essentiels suivants afin d'atteindre l'objectif d'une "détection précoce, d'un diagnostic précis et d'un traitement opportun" :

Paramètres de surveillance	Objectifs principaux de la surveillance	Types de fautes associées
Température d'enroulement	Empêche la surchauffe de l'enroulement qui entraîne un vieillissement accéléré du matériau isolant et évite les défauts de court-circuit tour à tour.	Surcharge de l'équipement, défaillance du ventilateur de refroidissement, endommagement de l'isolation tour à tour du bobinage
Température à cœur	Éviter la surchauffe locale causée par la mise à la terre multipoint du noyau de fer et l'augmentation anormale de la perte de la tôle d'acier au silicium	Mauvaise mise à la terre du noyau, laminations du noyau desserrées ou endommagées
décharge partielle	Identification des défauts internes du système d'isolation (par exemple, fentes d'air, fissures) afin de prévenir les défaillances de l'isolation.	Vieillissement des matériaux d'isolation, salissures à la surface du bobinage, défauts du processus de fabrication
Résistance d'isolation / Perte diélectrique	Évaluer la performance globale du système d'isolation et déterminer le degré d'humidité et de vieillissement de l'isolation.	Humidité de l'isolation, fluage de la surface, détérioration des propriétés des matériaux isolants
Courant de charge / tension	Contrôle de la charge réelle de l'équipement et analyse de l'impact du déséquilibre du courant sur l'équipement	Déséquilibre de la charge triphasée, choc de court-circuit externe, fonctionnement en surcharge
Température et humidité ambiantes	Corrige les données de surveillance de la température (la température ambiante affecte directement l'efficacité du refroidissement de l'équipement) afin d'avertir de l'humidité de l'isolation causée par des environnements très humides.	Une humidité ambiante excessive provoque un fluage de l'isolation et une dégradation de ses performances.

II. Principes clés de la technologie de surveillance

Les différents paramètres de surveillance doivent être combinés avec les caractéristiques structurelles du transformateur à sec (sans huile, refroidi par air ou refroidi par air forcé) pour sélectionner la technologie appropriée afin de garantir la précision et la stabilité des données de surveillance, le principe technique spécifique étant le suivant :

1. contrôle de la température : combinaison de mesures directes et indirectes, éliminant les angles morts de la mesure de la température

Les enroulements des transformateurs à sec sont encapsulés dans de la résine époxy, la méthode traditionnelle de mesure de la température de contact est limitée par la structure de l'encapsulation, et une combinaison de "mesure indirecte de la température + mesure directe de la température" est nécessaire :

Le capteur de température infrarouge reçoit l'énergie infrarouge rayonnée par la surface de l'enroulement ou la partie exposée du noyau, et calcule la valeur de température correspondante selon la loi du rayonnement du corps noir. Cette technologie est facile à installer sans détruire la structure de l'équipement ; cependant, elle est sensible à la poussière et aux interférences lumineuses de l'environnement et nécessite un nettoyage et un entretien réguliers de la lentille du capteur.

La sonde de détection de la température du capteur à fibre optique fluorescente est intégrée ou collée dans la zone du point chaud à l'intérieur de l'enroulement, et l'extrémité réceptrice du capteur est connectée au démodulateur de température. Lorsqu'il fonctionne, le démodulateur envoie une impulsion de lumière UV à travers la fibre optique vers la sonde de détection de température, et excite le matériau fluorescent dans la sonde pour produire une fluorescence ; après l'arrêt de la lumière d'excitation, la rémanence de la fluorescence est transmise au démodulateur à travers la fibre optique, puis convertie en un signal électrique par l'élément de conversion photoélectrique, puis la durée de vie de la fluorescence est calculée par le MCU, et la valeur de la température est émise en fonction de la relation correspondante entre la durée de vie de la fluorescence et la température. Cette technologie présente une forte résistance aux interférences électromagnétiques (la fibre optique n'est pas constituée d'un matériau conducteur), une précision de mesure de la température de ± 0,5 ℃ et une vitesse de réponse rapide.

Il collecte de manière synchrone les signaux de courant et de vitesse de fonctionnement du ventilateur du système de refroidissement à air pulsé (AF) et détermine s'il y a des défauts tels que le blocage et la défaillance du ventilateur par le biais du changement de la valeur du courant et de la vitesse anormale, de manière à garantir que le système de refroidissement joue normalement son rôle de dissipation de la chaleur.

2. le contrôle des décharges partielles : l'accent est mis sur les questions d'anti-interférence

Les transformateurs à sec fonctionnent dans un environnement à haute tension, l'amplitude du signal de décharge local est faible (généralement des dizaines à des milliers de picocuries), et ils sont sensibles aux harmoniques du réseau, aux opérations de commutation et à d'autres interférences électromagnétiques, d'où la nécessité de combiner les technologies "acquisition de signaux + traitement anti-interférences" pour parvenir à une surveillance efficace :

Au niveau matériel, des filtres passe-bande et des câbles blindés sont utilisés pour supprimer les signaux d'interférence ; au niveau logiciel, la transformée en ondelettes, le débruitage par seuil, la décomposition en valeurs singulières et d'autres algorithmes sont utilisés pour traiter les signaux collectés, éliminer les composants d'interférence et extraire les signaux de décharge locaux efficaces.

3. contrôle des performances de l'isolation : évaluation des tendances de vieillissement de l'isolation

Les matériaux d'isolation des transformateurs à sec (résine époxy, fibre de verre) sont soumis à long terme à la température, au champ électrique, à l'humidité et au vieillissement ; il faut donc surveiller les paramètres suivants pour évaluer l'état du système d'isolation :

À l'aide d'un testeur de résistance d'isolement en ligne, la résistance d'isolement des enroulements à la terre et entre les enroulements est mesurée en appliquant une haute tension continue spécifiée (par exemple 10 kV) aux enroulements lorsque le transformateur est hors tension ou fonctionne à faible charge (pour réduire les interférences de champ électrique). Lorsque la valeur de la résistance d'isolement tombe en dessous de 1/3 de la valeur standard, cela indique qu'il peut y avoir des problèmes d'humidité ou de vieillissement dans le système d'isolation.

Le testeur de perte diélectrique haute tension permet d'appliquer une haute tension alternative, de mesurer le matériau d'isolation dans le champ électrique sous l'action de la perte d'énergie, exprimée en valeur tanδ. La valeur tanδ est plus grande, ce qui indique que la perte d'isolation est plus grave, plus le degré de vieillissement est élevé ; la valeur tanδ des transformateurs à sec à température ambiante doit généralement être contrôlée dans les 0,005 ou moins.

4. la surveillance des paramètres électriques : contrôle en temps réel des charges de fonctionnement de l'équipement

Les signaux de courant et de tension triphasés sont collectés par le transformateur de courant (CT) et le transformateur de tension (PT), et la puissance, le facteur de puissance, le facteur de charge et d'autres paramètres sont calculés en combinant le module de collecte de puissance intelligent :

III. Composants du système de surveillance en ligne

Le système complet de surveillance en ligne des transformateurs à sec comprend les éléments suivantsCouche de détection, couche de transport, couche d'analyse, couche d'applicationIl se compose de quatre couches, formant un mécanisme de fonctionnement en boucle fermée de "collecte de données - transmission - analyse - alerte précoce" :

1) Couche sensorielle : la base de la collecte de données

Il se compose de différents types de capteurs et de modules d'acquisition de données, qui doivent répondre aux exigences d'isolation et aux performances anti-interférences dans un environnement à haute tension :

2. couche transport : canaux de transmission des données

Elle est chargée de transmettre les données brutes collectées par la couche de détection à la couche d'analyse, et la stabilité et la sécurité de la transmission des données doivent être garanties :

3. couche analytique : noyau de traitement des données

Il se compose d'une passerelle informatique périphérique ou d'un serveur en nuage, qui traite et analyse les données brutes au moyen d'algorithmes afin de déterminer l'état de fonctionnement de l'appareil :

4. couche d'application : interface d'interaction avec l'utilisateur

Afficher les résultats de la surveillance et fournir des fonctions d'exploitation aux utilisateurs par le biais de terminaux de surveillance locaux, de plates-formes Web et d'applications mobiles :

Valeur des applications de surveillance en ligne

Par rapport au mode traditionnel d'"inspection périodique", la technologie de surveillance en ligne des transformateurs à sec peut apporter des avantages significatifs sur le plan de la sécurité et de l'économie :

Identification précoce du vieillissement de l'isolation, des décharges partielles et d'autres dangers cachés (par exemple, une augmentation soudaine de la quantité de décharges partielles indique généralement que la rupture de l'isolation peut se produire dans un délai de 1 à 3 mois), de manière à réserver du temps pour les travaux de maintenance, en évitant les interruptions de production dues à des défaillances soudaines de l'équipement (par exemple, les coupures de courant dans le centre de données peuvent entraîner des centaines de milliers de dollars de pertes économiques par heure).

L'inspection traditionnelle repose sur l'expérience manuelle et est sujette à des problèmes de "révision" (par exemple, le remplacement de composants qui n'ont pas atteint la fin de leur durée de vie) ou de "fuite" ; la surveillance en ligne se base sur l'état de fonctionnement réel de l'équipement pour formuler un plan d'inspection (par exemple, l'extension du cycle d'inspection lorsque l'indice de résistance d'isolation est normal), ce qui réduit le nombre d'inspections et le coût de l'investissement. La surveillance en ligne permet de réduire le nombre d'inspections et le coût de l'investissement.

Grâce à la surveillance en temps réel de la charge et de la température, il permet d'éviter les surcharges ou les surchauffes à long terme des équipements, de ralentir le vieillissement des matériaux d'isolation (des données de recherche montrent que pour chaque réduction de 10℃ de la température du bobinage, la durée de vie de l'isolation peut être prolongée d'une fois), d'allonger la durée de vie des transformateurs de 5 à 8 ans et d'améliorer l'efficacité de l'utilisation des actifs.

Bien qu'il n'y ait pas de risque d'incendie dû à une fuite d'huile dans les transformateurs de type sec, le vieillissement de l'isolation peut provoquer un incendie dû à un court-circuit ; le système de surveillance en ligne peut être relié au premier stade du disjoncteur de défaut pour couper l'alimentation électrique, afin d'éviter les incendies, les explosions et d'autres accidents liés à la sécurité.

V. Tendances en matière de développement technologique

Avec la transition du système électrique vers "l'intelligent, le numérique", la technologie de surveillance en ligne des transformateurs à sec présente l'orientation de développement suivante :

Un seul paramètre ne peut pas refléter entièrement l'état de fonctionnement de l'équipement. À l'avenir, l'analyse de fusion multiparamétrique "température + décharge locale + isolation + vibration" sera possible, grâce à l'algorithme d'intelligence artificielle, afin d'établir un "indice de santé" de l'équipement et d'améliorer la précision du diagnostic des pannes.

À l'avenir, les capteurs passifs sans fil (par exemple, les capteurs basés sur l'induction électromagnétique et la collecte de l'énergie vibratoire) seront plus souvent utilisés pour réduire les coûts d'installation et conviendront aux projets de modernisation des anciens transformateurs.

Construire un modèle numérique jumeau de transformateur à sec, combiner les données de surveillance en ligne avec le modèle physique, simuler l'état de fonctionnement de l'équipement sous différentes charges et conditions environnementales, et réaliser la gestion de l'ensemble du cycle de vie de la "simulation de défaillance - alerte précoce - optimisation du programme d'inspection et de maintenance".

En adoptant le mode "passerelle informatique périphérique de prétraitement des données + analyse des big data dans le nuage", il réduit la quantité de données transmises (en ne téléchargeant que les données anormales à la périphérie), améliore la capacité de réponse en temps réel (le contrôle des liens entre les équipements locaux peut être réalisé à la périphérie) et, en même temps, utilise la puissance de calcul du nuage pour réaliser un diagnostic collaboratif de plusieurs équipements (par exemple, analyse comparative de l'état de plusieurs transformateurs dans la région).

VI. considérations relatives à l'application

Les capteurs côté haute tension doivent répondre aux exigences correspondantes en matière de niveau d'isolation (par exemple, le niveau d'isolation du capteur du transformateur de 10kV ≥ 35kV), afin d'éviter les accidents de sécurité dus à une isolation insuffisante ; les capteurs extérieurs doivent avoir un niveau de protection IP65 ou supérieur, afin de garantir l'étanchéité à l'eau et à la poussière.

Les câbles des capteurs doivent être blindés et ne pas être posés en parallèle avec des câbles à haute tension (espacement ≥ 0,5 m) ; l'équipement de surveillance des décharges partielles doit être éloigné des convertisseurs de fréquence, des générateurs statiques réactifs (SVG) et d'autres sources d'harmoniques afin de réduire l'impact de l'interférence électromagnétique.

Les capteurs doivent être étalonnés tous les 1 à 2 ans (par exemple, les capteurs fluorescents à fibre optique sont étalonnés par rapport à des thermomètres standard) afin d'éviter la distorsion des données de surveillance due à la dérive du capteur ; la lentille du capteur infrarouge doit être nettoyée régulièrement et la force du signal de la communication sans fil doit être vérifiée.

Des algorithmes de cryptage tels que l'AES doivent être utilisés dans le processus de transmission des données, et la plateforme en nuage doit être configurée avec des privilèges d'accès gradués (par exemple, différenciation des privilèges de l'administrateur et du personnel d'exploitation et de maintenance) afin d'éviter les fuites de données ou les manipulations malveillantes.

En résumé, la technologie de surveillance en ligne des transformateurs à sec est un support essentiel pour la réalisation de la "maintenance de l'état" des équipements électriques, qui peut améliorer de manière significative la fiabilité et l'économie du système électrique en collectant avec précision les paramètres clés et en analysant intelligemment l'état de l'équipement. Au fur et à mesure de l'évolution de la technologie, son application dans le réseau intelligent et les nouveaux systèmes électriques sera de plus en plus étendue.