Monitoraggio online dei trasformatori a secco

发布时间：IL SUO NOME È UN'ALTRA COSA.29 settembre 2025 15:36:17

I trasformatori a secco sono ampiamente utilizzati nei grattacieli, nei trasporti ferroviari urbani, nei centri dati e in altri scenari con requisiti rigorosi per la sicurezza dell'alimentazione, grazie al loro funzionamento senza olio, all'eccellente resistenza al fuoco e ai bassi requisiti di manutenzione. I suoiTecnologia di monitoraggio onlineGrazie alla raccolta in tempo reale dei parametri chiave durante il funzionamento delle apparecchiature, è possibile identificare e segnalare tempestivamente i guasti nascosti per evitare tempi di inattività non pianificati, il che rappresenta il mezzo tecnico fondamentale per garantire il funzionamento continuo e affidabile del sistema elettrico. Di seguito viene fornita una descrizione completa dei parametri fondamentali e dello scopo del monitoraggio, dei principi chiave della tecnologia di monitoraggio, della composizione del sistema, del valore applicativo, delle tendenze di sviluppo e delle considerazioni sull'applicazione.

I. Parametri di monitoraggio fondamentali e scopo del monitoraggio

I guasti nei trasformatori a secco sono per lo più generati conAumento anomalo della temperatura, comparsa di scariche parziali, deterioramento delle proprietà di isolamento, deviazione dei parametri elettrici.A questo proposito, per raggiungere l'obiettivo di “diagnosi precoce, diagnosi accurata e trattamento tempestivo”, è necessario effettuare il monitoraggio online dei seguenti parametri fondamentali:
Parametri di monitoraggio
Scopi principali del monitoraggio
Tipi di guasto associati
Temperatura di avvolgimento
Impedisce il surriscaldamento dell'avvolgimento con conseguente invecchiamento accelerato del materiale isolante ed evita i cortocircuiti da giro a giro.
Sovraccarico dell'apparecchiatura, guasto della ventola di raffreddamento, danni all'isolamento dell'avvolgimento turn-to-turn
Temperatura del nucleo
Evitare il surriscaldamento locale causato dalla messa a terra multipla del nucleo in ferro e l'aumento anomalo della perdita della lamiera di acciaio al silicio
Scarsa messa a terra del nucleo, laminazioni del nucleo allentate o danneggiate
scarica parziale
Individuazione dei difetti interni del sistema di isolamento (ad es. intercapedini d'aria, crepe) per prevenire i guasti all'isolamento
Invecchiamento dei materiali isolanti, sporcizia della superficie di avvolgimento, difetti del processo di produzione
Resistenza di isolamento / Perdita dielettrica
Valutare le prestazioni complessive del sistema di isolamento e determinare il grado di umidità e di invecchiamento dell'isolamento.
Umidità dell'isolamento, scorrimento superficiale, deterioramento delle proprietà del materiale isolante
Corrente / tensione di carico
Monitoraggio del carico effettivo dell'apparecchiatura e analisi dell'impatto dello squilibrio di corrente sull'apparecchiatura.
Squilibrio del carico trifase, shock da cortocircuito esterno, funzionamento in sovraccarico
Temperatura e umidità ambientale
Corregge i dati di monitoraggio della temperatura (la temperatura ambiente influisce direttamente sull'efficienza di raffreddamento dell'apparecchiatura) per segnalare l'umidità dell'isolamento causata da ambienti ad alta umidità.
L'eccessiva umidità ambientale provoca lo scorrimento dell'isolamento e il degrado delle prestazioni isolanti.

II. Principi chiave della tecnologia di monitoraggio

I diversi parametri di monitoraggio devono essere combinati con le caratteristiche strutturali del trasformatore a secco (senza olio, raffreddato ad aria o raffreddato ad aria forzata) per selezionare la tecnologia adeguata a garantire l'accuratezza e la stabilità dei dati di monitoraggio; il principio tecnico specifico è il seguente:

1. Monitoraggio della temperatura: combinazione di diretto e indiretto, per eliminare i punti ciechi della misurazione della temperatura.

Gli avvolgimenti dei trasformatori a secco sono incapsulati con resina epossidica; il metodo tradizionale di misurazione della temperatura di contatto è limitato dalla struttura dell'incapsulamento ed è necessaria una combinazione di “misurazione indiretta della temperatura + misurazione diretta della temperatura”:
  • Termometria indiretta (termometria a infrarossi)：
Il sensore di temperatura a infrarossi riceve l'energia infrarossa irradiata dalla superficie dell'avvolgimento o dalla parte esposta del nucleo e calcola il valore di temperatura corrispondente in base alla legge della radiazione del corpo nero. Questa tecnologia è facile da installare senza distruggere la struttura dell'apparecchiatura; tuttavia, è suscettibile alla polvere ambientale e alle interferenze luminose e richiede una pulizia e una manutenzione regolari della lente del sensore.
  • Misura diretta della temperatura (misura della temperatura a fibre ottiche fluorescenti)：
La sonda di rilevamento della temperatura del sensore a fibra ottica fluorescente è incorporata o incollata nell'area del punto caldo all'interno dell'avvolgimento e l'estremità ricevente del sensore è collegata al demodulatore di temperatura. Durante il funzionamento, il demodulatore invia una luce di eccitazione a impulsi ultravioletti attraverso la fibra ottica alla sonda di rilevamento della temperatura, stimolando il materiale fluorescente nella sonda a produrre fluorescenza; dopo l'interruzione della luce di eccitazione, il bagliore della fluorescenza viene ritrasmesso al demodulatore attraverso la fibra ottica e quindi convertito in segnali elettrici dall'elemento di conversione fotoelettrica, quindi la durata della fluorescenza viene calcolata attraverso l'MCU e l'uscita finale del valore della temperatura si basa sulla relazione corrispondente tra la durata della fluorescenza e la temperatura. Questa tecnologia ha una forte resistenza alle interferenze elettromagnetiche (la fibra ottica non è fatta di materiale conduttore), una precisione di misurazione della temperatura di ± 0,5 ℃ e una velocità di risposta elevata.
  • Monitoraggio ausiliario (stato del sistema di raffreddamento)：
Raccoglie in modo sincrono i segnali di corrente e velocità di funzionamento della ventola del sistema di raffreddamento ad aria forzata (AF) e determina la presenza di eventuali guasti, come il blocco e l'avaria della ventola, attraverso la variazione del valore di corrente e della velocità anomala, in modo da garantire che il sistema di raffreddamento svolga normalmente il ruolo di dissipazione del calore.

2. Monitoraggio delle scariche parziali: attenzione alle questioni di anti-interferenza

I trasformatori a secco funzionano in un ambiente ad alta tensione, l'ampiezza del segnale di scarica locale è debole (di solito da decine a migliaia di picocurie) e suscettibile alle armoniche di rete, alle operazioni di commutazione e ad altre interferenze elettromagnetiche, per cui è necessaria una combinazione di tecnologie di “acquisizione del segnale + elaborazione anti-interferenza” per ottenere un monitoraggio efficace:
  • Metodo di acquisizione del segnale：
    • Metodo ad altissima frequenza (UHF): i sensori UHF sono utilizzati per catturare i segnali di onde elettromagnetiche UHF a 300MHz~3GHz generati dalla scarica parziale, che hanno meno segnali di interferenza, una forte capacità anti-interferenza e possono essere realizzati da un array di sensori multipli per localizzare la posizione della scarica;
    • Metodo della corrente a radiofrequenza (RFCT): nel set di sensori RFCT della linea di messa a terra del trasformatore, la raccolta di scariche parziali generate dal segnale di corrente a radiofrequenza, l'installazione non richiede la modifica del corpo dell'apparecchiatura, applicabile alla trasformazione dell'apparecchiatura è stata messa in funzione;
    • Metodo a ultrasuoni: l'uso di sensori a ultrasuoni per ricevere l'onda di vibrazione meccanica a 20kHz~200kHz generata dallo scarico parziale, può aiutare a localizzare il punto di scarico, ma è vulnerabile alle vibrazioni del corpo dell'apparecchiatura e alle interferenze del rumore ambientale.
  • tecnologia anti-interferenza：
A livello hardware, si utilizzano filtri passa-banda e cavi schermati per sopprimere i segnali di interferenza; a livello software, si utilizzano la trasformata wavelet, il denoising a soglia, la decomposizione del valore singolare e altri algoritmi per elaborare i segnali raccolti, eliminare le componenti di interferenza ed estrarre i segnali di scarica locali effettivi.

3. Monitoraggio delle prestazioni dell'isolamento: valutazione delle tendenze di invecchiamento dell'isolamento

I materiali isolanti dei trasformatori a secco (resina epossidica, fibra di vetro) sono soggetti a temperatura, campo elettrico e umidità a lungo termine e devono essere monitorati in base ai seguenti parametri per valutare lo stato del sistema di isolamento:
  • Monitoraggio della resistenza di isolamento：
Utilizzando un tester di resistenza di isolamento in linea, la resistenza di isolamento degli avvolgimenti verso terra e tra gli avvolgimenti viene misurata applicando un'alta tensione continua specifica (ad esempio 10kV) agli avvolgimenti quando il trasformatore è fuori tensione o funziona a basso carico (per ridurre le interferenze del campo elettrico). Se il valore della resistenza di isolamento scende al di sotto di 1/3 del valore standard, ciò indica che potrebbero esserci problemi di umidità o di invecchiamento nel sistema di isolamento.
  • Monitoraggio del fattore di perdita dielettrica (tanδ)：
Attraverso il tester di perdita dielettrica ad alta tensione per applicare l'alta tensione CA, misurare il materiale isolante nel campo elettrico sotto l'azione della perdita di energia, espressa in valore tanδ. Il valore tanδ è più grande, cioè la perdita di isolamento è più grave, più alto è il grado di invecchiamento; il trasformatore di tipo secco a temperatura ambiente il valore tanδ di solito deve essere controllato in 0,005 o meno.

4. Monitoraggio dei parametri elettrici: controllo in tempo reale dei carichi operativi delle apparecchiature.

I segnali di corrente e tensione trifase vengono raccolti attraverso il trasformatore di corrente (CT) e il trasformatore di tensione (PT), e la potenza, il fattore di potenza, il fattore di carico e altri parametri vengono calcolati combinando il modulo di raccolta intelligente della potenza:
  • Quando il fattore di carico supera il valore nominale (100%) per un lungo periodo di tempo, è necessario un avviso di sovraccarico per evitare il surriscaldamento dell'avvolgimento;
  • Quando lo squilibrio di corrente trifase supera 10%, suggerisce che la distribuzione del carico non è uniforme e che il carico deve essere regolato per evitare un aumento della perdita del nucleo e un surriscaldamento locale.

III. Componenti del sistema di monitoraggio online

Il sistema completo di monitoraggio online per trasformatori a secco è composto daLivello di rilevamento, livello di trasporto, livello di analisi, livello di applicazioneSi compone di quattro livelli, formando un meccanismo di funzionamento a ciclo chiuso di “raccolta dati - trasmissione - analisi - allarme rapido”:

1. Strato percettivo: la base per la raccolta dei dati

Si tratta di vari tipi di sensori e moduli di acquisizione dati, che devono soddisfare i requisiti di isolamento e le prestazioni anti-interferenza in ambienti ad alta tensione:
  • Sensori di temperatura: sensori a fibre ottiche fluorescenti, sensori di temperatura a infrarossi, sensori di resistenza al platino (PT100);
  • Sensori di scarica parziale: sensori UHF, sensori RFCT, sensori a ultrasuoni;
  • Acquisizione dei parametri elettrici: trasformatore di corrente (CT), trasformatore di tensione (PT), modulo di acquisizione intelligente della potenza;
  • Sensori ambientali: sensori di temperatura e umidità (ad es. SHT30, AHT21).

2. Livello di trasporto: canali di trasmissione dei dati

È responsabile della trasmissione dei dati grezzi raccolti nel livello di rilevamento al livello di analisi e deve garantire la stabilità e la sicurezza della trasmissione dei dati:
  • trasmissione via cavoAdotta un cavo schermato a doppino intrecciato (secondo il protocollo di comunicazione RS485) ed Ethernet (protocollo TCP/IP), adatto all'installazione fissa e alle scene con minori interferenze elettromagnetiche (ad esempio una sottostazione interna), con una velocità di trasmissione stabile e una forte capacità anti-interferenza;
  • trasmissione wirelessAdotta tecnologie di comunicazione wireless come LoRa, 4G/5G, Wi-Fi, ecc. È adatto a sottostazioni esterne o a scenari di alimentazione temporanea in cui il cablaggio è difficile, e deve adottare l'algoritmo di crittografia AES per garantire la sicurezza della trasmissione dei dati e, allo stesso tempo, verificare la capacità di penetrazione del segnale per soddisfare i requisiti di trasmissione.

3. Strato analitico: nucleo di elaborazione dei dati

È costituito da un gateway di edge computing o da un server cloud, che elabora e analizza i dati grezzi attraverso algoritmi per determinare lo stato operativo del dispositivo:
  • Preelaborazione dei datiPer ridurre l'impatto degli errori dei sensori e dei disturbi ambientali sui dati, vengono utilizzati il rifiuto degli outlier (ad esempio, il criterio 3σ), il filtraggio di smoothing (ad esempio, la media scorrevole) e la normalizzazione dei dati;
  • Algoritmi di diagnosi dei guasti：
    • Metodo di confronto delle soglie: confrontare i dati di monitoraggio in tempo reale con le soglie specificate dagli standard nazionali e dai produttori di apparecchiature (ad esempio 100K per l'aumento della temperatura degli avvolgimenti) e attivare l'avviso in caso di superamento delle soglie;
    • Metodo di analisi delle tendenze: adattamento di curve di tendenza (ad esempio, curve di variazione mensile dei valori di perdita dielettrica) attraverso i dati storici per prevedere l'andamento delle variazioni dei parametri e identificare i primi segni di deterioramento;
    • Metodo di diagnostica intelligente: combinazione di algoritmi di intelligenza artificiale come reti neurali e foreste casuali, fusione di dati multiparametrici come temperatura, scarica parziale, carico, ecc. per realizzare l'identificazione del tipo di guasto (ad esempio, “temperatura anormalmente elevata dell'avvolgimento + aumento della scarica locale = pericolo nascosto di cortocircuito intertestuale”).

4. Livello applicativo: interfaccia di interazione con l'utente

Visualizzare i risultati del monitoraggio e fornire funzioni operative agli utenti attraverso terminali di monitoraggio locali, piattaforme web e APP mobili:
  • monitoraggio in tempo realeVisualizzazione dei valori in tempo reale e delle curve di variazione di ciascun parametro (ad esempio, la curva della serie temporale della temperatura dell'avvolgimento);
  • segnalazione precoce di malfunzionamentoInformare gli utenti della posizione del guasto e del livello di avviso (avviso generale, avviso grave) mediante allarmi sonori e luminosi, SMS / APP push;
  • Ricerca storicaMemorizza 1~3 anni di dati storici di monitoraggio, supporta l'esportazione dei dati e la generazione di rapporti (ad es. rapporto mensile di funzionamento);
  • telecomandoCollegamento con la ventola di raffreddamento, l'interruttore automatico e altre apparecchiature per ottenere un controllo automatico (ad esempio, avvio automatico della ventola di raffreddamento quando la temperatura dell'avvolgimento supera gli 80°C).

IV. Valore delle applicazioni di monitoraggio online

Rispetto alla tradizionale modalità di “ispezione periodica”, la tecnologia di monitoraggio online dei trasformatori a secco può apportare notevoli vantaggi economici e di sicurezza:
  1. Evitare guasti improvvisi e ridurre le perdite per interruzione di servizio：
Identificazione precoce dell'invecchiamento dell'isolamento, delle scariche parziali e di altri pericoli nascosti (ad esempio, un aumento improvviso della quantità di scariche parziali di solito indica che la rottura dell'isolamento può verificarsi entro 1-3 mesi), in modo da riservare tempo per gli interventi di manutenzione, evitando interruzioni della produzione dovute a guasti improvvisi delle apparecchiature (ad esempio, le interruzioni dell'alimentazione nel data center possono causare perdite economiche di centinaia di migliaia di dollari all'ora).
  1. Riduzione delle revisioni cieche e dei costi di manutenzione：
L'ispezione tradizionale si basa sull'esperienza manuale ed è soggetta a problemi di “revisione” (ad esempio, la sostituzione di componenti che non hanno raggiunto la fine della loro vita utile) o di “perdita”; il monitoraggio online si basa sullo stato operativo effettivo dell'apparecchiatura per formulare un piano di ispezione (ad esempio, l'estensione del ciclo di ispezione quando l'indice di resistenza dell'isolamento è normale), riducendo il numero di ispezioni e il costo dell'investimento. Il monitoraggio online può ridurre il numero di ispezioni e i costi di investimento.
  1. Prolungare la vita delle apparecchiature e migliorare l'efficienza degli asset：
Grazie al monitoraggio in tempo reale del carico e della temperatura, evita il sovraccarico o il surriscaldamento a lungo termine delle apparecchiature, rallenta l'invecchiamento dei materiali isolanti (i dati della ricerca dimostrano che per ogni riduzione di 10℃ della temperatura degli avvolgimenti, la durata dell'isolamento può essere prolungata di 1 volta), prolunga la vita utile dei trasformatori di 5-8 anni e migliora l'efficienza dell'utilizzo delle risorse.
  1. Migliorare la sicurezza del sistema ed evitare incidenti di sicurezza：
Sebbene nei trasformatori a secco non vi sia alcun rischio di incendio da perdita d'olio, l'invecchiamento dell'isolamento può causare un incendio da cortocircuito; il sistema di monitoraggio online può essere collegato alla fase iniziale dell'interruttore di guasto per interrompere l'alimentazione, per evitare incendi, esplosioni e altri incidenti di sicurezza.

V. Tendenze dello sviluppo tecnologico

Con il passaggio del sistema energetico a “intelligente, digitale”, la tecnologia di monitoraggio online dei trasformatori a secco presenta la seguente direzione di sviluppo:
  1. Monitoraggio di fusione multiparametrica：
Un singolo parametro non può riflettere completamente lo stato di funzionamento dell'apparecchiatura, il futuro prevede l'analisi di fusione multiparametrica “temperatura + scarica locale + isolamento + vibrazione”, attraverso l'algoritmo AI per costruire l“”indice di salute" dell'apparecchiatura, per migliorare l'accuratezza della diagnosi dei guasti.
  1. Tecnologie di rilevamento wireless e a bassa potenza：
I sensori cablati tradizionali presentano un'elevata complessità di installazione. In futuro, i sensori wireless passivi (ad esempio, i sensori basati sull'induzione elettromagnetica e sulla raccolta dell'energia di vibrazione) saranno utilizzati più spesso per ridurre i costi di installazione e saranno adatti ai progetti di retrofitting dei vecchi trasformatori.
  1. Tecnologia Digital Twin：
Costruire un modello gemello digitale di trasformatore a secco, combinare i dati di monitoraggio online con il modello fisico, simulare lo stato di funzionamento dell'apparecchiatura in base a diversi carichi e condizioni ambientali e realizzare la gestione dell'intero ciclo di vita di “simulazione dei guasti - allarme precoce - ottimizzazione dello schema di ispezione e manutenzione”.
  1. Edge Computing e collaborazione nel cloud：
Adottando la modalità “edge computing gateway preprocessing data + cloud big data analysis”, riduce la quantità di trasmissione dei dati (caricando solo i dati anomali sul bordo), migliora la capacità di risposta in tempo reale (il controllo del collegamento locale delle apparecchiature può essere realizzato sul bordo) e, allo stesso tempo, utilizza la potenza di calcolo del cloud per ottenere la diagnosi collaborativa di più apparecchiature (ad esempio, l'analisi comparativa dello stato di più trasformatori nella regione).

VI. Considerazioni sull'applicazione

  1. Adattamento del sensore：
I sensori ad alta tensione devono soddisfare i requisiti del corrispondente livello di isolamento (ad esempio, il livello di isolamento del sensore del trasformatore da 10kV è ≥ 35kV), per evitare incidenti di sicurezza causati da un isolamento insufficiente; i sensori per esterni devono avere un livello di protezione IP65 o superiore, per garantire le prestazioni di impermeabilità e resistenza alla polvere.
  1. design anti-interferenza：
I cavi dei sensori devono essere schermati, evitando la posa in parallelo con cavi ad alta tensione (distanza ≥ 0,5 m); le apparecchiature di monitoraggio delle scariche parziali devono essere lontane da convertitori di frequenza, generatori statici reattivi (SVG) e altre fonti armoniche per ridurre l'impatto delle interferenze elettromagnetiche.
  1. Manutenzione regolare della calibrazione：
I sensori devono essere calibrati ogni 1~2 anni (ad esempio, i sensori a fibre ottiche fluorescenti sono calibrati rispetto ai termometri standard) per evitare distorsioni dei dati di monitoraggio dovute alla deriva del sensore; la lente del sensore a infrarossi deve essere pulita regolarmente e la potenza del segnale della comunicazione wireless deve essere controllata.
  1. Garanzia di sicurezza dei dati：
Nel processo di trasmissione dei dati devono essere utilizzati algoritmi di crittografia come AES e la piattaforma cloud deve essere impostata con privilegi di accesso graduali (ad esempio, differenziazione dei privilegi per l'amministratore e per il personale addetto al funzionamento e alla manutenzione) per prevenire la perdita di dati o la manomissione dolosa.
In sintesi, la tecnologia di monitoraggio online dei trasformatori a secco è il supporto chiave per la realizzazione del “mantenimento dello stato” delle apparecchiature elettriche, che può migliorare significativamente l'affidabilità e l'economia del sistema elettrico raccogliendo accuratamente i parametri chiave e analizzando in modo intelligente lo stato delle apparecchiature. Con il continuo perfezionamento della tecnologia, la sua applicazione nella smart grid e nei nuovi sistemi di alimentazione sarà sempre più estesa.