Monitoramento on-line de transformadores a seco

发布时间：29 de setembro de 2025 15:36:17

Os transformadores do tipo seco são amplamente utilizados em prédios altos, transporte ferroviário urbano, centros de dados e outros cenários com requisitos rigorosos de segurança de fornecimento de energia devido à sua operação sem óleo, excelente resistência ao fogo e baixa necessidade de manutenção. SeusTecnologia de monitoramento on-linePor meio da coleta em tempo real dos principais parâmetros durante a operação do equipamento, é possível identificar e alertar precocemente sobre falhas ocultas para evitar paradas não planejadas, o que é o principal meio técnico para garantir a operação contínua e confiável do sistema de energia. A seguir, apresentamos uma descrição abrangente dos principais parâmetros e da finalidade do monitoramento, dos principais princípios da tecnologia de monitoramento, da composição do sistema, do valor da aplicação, das tendências de desenvolvimento e das considerações sobre a aplicação.

I. Parâmetros principais de monitoramento e finalidade do monitoramento

As falhas em transformadores do tipo seco são geradas principalmente comAumento anormal da temperatura, ocorrência de descargas parciais, deterioração das propriedades de isolamento, desvio dos parâmetros elétricosEm relação a isso, o monitoramento on-line precisa ser realizado para os seguintes parâmetros principais, a fim de atingir a meta de “detecção precoce, diagnóstico preciso e tratamento oportuno”:
Parâmetros de monitoramento
Objetivos principais de monitoramento
Tipos de falhas associadas
Temperatura do enrolamento
Evita o superaquecimento do enrolamento, o que leva ao envelhecimento acelerado do material isolante, e evita falhas de curto-circuito entre voltas.
Sobrecarga do equipamento, falha do ventilador de resfriamento, danos no isolamento do enrolamento de volta a volta
Temperatura central
Evitar o superaquecimento local causado pelo aterramento multiponto do núcleo de ferro e pelo aumento anormal da perda da chapa de aço silício
Aterramento deficiente do núcleo, laminação do núcleo solta ou danificada
descarga parcial
Identificação de defeitos internos no sistema de isolamento (por exemplo, lacunas de ar, rachaduras) para evitar falhas no isolamento
Envelhecimento de materiais de isolamento, sujeira na superfície do enrolamento, defeitos no processo de fabricação
Resistência de isolamento / perda dielétrica
Avalie o desempenho geral do sistema de isolamento e determine o grau de umidade e envelhecimento do isolamento.
Umidade do isolamento, infiltração na superfície, deterioração das propriedades do material isolante
Corrente / tensão de carga
Monitorar a carga real do equipamento e analisar o impacto do desequilíbrio de corrente no equipamento
Desequilíbrio de carga trifásica, choque de curto-circuito externo, operação de sobrecarga
Temperatura e umidade ambiente
Corrige os dados de monitoramento de temperatura (a temperatura ambiente afeta diretamente a eficiência de resfriamento do equipamento) para alertar sobre a umidade do isolamento causada por ambientes de alta umidade
A umidade excessiva do ambiente provoca a fuga do isolamento e a degradação do desempenho do isolamento

II. Princípios-chave da tecnologia de monitoramento

Diferentes parâmetros de monitoramento precisam ser combinados com as características estruturais do transformador a seco (isento de óleo, resfriado a ar ou resfriado a ar forçado) para selecionar a tecnologia adequada para garantir a precisão e a estabilidade dos dados de monitoramento:

1) Monitoramento de temperatura: combinação de direto e indireto, eliminando os pontos cegos da medição de temperatura

Os enrolamentos de transformadores do tipo seco são encapsulados com resina epóxi, o método tradicional de medição de temperatura por contato é limitado pela estrutura de encapsulamento e é necessária uma combinação de “medição indireta de temperatura + medição direta de temperatura”:
  • Termometria indireta (termometria infravermelha)：
O sensor de temperatura por infravermelho recebe a energia infravermelha irradiada da superfície do enrolamento ou da parte exposta do núcleo e calcula o valor de temperatura correspondente de acordo com a lei de radiação do corpo negro. Essa tecnologia é fácil de instalar sem destruir a estrutura do equipamento; no entanto, ela é suscetível à poeira ambiental e à interferência da luz e exige limpeza e manutenção regulares da lente do sensor.
  • Medição direta de temperatura (medição de temperatura por fibra óptica fluorescente)：
A sonda de detecção de temperatura do sensor de fibra óptica fluorescente é embutida ou colada na área de ponto quente dentro do enrolamento, e a extremidade receptora do sensor é conectada ao demodulador de temperatura. Quando em funcionamento, o demodulador envia luz de excitação de pulso ultravioleta por meio da fibra óptica para a sonda de detecção de temperatura, estimulando o material fluorescente na sonda a produzir fluorescência; depois que a luz de excitação cessa, o brilho residual da fluorescência é transmitido de volta ao demodulador por meio da fibra óptica e, em seguida, convertido em sinais elétricos pelo elemento de conversão fotoelétrica e, então, a vida útil da fluorescência é calculada por meio do MCU, e a saída final do valor da temperatura é baseada na relação correspondente entre a vida útil da fluorescência e a temperatura. Essa tecnologia tem uma forte resistência à interferência eletromagnética (a fibra óptica não é feita de material condutor), uma precisão de medição de temperatura de ± 0,5 ℃ e uma velocidade de resposta rápida.
  • Monitoramento auxiliar (status do sistema de resfriamento)：
Coleta de forma síncrona os sinais de corrente e velocidade de operação do ventilador do sistema de resfriamento de ar forçado (AF) e determina se há falhas, como bloqueio e falha do ventilador, por meio da alteração do valor da corrente e da velocidade anormal, de modo a garantir que o sistema de resfriamento desempenhe normalmente a função de dissipação de calor.

2. monitoramento de descarga parcial: foco em questões anti-interferência

O transformador do tipo seco operando em um ambiente de alta tensão, a amplitude do sinal de descarga local é fraca (geralmente de dezenas a milhares de picocuries) e suscetível a harmônicos de rede, operações de comutação e outras interferências eletromagnéticas, sendo necessária a combinação de tecnologias de “aquisição de sinal + processamento anti-interferência” para obter um monitoramento eficaz:
  • Método de aquisição de sinal：
    • Método de frequência ultra-alta (UHF): os sensores UHF são usados para capturar os sinais de onda eletromagnética UHF de 300 MHz a 3 GHz gerados pela descarga parcial, que têm menos sinais de interferência, forte capacidade anti-interferência e podem ser realizados por uma matriz de vários sensores para localizar a posição da descarga;
    • Método de corrente de radiofrequência (RFCT): no conjunto de linha de aterramento do transformador do sensor RFCT, a coleta de descarga parcial gerada pelo sinal de corrente de radiofrequência, a instalação não precisa alterar o corpo do equipamento, aplicável à transformação do equipamento que foi colocado em projeto de operação;
    • Método ultrassônico: o uso de sensores ultrassônicos para receber ondas de vibração mecânica de 20kHz a 200kHz geradas por descarga parcial pode ajudar a localizar o ponto de descarga, mas é vulnerável à vibração do corpo do equipamento e à interferência do ruído ambiental.
  • tecnologia anti-interferência：
No nível do hardware, filtros passa-banda e cabos blindados são usados para suprimir os sinais de interferência; no nível do software, a transformação wavelet, a redução de limiar, a decomposição de valor singular e outros algoritmos são usados para processar os sinais coletados, eliminar os componentes de interferência e extrair os sinais de descarga locais efetivos.

3. monitoramento do desempenho do isolamento: avaliação das tendências de envelhecimento do isolamento

Os materiais de isolamento do transformador do tipo seco (resina epóxi, fibra de vidro) estão sujeitos à temperatura de longo prazo, ao campo elétrico e à umidade, e o envelhecimento ocorrerá, precisando ser monitorado pelos seguintes parâmetros para avaliar o estado do sistema de isolamento:
  • Monitoramento da resistência do isolamento：
Usando um testador de resistência de isolamento on-line, a resistência de isolamento dos enrolamentos ao terra e entre os enrolamentos é medida aplicando-se uma alta tensão CC especificada (por exemplo, 10kV) aos enrolamentos quando o transformador está desenergizado ou operando com carga baixa (para reduzir a interferência do campo elétrico). Quando o valor da resistência de isolamento cai abaixo de 1/3 do valor padrão, isso indica que pode haver problemas de umidade ou envelhecimento no sistema de isolamento.
  • Monitoramento do fator de perda dielétrica (tanδ)：
Por meio do testador de perda dielétrica de alta tensão para aplicar a alta tensão CA, meça o material de isolamento no campo elétrico sob a ação da perda de energia, expressa no valor tanδ. O valor tanδ é maior, ou seja, a perda de isolamento é mais grave, quanto maior o grau de envelhecimento; o transformador do tipo seco à temperatura ambiente, o valor tanδ geralmente precisa ser controlado em 0,005 ou menos.

4. monitoramento de parâmetros elétricos: controle em tempo real das cargas operacionais do equipamento

Os sinais trifásicos de corrente e tensão são coletados por meio do transformador de corrente (CT) e do transformador de tensão (PT), e a potência, o fator de potência, o fator de carga e outros parâmetros são calculados por meio da combinação com o módulo inteligente de coleta de energia:
  • Quando o fator de carga excede o valor nominal (100%) por um longo período de tempo, é necessário um aviso de sobrecarga para evitar o superaquecimento do enrolamento;
  • Quando o desequilíbrio da corrente trifásica excede 10%, isso sugere que a distribuição da carga é desigual e que a carga precisa ser ajustada para evitar o aumento da perda do núcleo e o superaquecimento local.

III. componentes do sistema de monitoramento on-line

O sistema completo de monitoramento on-line para transformadores a seco consiste emCamada de detecção, camada de transporte, camada de análise, camada de aplicativoEle consiste em quatro camadas, formando um mecanismo de operação de loop fechado de “coleta de dados - transmissão - análise - aviso antecipado”:

1. camada sensorial: a base para a coleta de dados

Ele é composto por vários tipos de sensores e módulos de aquisição de dados, que precisam atender aos requisitos de isolamento e ao desempenho anti-interferência em ambientes de alta tensão:
  • Sensores de temperatura: sensores de fibra óptica fluorescente, sensores de temperatura por infravermelho, sensores de resistência de platina (PT100);
  • Sensores de descarga parcial: sensores UHF, sensores RFCT, sensores ultrassônicos;
  • Aquisição de parâmetros elétricos: transformador de corrente (CT), transformador de tensão (PT), módulo inteligente de aquisição de energia;
  • Sensores ambientais: sensores de temperatura e umidade (por exemplo, SHT30, AHT21).

2. camada de transporte: canais de transmissão de dados

Ela é responsável pela transmissão dos dados brutos coletados na camada de detecção para a camada de análise, e a estabilidade e a segurança da transmissão de dados devem ser garantidas:
  • transmissão com fioEle adota cabo de par trançado blindado (seguindo o protocolo de comunicação RS485) e Ethernet (protocolo TCP/IP), que é adequado para instalação fixa e cenários com menos interferência eletromagnética (por exemplo, subestação interna), com taxa de transmissão estável e forte capacidade anti-interferência;
  • transmissão sem fioEle adota tecnologias de comunicação sem fio, como LoRa, 4G/5G, Wi-Fi etc. É adequado para subestações externas ou cenários de fornecimento de energia temporário em que a fiação é difícil, e precisa adotar o algoritmo de criptografia AES para garantir a segurança da transmissão de dados e, ao mesmo tempo, verificar a capacidade de penetração do sinal para atender aos requisitos de transmissão.

3. camada analítica: núcleo de processamento de dados

Ele consiste em um gateway de computação de borda ou um servidor em nuvem, que processa e analisa dados brutos por meio de algoritmos para determinar o status operacional do dispositivo:
  • Pré-processamento de dadosRejeição de outlier (por exemplo, critério 3σ), filtragem de suavização (por exemplo, média deslizante) e normalização de dados são usadas para reduzir o impacto dos erros do sensor e dos distúrbios ambientais nos dados;
  • Algoritmos de diagnóstico de falhas：
    • Método de comparação de limites: compare os dados de monitoramento em tempo real com os limites especificados pelos padrões nacionais e fabricantes de equipamentos (por exemplo, 100K para aumento de temperatura dos enrolamentos) e acione o aviso se os limites forem excedidos;
    • Método de análise de tendência: ajuste de curvas de tendência (por exemplo, curvas de alteração mensal de valores de perda dielétrica) por meio de dados históricos para prever a tendência de alterações de parâmetros e identificar os primeiros sinais de deterioração;
    • Método de diagnóstico inteligente: combinação de algoritmos de IA, como redes neurais e florestas aleatórias, fundindo dados de vários parâmetros, como temperatura, descarga parcial, carga, etc., para realizar a identificação do tipo de falha (por exemplo, “temperatura anormalmente alta do enrolamento + aumento da descarga local = perigo oculto de curto-circuito entre torções”).

4. camada de aplicativo: interface de interação com o usuário

Exiba os resultados do monitoramento e forneça funções de operação aos usuários por meio de terminais de monitoramento local, plataformas da Web e aplicativos móveis:
  • monitoramento em tempo realExibição de valores em tempo real e curvas de alteração de cada parâmetro (por exemplo, curva de série temporal da temperatura do enrolamento);
  • aviso antecipado de mau funcionamentoAviso de falha: Informe os usuários sobre a localização da falha e o nível de aviso (aviso geral, aviso grave) por meio de alarmes sonoros e luminosos, SMS / APP push;
  • Pesquisa históricaArmazena de 1 a 3 anos de dados históricos de monitoramento, suporta a exportação de dados e a geração de relatórios (por exemplo, relatório mensal de operação);
  • controle remotoLigação com ventilador de resfriamento, disjuntor e outros equipamentos para obter controle automático (por exemplo, iniciar automaticamente o ventilador de resfriamento quando a temperatura do enrolamento exceder 80 °C).

IV. valor dos aplicativos de monitoramento on-line

Em comparação com o modo tradicional de “inspeção periódica”, a tecnologia de monitoramento on-line de transformadores a seco pode trazer benefícios econômicos e de segurança significativos:
  1. Evite falhas repentinas e reduza as perdas com interrupções：
Identificação antecipada de envelhecimento do isolamento, descarga parcial e outros perigos ocultos (por exemplo, um aumento repentino na quantidade de descarga parcial geralmente indica que a quebra do isolamento pode ocorrer dentro de 1 a 3 meses), de modo a reservar tempo para o trabalho de manutenção, evitando interrupções na produção devido a falhas repentinas nos equipamentos (por exemplo, quedas de energia no data center podem causar centenas de milhares de dólares em perdas econômicas por hora).
  1. Redução da revisão cega e dos custos de manutenção：
A inspeção tradicional depende da experiência manual e é propensa a problemas de “revisão” (por exemplo, substituição de componentes que não atingiram o fim de sua vida útil) ou de “vazamento”; o monitoramento on-line baseia-se no status operacional real do equipamento para formular um plano de inspeção (por exemplo, extensão do ciclo de inspeção quando o índice de resistência de isolamento está normal), o que reduz o número de inspeções e o custo do investimento. O monitoramento on-line pode reduzir o número de inspeções e o custo do investimento.
  1. Aumentar a vida útil dos equipamentos e melhorar a eficiência dos ativos：
Por meio do monitoramento em tempo real da carga e da temperatura, ele evita a sobrecarga de longo prazo ou a operação de superaquecimento do equipamento, retarda o envelhecimento dos materiais de isolamento (dados de pesquisa mostram que, para cada redução de 10℃ na temperatura do enrolamento, a vida útil do isolamento pode ser estendida em 1 vez), aumenta a vida útil dos transformadores em 5 a 8 anos e melhora a eficiência da utilização dos ativos.
  1. Aprimorar a segurança do sistema e evitar incidentes de segurança：
Embora não haja risco de incêndio por vazamento de óleo em transformadores do tipo seco, o envelhecimento do isolamento pode causar incêndio por curto-circuito; o sistema de monitoramento on-line pode ser conectado no estágio inicial do disjuntor de falha para cortar o fornecimento de energia, a fim de evitar incêndio, explosão e outros acidentes de segurança.

V. Tendências de desenvolvimento tecnológico

Com a transição do sistema de energia para “inteligente e digital”, a tecnologia de monitoramento on-line de transformadores do tipo seco apresenta a seguinte direção de desenvolvimento:
  1. Monitoramento de fusão de vários parâmetros：
Um único parâmetro não pode refletir totalmente o estado de operação do equipamento. No futuro, será possível obter a análise de fusão de vários parâmetros “temperatura + descarga local + isolamento + vibração” por meio do algoritmo de IA para criar o “índice de saúde” do equipamento e melhorar a precisão do diagnóstico de falhas.
  1. Sensoriamento sem fio e tecnologias de baixa potência：
No futuro, os sensores sem fio passivos (por exemplo, sensores baseados em indução eletromagnética e coleta de energia de vibração) serão usados com mais frequência para reduzir os custos de instalação e serão adequados para projetos de modernização de transformadores antigos.
  1. Tecnologia Digital Twin：
Construa um modelo gêmeo digital do transformador a seco, combine dados de monitoramento on-line com o modelo físico, simule o estado de funcionamento do equipamento sob diferentes cargas e condições ambientais e realize o gerenciamento de todo o ciclo de vida da “simulação de falhas - alerta antecipado - otimização do esquema de inspeção e manutenção”.
  1. Computação de borda e colaboração em nuvem：
Adotando o modo de “pré-processamento de dados de gateway de computação de borda + análise de big data em nuvem”, ele reduz a quantidade de transmissão de dados (somente upload de dados anormais na borda), melhora a capacidade de resposta em tempo real (o controle de vinculação de equipamentos locais pode ser obtido na borda) e, ao mesmo tempo, usa o poder de computação da nuvem para obter o diagnóstico colaborativo de vários equipamentos (por exemplo, análise comparativa do status de vários transformadores na região).

VI Considerações sobre o aplicativo

  1. Adaptação do sensor：
Os sensores laterais de alta tensão precisam atender aos requisitos de nível de isolamento correspondentes (como o nível de isolamento do sensor do transformador de 10kV ≥ 35kV), para evitar acidentes de segurança causados por isolamento insuficiente; os sensores externos precisam ter nível de proteção IP65 e superior, para garantir o desempenho à prova d'água e de poeira.
  1. design anti-interferência：
Os cabos dos sensores precisam ser blindados, evite colocá-los em paralelo com cabos de alta tensão (espaçamento ≥ 0,5 m); o equipamento de monitoramento de descarga parcial precisa estar longe de conversores de frequência, geradores estáticos reativos (SVG) e outras fontes harmônicas para reduzir o impacto da interferência eletromagnética.
  1. Manutenção regular da calibração：
Os sensores precisam ser calibrados a cada 1 ou 2 anos (por exemplo, os sensores de fibra óptica fluorescente são calibrados em relação a termômetros padrão) para evitar a distorção dos dados de monitoramento devido ao desvio do sensor; as lentes do sensor infravermelho devem ser limpas regularmente e a intensidade do sinal da comunicação sem fio deve ser verificada.
  1. Garantia de segurança de dados：
Algoritmos de criptografia, como o AES, devem ser usados no processo de transmissão de dados, e a plataforma de nuvem deve ser configurada com privilégios de acesso graduados (por exemplo, diferenciação de privilégios de administrador e de pessoal de operação e manutenção) para evitar vazamento de dados ou adulteração maliciosa.
Em resumo, a tecnologia de monitoramento on-line de transformadores do tipo seco é o principal suporte para a realização da “manutenção do estado” dos equipamentos de energia, que pode melhorar significativamente a confiabilidade e a economia do sistema de energia coletando com precisão os principais parâmetros e analisando de forma inteligente o estado do equipamento. À medida que a tecnologia continua a se desenvolver, sua aplicação na rede inteligente e nos novos sistemas de energia será mais ampla.