Трансформаторни системи за освобождаване на налягането и откриване на повреди

​​​​​​​

 

1. Въведение

 

В маслените-трансформатори промените във вътрешното налягане са нормална част от работата. Тъй като трансформаторното масло се нагрява и охлажда по време на циклите на натоварване, запечатаното газово пространство вътре в резервоара се разширява и свива, причинявайки постепенни колебания на налягането в корпуса на трансформатора. При нормални работни условия, тези промени в налягането се случват бавно и са свързани главно с промените в температурата на околната среда и натоварването на трансформатора.

Вътрешните електрически повреди обаче създават напълно различно поведение на налягането. Събития като повреда на намотките или вътрешна дъга могат бързо да разложат изолационното масло в газ, създавайки внезапна вълна на налягане вътре в резервоара. Тъй като тези-генерирани от неизправности повишения на налягането се случват в рамките на милисекунди, трансформаторите изискват не само устройства за освобождаване на налягането, но и специални системи за откриване на неизправности, способни да идентифицират необичайно поведение на налягането, преди да настъпи катастрофална повреда на резервоара.

Поради тази причина съвременните системи за защита на трансформатори обикновено се разделят на две основни категории:

• Системи за освобождаване на налягането
• Системи за откриване на повреди

Тази философия на многослойна защита е широко отразена в стандартите IEEE C57 и практиките за проектиране на трансформатори IEC 60076.

 

2. Освобождаване на налягането срещу откриване на повреда

 

Въпреки че термините "понижаване на налягането" и "откриване на повреда" понякога се използват взаимозаменяемо в индустрията за трансформатори, те изпълняват фундаментално различни функции.

Устройството за освобождаване на налягането на трансформатора е проектирано да освобождава физически прекомерното налягане в резервоара, за да предотврати механична деформация или разкъсване на резервоара на трансформатора. Тези устройства реагират предимно на величината на налягането и формират основата на системите за защита от налягане на трансформатора.

Устройствата за откриване на неизправности, от друга страна, наблюдават скоростта или характеристиките на промяната на налягането, свързана с вътрешни електрически повреди. Вместо да освобождават налягане, те генерират алармени или изключващи сигнали, за да изолират трансформатора от захранващата система.

Това разграничение става все по-важно, тъй като размерът на трансформатора и нивото на енергията на повредата се увеличават.

 

Таблица 1 – Разлика между освобождаване на налягането и откриване на повреда

3. Трансформаторни устройства за освобождаване на налягането

 

3.1 Клапан за освобождаване на налягането (PRV)​​​​​​​

Клапанът за освобождаване на налягането е предназначен да предпазва резервоара на трансформатора от прекомерно налягане вътре. След като налягането в резервоара достигне налягането на освобождаване, вентилът ще се отвори автоматично, за да освободи газа, докато налягането спадне до безопасното налягане. Освен това, когато е необходимо, на потребителите е разрешено ръчно да управляват предпазния клапан в трансформаторни приложения чрез издърпване на работния пръстен, за да намалят вътрешното налягане.

Съгласно практиката на IEEE, типичното налягане на напукване за конструкцията на PRV трансформатор е приблизително 10 PSIG ±2 PSIG, докато приложенията на CSA често използват настройки за по-ниско налягане. След освобождаване на налягането, предпазният клапан в трансформаторните системи автоматично се затваря отново, за да поддържа целостта на резервоара на трансформатора.

 

Благодарение на своята проста конструкция и надеждна работа, PRV намира широко приложение в:

• Монтирани на стълб{0}}трансформатори
• Трансформатори,-монтирани на подложки
• Маслени{0}}разпределителни трансформатори
• Малки подстанции

 

В сравнение с по-големите трансформаторни PRD системи, PRV обикновено се предпочитат за по-ниски kVA трансформатори, където повишаването на налягането е относително умерено и предвидимо. В много приложения на разпределителни трансформатори PRV вентилът в трансформаторните резервоари остава най-разпространената форма на основна защита от механично налягане.

3.2 Устройство за освобождаване на налягането (PRD)

Устройствата за освобождаване на налягането (PRD) служат по същество за същата цел като предпазните клапани (PRV): те предпазват резервоара на трансформатора от прекомерно вътрешно налягане. На практика обаче PRD се свързват по-често с по-високи мощности. Обикновено не виждате PRD инсталиран на трансформатори под около 1500 kVA, въпреки че технически няма нищо лошо в използването на такъв на по-малки модули, ако приложението го изисква.

Повечето PRDs са монтирани в горната част на резервоара на трансформатора, където вътрешен газ или натрупване на налягане може да се освободи бързо по време на състояние на повреда.

Терминологията може да бъде объркваща, тъй като „устройство за освобождаване на налягането“ често се използва като общ индустриален термин както за PRV, така и за PRD. В повечето случаи PRV се използват при по-малки разпределителни трансформатори, докато PRD са по-често срещани при по-големи модули или приложения, изискващи по-бърза реакция на налягането и индикация за повреда.

Трансформаторното устройство за освобождаване на налягането изпълнява същата основна функция като PRV - облекчаване на прекомерното вътрешно налягане -, но обикновено е проектирано с по-голям дебит, бързо време за реакция, надеждно повторно запечатване и опционални функции за аларма или наблюдение. Усъвършенстваните PRD конструкции осигуряват прецизно налягане на отваряне, кратко време за работа, надеждна дългосрочна-работа на открито и ефективно уплътнение срещу проникване на влага, прах и въздух, което спомага за поддържането на положително налягане в резервоара и подобрява експлоатационната надеждност на трансформатора.

 

Едно основно предимство на монтираните-на капак PRD е възможността за наблюдение. Много трансформаторни устройства за освобождаване на налягането включват:

• Визуални семафори или индикатори за работа
• Дистанционни алармени контакти
• SCADA-съвместими изходи за наблюдение

 

Това прави PRD особено подходящи за комунални подстанции и промишлени енергийни системи, където се изисква дистанционно наблюдение.

PRD обикновено се прилагат в:

• Единични подстанционни трансформатори
• Трансформатори със средна мощност
• Големи силови трансформатори
• Трансформатори за битови подстанции​​​​​​

 

За по-големи комунални приложения инженерите често избират трансформаторно устройство за освобождаване на налягането вместо по-малък PRV поради по-високата вътрешна енергия на повреда и обем на маслото.

3.3 Разкъсващ диск

Разкъсващите се дискове обикновено се използват като крайни аварийни устройства за освобождаване на налягането в приложения с високо-енергийни трансформатори.

За разлика от PRV или стандартните PRD, разкъсващите се дискове са не-възстановими устройства, предназначени да се спукат незабавно, когато вътрешното налягане достигне критична граница. Основната им цел е да осигурят бързо обезвъздушаване на цялата-област по време на катастрофални вътрешни повреди.

 

Тъй като разкъсващите се дискове трябва да бъдат заменени след операция, те обикновено са запазени за:

• Големи силови трансформатори
• Пещни трансформатори
• Тягови трансформатори
• Индустриални системи с-високо ниво на повреда

В инженерната практика разкъсващите се дискове представляват най-високото ниво на защита от механично налягане.

4. Устройства за откриване на повреда в трансформатора

 

4.1 Вътрешен детектор за повреди (IFD)

Вътрешните детектори за повреди (IFD) се използват широко на трансформатори, монтирани на -стълбове и-накладки, като просто, но високоефективно устройство за безопасност на полето.

IFD открива внезапно повишаване на вътрешното налягане, причинено от дъгови повреди в резервоара на трансформатора. Когато се активира, ярко оцветен визуален индикатор изскача, позволявайки на екипите на електроснабдяването незабавно да идентифицират, че трансформаторът е имал вътрешна повреда и не трябва да се -захранва повторно.

 

Едно основно предимство на съвременните IFD системи е, че много дизайни интегрират стандартен IEEE или CSA съвместим PRV в трансформаторни модули в едно и също устройство, комбинирайки:

• Освобождаване на налягането
• Индикация за повреда

в една компактна структура.

 

IFD обикновено се използват в:

• Еднофазни-полюсни-трансформатори
• Три{0}}монтирани на стълб-трансформатори
• Трансформатори,-монтирани на подложки
• Трансформатори за малки подстанции

В сравнение с SPR системите, IFD са по-прости, по-икономични и особено подходящи за-приложения на ниво разпространение.

4.2 Реле за внезапно налягане (SPR / RPR)

 

Тези системи обикновено се използват в:

• Трансформатори със средна мощност
• Големи силови трансформатори
• Токоизправителни трансформатори
• Пещни трансформатори
• Тягови трансформатори

 

В сравнение с IFD, системите за релейна защита с бързо нарастване на налягането осигуряват по-бърза електрическа интеграция и са по-подходящи за критични битови и индустриални приложения.

4.3 Реле на Бухолц

Релето на Buchholz е устройство за откриване на повреда, управлявано- и маслен-поток-, използвано в трансформатори от-тип консерватор.

За разлика от системите SPR и IFD, които реагират предимно на промени в налягането, релетата на Buchholz откриват вътрешни повреди чрез:

• Натрупване на газ
• Движение на маслен скок

 

Релето обикновено работи на два етапа:

• Аларма за зараждащи се повреди
• Пътуване за сериозни вътрешни повреди

 

Релетата Buchholz се използват широко в:

• Подстанции тип консерватор-
• Трансформатори със средна мощност
• Големи силови трансформатори

 

Поради способността си да откриват бавно развиващи се повреди в изолацията, релетата на Бухолц остават едно от най-важните устройства за откриване на неизправности в големи маслени{0}}трансформатори.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Йерархия на защитата в инженерната практика

 

В реални трансформаторни приложения тези устройства не се използват еднакво във всички класове трансформатори. Вместо това системите за защита стават прогресивно по-напреднали с увеличаване на размера на трансформатора и енергията на повредата.

 

Таблица 2 - Типично приложение на защитно устройство по клас трансформатор

Тази слоеста конфигурация отразява инженерния принцип, че защитата на трансформатора се развива от основно механично освобождаване на налягането към интегрирани механични и електрически системи за защита от повреди.

6. Заключение

 

Модерният дизайн за безопасност на трансформатора се основава на координацията на системите за освобождаване на налягането и откриване на неизправности, а не на разчитане на едно устройство.

PRV и PRD осигуряват контролирано механично освобождаване на налягането при нормални и необичайни работни условия. Разкъсващите дискове осигуряват максимална аварийна защита по време на катастрофални повреди. IFD и релейните системи за внезапно налягане откриват внезапно покачване на налягането, причинено от вътрешни електрически повреди, докато релетата на Buchholz наблюдават генерирането на газ и движението на масло, свързани с развиващи се повреди в изолацията.

Заедно тези устройства образуват много{0}}слойна архитектура за защита на трансформатора, която подобрява оперативната надеждност, безопасността на персонала и способността за изолиране на повреди в разпределителните, индустриалните и комуналните енергийни системи.