Системи скидання тиску в трансформаторах і виявлення несправностей

​​​​​​​

 

1. Вступ

 

У масляних-трансформаторах зміни внутрішнього тиску є нормальною частиною роботи. Коли трансформаторне масло нагрівається та охолоджується під час циклів навантаження, герметичний газовий простір всередині резервуара розширюється та стискається, викликаючи поступові коливання тиску всередині корпусу трансформатора. За нормальних робочих умов ці зміни тиску відбуваються повільно і в основному пов’язані зі зміною температури навколишнього середовища та навантаженням трансформатора.

Однак внутрішні електричні несправності створюють зовсім іншу поведінку тиску. Такі події, як поломка обмотки або внутрішня дуга, можуть швидко розкласти ізоляційне масло на газ, створюючи раптову хвилю тиску всередині бака. Оскільки ці-спричинені несправністю підйоми тиску відбуваються протягом мілісекунд, трансформатори потребують не лише пристроїв для скидання тиску, а й спеціальних систем виявлення несправностей, здатних визначити аномальну поведінку тиску до того, як станеться катастрофічний збій бака.

З цієї причини сучасні системи захисту трансформаторів зазвичай діляться на дві основні категорії:

• Системи скидання тиску
• Системи виявлення несправностей

Ця філософія багаторівневого захисту широко відображена в стандартах IEEE C57 і методах проектування трансформаторів IEC 60076.

 

2. Скидання тиску проти виявлення несправностей

 

Хоча терміни «скидання тиску» та «виявлення несправностей» іноді використовуються як синоніми в трансформаторній промисловості, вони виконують принципово різні функції.

Пристрій скидання тиску трансформатора призначений для фізичного скидання надмірного тиску в баку з метою запобігання механічній деформації або розриву бака трансформатора. Ці пристрої реагують головним чином на величину тиску і складають основу систем захисту від тиску трансформатора.

Пристрої виявлення несправностей, з іншого боку, контролюють швидкість або характеристики зміни тиску, пов’язані з внутрішніми електричними несправностями. Замість того, щоб скидати тиск, вони генерують сигнали тривоги або відключення, щоб ізолювати трансформатор від системи живлення.

Ця різниця стає все більш важливою, оскільки розмір трансформатора та рівень енергії несправності зростають.

 

Таблиця 1 – Різниця між скиданням тиску та виявленням несправності

3. Трансформаторні пристрої скидання тиску

 

3.1 Клапан скидання тиску (PRV)​​​​​​​

Клапан скидання тиску призначений для захисту бака трансформатора від надмірного тиску всередині. Коли тиск у резервуарі досягне тиску випуску, клапан автоматично відкриється, щоб випустити газ, доки тиск не знизиться до безпечного. Крім того, коли це необхідно, користувачам дозволяється вручну керувати клапаном скидання тиску в трансформаторах, потягнувши робоче кільце для зниження внутрішнього тиску.

Згідно з практикою IEEE, типовий тиск розтріскування для конструкції трансформатора PRV становить приблизно 10 PSIG ±2 PSIG, тоді як програми CSA часто використовують нижчі налаштування тиску. Після скидання тиску клапан скидання тиску в трансформаторних системах автоматично знову закривається, щоб зберегти цілісність бака трансформатора.

 

Завдяки простій конструкції і надійності роботи ПРВ широко використовується в:

• Трансформатори-на опорі
• Трансформатори-накладки
• Масляні розподільні трансформатори-
• Малі агрегатні підстанції

 

Порівняно з більшими трансформаторними системами PRD, PRV зазвичай є кращими для трансформаторів з меншою кВА, де підвищення тиску є відносно помірним і передбачуваним. У багатьох застосуваннях розподільних трансформаторів клапан PRV у резервуарах трансформатора залишається найпоширенішою формою основного механічного захисту від тиску.

3.2 Пристрій скидання тиску (PRD)

Пристрої скидання тиску (PRD) служать, по суті, для тієї ж мети, що й клапани скидання тиску (PRV): вони захищають бак трансформатора від надмірного внутрішнього тиску. На практиці, однак, PRD частіше пов’язують із більшою потужністю. Зазвичай ви не бачите PRD, встановленого на трансформаторах нижче приблизно 1500 кВА, хоча немає нічого технічно поганого в тому, щоб використовувати його на менших блоках, якщо цього вимагає застосування.

Більшість PRD встановлюються у верхній частині бака трансформатора, де внутрішній газ або накопичений тиск можуть швидко вивільнятися під час несправності.

Термінологія може заплутати, оскільки «пристрій для скидання тиску» часто використовується як загальний галузевий термін як для PRV, так і для PRD. У більшості випадків PRV використовуються на невеликих розподільних трансформаторах, тоді як PRD більш поширені на більших блоках або застосуваннях, які вимагають швидшої реакції тиску та індикації несправності.

Трансформаторний пристрій скидання тиску виконує ту саму основну функцію, що й PRV - скидання надмірного внутрішнього тиску -, але зазвичай розроблено з більшою пропускною здатністю, швидким часом відгуку, надійним повторним ущільненням і додатковими функціями сигналізації або моніторингу. Удосконалені конструкції PRD забезпечують точний тиск відкриття, короткий час роботи, надійну довгострокову-роботи поза приміщенням та ефективну герметизацію від проникнення вологи, пилу та повітря, допомагаючи підтримувати надлишковий тиск у баку та підвищувати надійність роботи трансформатора.

 

Однією з основних переваг PRD-змонтованих на кришках є можливість моніторингу. Багато трансформаторних пристроїв скидання тиску включають:

• Візуальні семафори або індикатори роботи
• Контакти дистанційної сигналізації
• SCADA-сумісні виходи моніторингу

 

Це робить PRD особливо придатними для комунальних підстанцій і промислових енергетичних систем, де потрібен дистанційний моніторинг.

PRD зазвичай застосовуються в:

• Блокові підстанційні трансформатори
• Трансформатори середньої потужності
• Великі силові трансформатори
• Трансформатори підстанцій​​​​​

 

Для великих комунальних застосувань інженери часто вибирають трансформаторний пристрій для скидання тиску замість меншого PRV через більшу внутрішню енергію несправності та об’єм масла.

3.3 Розривний диск

Розривні мембрани зазвичай використовуються як найкращі пристрої аварійного скидання тиску в трансформаторах високої-енергії.

На відміну від PRV або стандартних PRD, розривні мембрани є не-пристроями, які можна скинути, розроблені для миттєвого розриву, коли внутрішній тиск досягає критичної межі. Їхнє основне призначення — забезпечити швидку повну-вентиляцію приміщення під час катастрофічних внутрішніх несправностей.

 

Оскільки розривні диски необхідно замінити після операції, їх зазвичай резервують для:

• Великі силові трансформатори
• Пічні трансформатори
• Тягові трансформатори
• Промислові системи-з високим рівнем неполадок

У інженерній практиці розривні мембрани представляють найвищий рівень захисту від механічного тиску.

4. Пристрої виявлення несправностей трансформатора

 

4.1 Внутрішній детектор несправностей (IFD)

Внутрішні детектори несправності (IFD) широко використовуються на трансформаторах,-монтованих на стовпах і-накладках, як простий, але високоефективний пристрій безпеки.

IFD виявляє раптове підвищення внутрішнього тиску, спричинене дуговим замиканням у баку трансформатора. Коли його активовано, з’являється яскравий візуальний індикатор, що дозволяє бригадам комунальних служб негайно визначити, що в трансформаторі сталася внутрішня несправність і його не слід повторно -подавати живлення.

 

Однією з головних переваг сучасних систем IFD є те, що багато конструкцій інтегрують стандартний IEEE або CSA сумісний PRV у трансформаторних вузлах в той самий пристрій, поєднуючи:

• Зняття тиску
• Індикація несправності

в єдину компактну структуру.

 

IFD зазвичай використовуються в:

• Однофазні-полюсні-трансформатори
• Три{0}}фазні-трансформатори, встановлені на стовпі
• Трансформатори-накладки
• Малі трансформатори підстанцій

У порівнянні з системами SPR, IFD є простішими, економічнішими та особливо придатними для додатків-рівня розподілу.

4.2 Реле раптового тиску (SPR / RPR)

 

Ці системи зазвичай використовуються в:

• Трансформатори середньої потужності
• Великі силові трансформатори
• Випрямні трансформатори
• Пічні трансформатори
• Тягові трансформатори

 

У порівнянні з IFD, системи релейного захисту зі швидким підвищенням тиску забезпечують швидшу електричну інтеграцію та більше підходять для критичних комунальних і промислових застосувань.

4.3 Естафета Бухгольца

Реле Бухгольца – це пристрій виявлення несправностей- та-потоку-газу та масла, який використовується в трансформаторах-консерваторного типу.

На відміну від систем SPR та IFD, які реагують головним чином на зміни тиску, реле Бухгольца виявляють внутрішні несправності за допомогою:

• Скупчення газу
• Нафтовий сплеск руху

 

Реле зазвичай працює в два етапи:

• Сигналізація початкових несправностей
• Поїздка через серйозні внутрішні несправності

 

Реле Бухгольца широко використовуються в:

• Блокові підстанції-консерваторного типу
• Трансформатори середньої потужності
• Великі силові трансформатори

 

Завдяки своїй здатності виявляти дефекти ізоляції, що розвиваються повільно, реле Бухгольца залишаються одним із найважливіших пристроїв виявлення дефектів у великих масляних-трансформаторах.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Ієрархія захисту в інженерній практиці

 

У реальних застосуваннях трансформаторів ці пристрої не використовуються однаково для всіх класів трансформаторів. Натомість системи захисту стають прогресивнішими, оскільки розмір трансформатора та енергія пошкодження збільшуються.

 

Таблиця 2 – Типове застосування захисного пристрою за класом трансформатора

Ця багатошарова конфігурація відображає інженерний принцип, згідно з яким захист трансформатора розвивається від основного механічного скидання тиску до інтегрованих систем захисту від механічних і електричних несправностей.

6. Висновок

 

Сучасна конструкція безпеки трансформатора базується на координації систем скидання тиску та виявлення несправностей, а не на опорі на один пристрій.

PRV і PRD забезпечують контрольоване механічне скидання тиску під час нормальних і ненормальних умов експлуатації. Розривні диски забезпечують максимальний аварійний захист під час катастрофічних несправностей. IFD і системи реле раптового тиску виявляють раптове підвищення тиску, спричинене внутрішніми електричними несправностями, тоді як реле Бухгольца відстежують утворення газу та рух масла, пов’язане з поломкою ізоляції.

Разом ці пристрої утворюють багато{0}}рівневу архітектуру захисту трансформатора, яка покращує надійність роботи, безпеку персоналу та здатність ізоляції несправностей у розподільних, промислових і комунальних системах живлення.