Systémy na odľahčenie a zisťovanie porúch transformátorov

​​​​​​​

 

1. Úvod

 

V olejových{0}}transformátoroch sú zmeny vnútorného tlaku bežnou súčasťou prevádzky. Ako sa transformátorový olej zahrieva a ochladzuje počas zaťažovacích cyklov, utesnený plynový priestor vo vnútri nádrže sa rozširuje a zmršťuje, čo spôsobuje postupné kolísanie tlaku v kryte transformátora. Za normálnych prevádzkových podmienok sa tieto zmeny tlaku vyskytujú pomaly a sú spojené hlavne s kolísaním okolitej teploty a zaťažením transformátora.

Vnútorné elektrické poruchy však vytvárajú úplne iné správanie tlaku. Udalosti, ako sú poruchy vinutia alebo vnútorné iskrenie, môžu rýchlo rozložiť izolačný olej na plyn, čím sa vytvorí náhla tlaková vlna vo vnútri nádrže. Pretože tieto chybové{2}}výrastky tlaku vznikajú v priebehu milisekúnd, transformátory vyžadujú nielen zariadenia na odľahčenie tlaku, ale aj špecializované systémy na detekciu porúch, ktoré sú schopné identifikovať abnormálne tlakové správanie skôr, ako dôjde ku katastrofickej poruche nádrže.

Z tohto dôvodu sú moderné systémy ochrany transformátorov vo všeobecnosti rozdelené do dvoch hlavných kategórií:

• Systémy na uvoľnenie tlaku
• Systémy detekcie porúch

Táto filozofia vrstvenej ochrany sa široko odráža v normách IEEE C57 a postupoch pri navrhovaní transformátorov IEC 60076.

 

2. Uvoľnenie tlaku verzus detekcia poruchy

 

Hoci sa termíny „odľahčenie tlaku“ a „detekcia porúch“ niekedy v priemysle transformátorov používajú zameniteľne, slúžia zásadne odlišným funkciám.

Zariadenie na uvoľnenie tlaku transformátora je navrhnuté tak, aby fyzicky uvoľnilo nadmerný tlak v nádrži, aby sa zabránilo mechanickej deformácii alebo prasknutiu nádrže transformátora. Tieto zariadenia reagujú predovšetkým na veľkosť tlaku a tvoria základ systémov ochrany proti tlaku transformátorov.

Zariadenia na detekciu porúch na druhej strane monitorujú rýchlosť alebo charakteristiky zmeny tlaku spojené s vnútornými elektrickými poruchami. Namiesto uvoľnenia tlaku generujú poplachové alebo vypínacie signály na izoláciu transformátora od napájacieho systému.

Tento rozdiel sa stáva čoraz dôležitejším, keď sa zvyšuje veľkosť transformátora a úroveň poruchovej energie.

 

Tabuľka 1 – Rozdiel medzi uvoľnením tlaku a detekciou poruchy

3. Zariadenia na uvoľnenie tlaku transformátora

 

3.1 Pretlakový ventil (PRV)​​​​​​​

Tlakový vypúšťací ventil je navrhnutý tak, aby chránil nádrž transformátora pred nadmerným tlakom vo vnútri. Keď tlak v nádrži dosiahne uvoľňovací tlak, ventil sa automaticky otvorí, aby sa uvoľnil plyn, kým tlak neklesne na bezpečný tlak. Okrem toho, kedykoľvek je to potrebné, môžu používatelia manuálne ovládať pretlakový ventil v transformátorových aplikáciách potiahnutím ovládacieho krúžku, aby sa znížil vnútorný tlak.

Podľa praxe IEEE je typický tlak na praskanie pre dizajn transformátora PRV približne 10 PSIG ± 2 PSIG, zatiaľ čo aplikácie CSA často používajú nastavenie nižšieho tlaku. Po uvoľnení tlaku sa poistný ventil v transformátorových systémoch automaticky znovu utesní, aby sa zachovala integrita nádrže transformátora.

 

Vďaka svojej jednoduchej konštrukcii a spoľahlivej prevádzke je PRV široko používaný v:

• Stĺpové-transformátory
• Transformátory-namontované na podložke
• Distribučné transformátory-ponorné v oleji
• Malé blokové rozvodne

 

V porovnaní s väčšími transformátorovými PRD systémami sú PRV všeobecne preferované pre transformátory s nižším kVA, kde je nárast tlaku relatívne mierny a predvídateľný. V mnohých aplikáciách distribučných transformátorov zostáva ventil PRV v nádržiach transformátora najbežnejšou formou základnej mechanickej tlakovej ochrany.

3.2 Zariadenie na uvoľnenie tlaku (PRD)

Zariadenia na odľahčenie tlaku (PRD) slúžia v podstate na rovnaký účel ako tlakové poistné ventily (PRV): chránia nádrž transformátora pred nadmerným vnútorným tlakom. V praxi sa však PRD častejšie spájajú s väčšími menovitými výkonmi. Normálne nevidíte PRD inštalované na transformátoroch pod približne 1 500 kVA, aj keď nie je technicky nič zlé na jeho použití na menších jednotkách, ak to aplikácia vyžaduje.

Väčšina PRD je namontovaná na vrchu nádrže transformátora, kde sa môže počas poruchy rýchlo uvoľniť vnútorný plyn alebo nahromadenie tlaku.

Terminológia môže byť mätúca, pretože „pretlakové zariadenie“ sa často používa ako všeobecný priemyselný výraz pre PRV aj PRD. Vo väčšine prípadov sa PRV používajú na menších distribučných transformátoroch, zatiaľ čo PRD sú bežnejšie na väčších jednotkách alebo aplikáciách vyžadujúcich rýchlejšiu odozvu tlaku a indikáciu poruchy.

Zariadenie na odľahčenie tlaku transformátora vykonáva rovnakú základnú funkciu ako PRV - na uvoľnenie nadmerného vnútorného tlaku -, ale zvyčajne je navrhnuté s vyššou prietokovou kapacitou, rýchlou dobou odozvy, spoľahlivým výkonom opätovného utesnenia a voliteľnými funkciami alarmu alebo monitorovania. Pokročilé konštrukcie PRD poskytujú presný otvárací tlak, krátky prevádzkový čas, spoľahlivý dlhodobý-výkon v exteriéri a účinné utesnenie proti vlhkosti, prachu a vniknutiu vzduchu, čo pomáha udržiavať pretlak v nádrži a zlepšuje prevádzkovú spoľahlivosť transformátora.

 

Jednou z hlavných výhod PRD-namontovaných na kryte je možnosť monitorovania. Mnohé zostavy zariadenia na odľahčenie tlaku transformátora zahŕňajú:

• Vizuálne semafory alebo prevádzkové indikátory
• Kontakty vzdialeného alarmu
• SCADA-kompatibilné výstupy monitorovania

 

Vďaka tomu sú PRD obzvlášť vhodné pre rozvodne a priemyselné energetické systémy, kde sa vyžaduje vzdialené monitorovanie.

PRD sa bežne používajú v:

• Transformátory blokových rozvodní
• Transformátory stredného výkonu
• Veľké výkonové transformátory
• Transformátory úžitkovej rozvodne

 

Pre väčšie úžitkové aplikácie inžinieri často volia usporiadanie transformátora zariadenia na odľahčenie tlaku namiesto menšieho PRV kvôli vyššej vnútornej poruchovej energii a objemu oleja.

3.3 Roztrhnutie disku

Prietržné kotúče sa zvyčajne používajú ako zariadenia na maximálne núdzové odľahčenie tlaku v aplikáciách vysokoenergetických transformátorov.

Na rozdiel od PRV alebo štandardných PRD sú prietržné kotúče -neresetovateľné zariadenia určené na okamžité prasknutie, keď vnútorný tlak dosiahne kritickú hranicu. Ich primárnym účelom je zabezpečiť rýchle celoplošné odvetranie-pri katastrofických udalostiach vnútorných porúch.

 

Pretože prietržné kotúče musia byť po operácii vymenené, sú zvyčajne vyhradené pre:

• Veľké výkonové transformátory
• Transformátory pece
• Trakčné transformátory
• Priemyselné systémy s vysokou chybovosťou-

V strojárskej praxi predstavujú prietržné kotúče najvyššiu úroveň ochrany proti mechanickému tlaku.

4. Zariadenia na detekciu porúch transformátora

 

4.1 Detektor vnútorných porúch (IFD)

Internal Fault Detectors (IFD) sú široko používané na stĺpových -namontovaných a na podložkách{1}} transformátorov ako jednoduché, ale vysoko účinné bezpečnostné zariadenie.

IFD detekuje náhly nárast vnútorného tlaku spôsobený oblúkovými poruchami vo vnútri nádrže transformátora. Po aktivácii sa objaví jasne farebný vizuálny indikátor, ktorý umožňuje pracovníkom verejných služieb okamžite identifikovať, že transformátor zaznamenal internú poruchu a nemal by byť znovu zapínaný-.

 

Jednou z hlavných výhod moderných systémov IFD je, že mnohé návrhy integrujú štandardné PRV kompatibilné s IEEE alebo CSA v zostavách transformátorov do rovnakého zariadenia, pričom kombinujú:

• Uvoľnenie tlaku
• Indikácia poruchy

do jedinej kompaktnej štruktúry.

 

IFD sa bežne používajú v:

• Jednofázové -pólové{1}}transformátory
• Trojfázové transformátory namontované na póloch-
• Transformátory-namontované na podložke
• Transformátory malých rozvodní

V porovnaní so systémami SPR sú IFD jednoduchšie, hospodárnejšie a obzvlášť vhodné pre aplikácie na-úrovni distribúcie.

4.2 Náhle tlakové relé (SPR / RPR)

 

Tieto systémy sa bežne používajú v:

• Transformátory stredného výkonu
• Veľké výkonové transformátory
• Usmerňovacie transformátory
• Transformátory pece
• Trakčné transformátory

 

V porovnaní s IFD poskytujú ochranné systémy s rýchlym nárastom tlaku rýchlejšiu elektrickú integráciu a sú vhodnejšie pre kritické úžitkové a priemyselné aplikácie.

4.3 Buchholzova štafeta

Buchholzove relé je plynové- a olejové-prietokové-zariadenie na detekciu porúch, ktoré sa používa v transformátoroch typu konzervátorov-.

Na rozdiel od systémov SPR a IFD, ktoré reagujú primárne na zmeny tlaku, relé Buchholz detekujú vnútorné poruchy prostredníctvom:

• Akumulácia plynu
• Pohyb ropného rázu

 

Relé zvyčajne pracuje v dvoch fázach:

• Alarm pre začínajúce poruchy
• Výpadok pre vážne vnútorné poruchy

 

Buchholzove relé sú široko používané v:

• Blokové rozvodne-typu konzervátor
• Transformátory stredného výkonu
• Veľké výkonové transformátory

 

Vďaka svojej schopnosti detekovať pomaly sa rozvíjajúce poruchy izolácie zostávajú Buchholzove relé jedným z najdôležitejších zariadení na detekciu porúch vo veľkých olejových -transformátoroch.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hierarchia ochrany v inžinierskej praxi

 

V skutočných aplikáciách transformátorov sa tieto zariadenia nepoužívajú rovnako vo všetkých triedach transformátorov. Namiesto toho sa ochranné systémy stávajú postupne vyspelejšími, pretože veľkosť transformátora a energia porúch sa zvyšuje.

 

Tabuľka 2 – Typická aplikácia ochranného zariadenia podľa triedy transformátora

Táto vrstvená konfigurácia odráža technický princíp, že ochrana transformátora sa vyvíja zo základného mechanického odľahčenia tlaku smerom k integrovaným systémom ochrany proti mechanickým a elektrickým poruchám.

6. Záver

 

Moderný bezpečnostný dizajn transformátora je založený skôr na koordinácii systémov odľahčenia tlaku a detekcie porúch, než na spoliehaní sa na jediné zariadenie.

PRV a PRD poskytujú kontrolované mechanické uvoľnenie tlaku počas normálnych a abnormálnych prevádzkových podmienok. Prietržné kotúče poskytujú maximálnu núdzovú ochranu počas katastrofických porúch. IFD a systémy náhlych tlakových relé detekujú náhly nárast tlaku spôsobený vnútornými elektrickými poruchami, zatiaľ čo Buchholzove relé monitorujú tvorbu plynu a pohyb oleja spojený s vývojom porúch izolácie.

Tieto zariadenia spolu tvoria viac{0}}vrstvovú architektúru ochrany transformátora, ktorá zlepšuje prevádzkovú spoľahlivosť, bezpečnosť personálu a schopnosť izolácie porúch v distribučných, priemyselných a verejných energetických systémoch.