Системы сброса давления трансформатора и системы обнаружения неисправностей

​​​​​​​

 

1. Введение

 

В масляных-трансформаторах изменения внутреннего давления являются нормальной частью работы. Поскольку трансформаторное масло нагревается и охлаждается во время циклов нагрузки, герметичное газовое пространство внутри резервуара расширяется и сжимается, вызывая постепенные колебания давления внутри корпуса трансформатора. В нормальных условиях эксплуатации эти изменения давления происходят медленно и в основном связаны с изменением температуры окружающей среды и нагрузкой трансформатора.

Однако внутренние электрические неисправности создают совершенно иное поведение давления. Такие события, как выход из строя обмотки или внутреннее искрение, могут быстро разложить изоляционное масло на газ, вызывая внезапную волну давления внутри резервуара. Поскольку повышение давления,-вызываемое неисправностями, происходит в течение миллисекунд, для трансформаторов требуются не только устройства сброса давления, но и специальные системы обнаружения неисправностей, способные выявлять ненормальное поведение давления до того, как произойдет катастрофический отказ резервуара.

По этой причине современные системы защиты трансформаторов обычно делятся на две основные категории:

• Системы сброса давления
• Системы обнаружения неисправностей

Эта философия многоуровневой защиты широко отражена в стандартах IEEE C57 и методах проектирования трансформаторов IEC 60076.

 

2. Сброс давления или обнаружение неисправности

 

Хотя термины «сброс давления» и «обнаружение неисправности» иногда используются в трансформаторной промышленности как синонимы, они выполняют принципиально разные функции.

Устройство сброса давления трансформатора предназначено для физического сброса избыточного давления в баке, чтобы предотвратить механическую деформацию или разрыв бака трансформатора. Эти устройства реагируют в первую очередь на величину давления и составляют основу систем защиты трансформаторов от давления.

С другой стороны, устройства обнаружения неисправностей контролируют скорость или характеристики изменения давления, связанные с внутренними электрическими неисправностями. Вместо того, чтобы сбрасывать давление, они генерируют сигналы тревоги или отключения, чтобы изолировать трансформатор от энергосистемы.

Это различие становится все более важным по мере увеличения размеров трансформатора и уровня энергии повреждения.

 

Таблица 1 – Разница между сбросом давления и обнаружением неисправности

3. Устройства сброса давления трансформатора.

 

3.1 Клапан сброса давления (PRV)​​​​​​​

Клапан сброса давления предназначен для защиты бака трансформатора от избыточного давления внутри. Как только давление в резервуаре достигнет давления сброса, клапан автоматически откроется, чтобы выпустить газ до тех пор, пока давление не упадет до безопасного давления. Кроме того, при необходимости пользователям разрешается вручную управлять предохранительным клапаном в трансформаторах, потянув за рабочее кольцо, чтобы снизить внутреннее давление.

Согласно практике IEEE, типичное давление открытия для конструкции трансформатора PRV составляет примерно 10 фунтов на квадратный дюйм ± 2 фунта на квадратный дюйм, в то время как в приложениях CSA часто используются более низкие настройки давления. После сброса давления предохранительный клапан в трансформаторных системах автоматически закрывается, чтобы сохранить целостность бака трансформатора.

 

Благодаря простой конструкции и надежности работы ПРВ широко применяется в:

• Трансформаторы-на столбе
• Трансформаторы, монтируемые на подставке-
• Масляные-распределительные трансформаторы
• Малые подстанции

 

По сравнению с более крупными трансформаторными системами PRD, PRV обычно предпочтительнее для трансформаторов меньшей мощности, где повышение давления относительно умеренное и предсказуемое. Во многих распределительных трансформаторах клапан PRV в баках трансформаторов остается наиболее распространенной формой базовой механической защиты от давления.

3.2 Устройство сброса давления (PRD)

Устройства сброса давления (PRD) служат по существу той же цели, что и предохранительные клапаны (PRV): они защищают бак трансформатора от чрезмерного внутреннего давления. Однако на практике PRD чаще ассоциируются с более высокими номинальными мощностями. Обычно вы не увидите PRD, установленного на трансформаторах мощностью ниже 1500 кВА, хотя с технической точки зрения нет ничего плохого в использовании его на меньших агрегатах, если этого требует приложение.

Большинство ПРД монтируются в верхней части бака трансформатора, где в случае неисправности можно быстро выпустить внутренний газ или давление.

Терминология может сбивать с толку, поскольку «устройство сброса давления» часто используется как общий отраслевой термин как для PRV, так и для PRD. В большинстве случаев датчики PRV используются в распределительных трансформаторах меньшего размера, тогда как датчики PRD чаще встречаются в более крупных агрегатах или приложениях, требующих более быстрого реагирования на давление и индикации неисправностей.

Устройство сброса давления трансформатора выполняет ту же основную функцию, что и предохранительный клапан -, сбрасывая избыточное внутреннее давление -, но обычно имеет более высокую пропускную способность, малое время отклика, надежную работу повторного уплотнения и дополнительные функции сигнализации или мониторинга. Усовершенствованная конструкция PRD обеспечивает точное давление открытия, короткое время работы, надежную долгосрочную-работу вне помещения и эффективную герметизацию от влаги, пыли и проникновения воздуха, помогая поддерживать положительное давление в резервуаре и повышая эксплуатационную надежность трансформатора.

 

Одним из основных преимуществ датчиков PRD, устанавливаемых на крышке, является возможность мониторинга. Многие узлы устройств сброса давления трансформатора включают в себя:

• Визуальные семафоры или индикаторы работы
• Контакты удаленной сигнализации
• Выходы мониторинга, совместимые со SCADA-

 

Это делает PRD особенно подходящими для коммунальных подстанций и промышленных энергосистем, где требуется удаленный мониторинг.

PRD обычно применяются в:

• Трансформаторы блочные подстанции
• Трансформаторы средней мощности
• Большие силовые трансформаторы
• Трансформаторы подстанций​​​​​​​

 

Для более крупных коммунальных предприятий инженеры часто выбирают трансформатор с устройством сброса давления вместо меньшего PRV из-за более высокой энергии внутреннего повреждения и объема масла.

3.3 Разрывной диск

Разрывные мембраны обычно используются в качестве надежных устройств аварийного сброса давления в трансформаторах высокой-мощности.

В отличие от PRV или стандартных PRD, разрывные мембраны — это устройства, которые не-восстанавливаются и предназначены для мгновенного взрыва, когда внутреннее давление достигает критического предела. Их основная цель – обеспечить быструю вентиляцию всей-площади во время катастрофических внутренних неисправностей.

 

Поскольку разрывные мембраны необходимо заменять после эксплуатации, их обычно используют для:

• Большие силовые трансформаторы
• Печные трансформаторы
• Тяговые трансформаторы
• Промышленные системы высокого-уровня сбоев

В инженерной практике разрывные мембраны представляют собой высший уровень защиты от механического давления.

4. Устройства обнаружения неисправностей трансформаторов.

 

4.1 Внутренний детектор неисправностей (IFD)

Детекторы внутренних повреждений (IFD) широко используются в трансформаторах, монтируемых на -столбе и на площадке-, в качестве простого, но высокоэффективного устройства обеспечения безопасности на местах.

IFD обнаруживает внезапное повышение внутреннего давления, вызванное искрением внутри бака трансформатора. При активации появляется яркий визуальный индикатор, позволяющий бригадам коммунальных служб немедленно определить, что в трансформаторе возникла внутренняя неисправность и на него не следует-повторно подавать питание.

 

Одним из основных преимуществ современных систем IFD является то, что многие конструкции интегрируют стандартный предохранительный клапан, соответствующий требованиям IEEE или CSA, в трансформаторных сборках в одно и то же устройство, сочетая в себе:

• Сброс давления
• Индикация неисправности

в единую компактную структуру.

 

IFD обычно используются в:

• Однофазные-столбовые-трансформаторы
• Трех-столбовые-трансформаторы
• Трансформаторы, монтируемые на подставке-
• Малые трансформаторы подстанций

По сравнению с системами SPR, IFD проще, экономичнее и особенно подходят для приложений на уровне распределения-.

4.2 Реле внезапного давления (SPR/RPR)

 

Эти системы обычно используются в:

• Трансформаторы средней мощности
• Большие силовые трансформаторы
• Выпрямительные трансформаторы
• Печные трансформаторы
• Тяговые трансформаторы

 

По сравнению с IFD, системы релейной защиты с быстрым нарастанием давления обеспечивают более быструю электрическую интеграцию и больше подходят для критически важных коммунальных и промышленных применений.

4.3 Реле Бухгольца

Реле Бухгольца — это устройство обнаружения неисправностей, работающее на газе- и масле-потоке-, используемое в трансформаторах типа расширителя-.

В отличие от систем SPR и IFD, которые реагируют в первую очередь на изменения давления, реле Бухгольца обнаруживают внутренние неисправности посредством:

• Накопление газа
• Движение нефтяного всплеска

 

Реле обычно работает в два этапа:

• Сигнализация о возникающих неисправностях
• Отключение из-за серьезных внутренних неисправностей

 

Реле Бухгольца широко используются в:

• блочные подстанции типа консерватора-
• Трансформаторы средней мощности
• Большие силовые трансформаторы

 

Благодаря своей способности обнаруживать медленно развивающиеся повреждения изоляции, реле Бухгольца остаются одним из наиболее важных устройств обнаружения повреждений в больших масляных-трансформаторах.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Иерархия защиты в инженерной практике

 

В реальных трансформаторах эти устройства не используются одинаково во всех классах трансформаторов. Вместо этого системы защиты становятся все более совершенными по мере увеличения размеров трансформатора и энергии повреждения.

 

Таблица 2 – Типичное применение устройств защиты по классам трансформаторов

Эта многоуровневая конфигурация отражает инженерный принцип, согласно которому защита трансформатора развивается от базового механического сброса давления к интегрированным системам защиты от механических и электрических неисправностей.

6. Заключение

 

Современные конструкции безопасности трансформаторов основаны на координации систем сброса давления и обнаружения неисправностей, а не на использовании одного устройства.

PRV и PRD обеспечивают контролируемый механический сброс давления в нормальных и ненормальных условиях эксплуатации. Разрывные мембраны обеспечивают максимальную аварийную защиту во время катастрофических неисправностей. IFD и системы реле внезапного давления обнаруживают внезапное повышение давления, вызванное внутренними электрическими неисправностями, а реле Бухгольца контролируют выделение газа и движение масла, связанные с развитием нарушений изоляции.

Вместе эти устройства образуют многоуровневую архитектуру защиты трансформаторов, которая повышает эксплуатационную надежность, безопасность персонала и возможности изоляции неисправностей в распределительных, промышленных и коммунальных энергосистемах.