Systémy pro odlehčení tlaku transformátoru a systémy detekce poruch

​​​​​​​

 

1. Úvod

 

U transformátorů ponořených do oleje- jsou změny vnitřního tlaku běžnou součástí provozu. Jak se transformátorový olej ohřívá a ochlazuje během nakládacích cyklů, utěsněný plynový prostor uvnitř nádrže se rozšiřuje a smršťuje, což způsobuje postupné kolísání tlaku v krytu transformátoru. Za normálních provozních podmínek k těmto změnám tlaku dochází pomalu a jsou spojeny hlavně s kolísáním okolní teploty a zatížením transformátoru.

Vnitřní elektrické poruchy však vytvářejí zcela odlišné chování tlaku. Události, jako jsou poruchy vinutí nebo vnitřní jiskření, mohou rychle rozložit izolační olej na plyn a způsobit náhlou tlakovou vlnu uvnitř nádrže. Protože k těmto poruchám-generovaným nárůstům tlaku dochází během milisekund, transformátory vyžadují nejen zařízení pro odlehčení tlaku, ale také vyhrazené systémy detekce poruch, které jsou schopny identifikovat abnormální tlakové chování dříve, než dojde ke katastrofickému selhání nádrže.

Z tohoto důvodu jsou moderní systémy ochrany transformátorů obecně rozděleny do dvou hlavních kategorií:

• Přetlakové systémy
• Systémy detekce poruch

Tato filozofie vrstvené ochrany se široce odráží v normách IEEE C57 a postupech návrhu transformátorů IEC 60076.

 

2. Odlehčení tlaku versus detekce závad

 

Ačkoli se termíny "odlehčení tlaku" a "detekce závad" někdy v průmyslu transformátorů používají zaměnitelně, plní zásadně odlišné funkce.

Přetlakové zařízení transformátoru je navrženo tak, aby fyzicky uvolnilo nadměrný tlak v nádrži, aby se zabránilo mechanické deformaci nebo prasknutí nádrže transformátoru. Tato zařízení reagují především na velikost tlaku a tvoří základ systémů ochrany před tlakem transformátorů.

Zařízení pro detekci poruch na druhé straně monitorují rychlost nebo charakteristiky změny tlaku spojené s vnitřními elektrickými poruchami. Spíše než aby uvolňovaly tlak, generují poplachové nebo vypínací signály, aby izolovaly transformátor od napájecího systému.

Tento rozdíl se stává stále důležitějším s tím, jak se zvyšuje velikost transformátoru a úroveň poruchové energie.

 

Tabulka 1 – Rozdíl mezi uvolněním tlaku a detekcí poruchy

3. Zařízení pro uvolnění tlaku transformátoru

 

3.1 Přetlakový ventil (PRV)​​​​​​​

Tlakový vypouštěcí ventil je určen k ochraně nádrže transformátoru před nadměrným tlakem uvnitř. Jakmile tlak v nádrži dosáhne uvolňovacího tlaku, ventil se automaticky otevře a uvolní plyn, dokud tlak neklesne na bezpečný tlak. Kromě toho, kdykoli je to nutné, mohou uživatelé ručně ovládat přetlakový ventil v transformátorových aplikacích zatažením za ovládací kroužek, aby se snížil vnitřní tlak.

Podle praxe IEEE je typický praskací tlak pro konstrukci transformátoru PRV přibližně 10 PSIG ± 2 PSIG, zatímco aplikace CSA často používají nastavení nižšího tlaku. Po uvolnění tlaku se přetlakový ventil v transformátorových systémech automaticky znovu utěsní, aby byla zachována integrita nádrže transformátoru.

 

Díky jednoduché konstrukci a spolehlivému provozu je PRV široce používán v:

• Transformátory montované na pól-
• Transformátory-namontované na podložce
• Distribuční transformátory -ponořené do oleje
• Malé blokové rozvodny

 

Ve srovnání s většími transformátorovými PRD systémy jsou PRV obecně preferovány pro transformátory s nižším kVA, kde je nárůst tlaku relativně mírný a předvídatelný. V mnoha aplikacích distribučních transformátorů zůstává ventil PRV v nádržích transformátoru nejběžnější formou základní mechanické tlakové ochrany.

3.2 Zařízení pro vyrovnávání tlaku (PRD)

Přetlaková zařízení (PRD) slouží v podstatě ke stejnému účelu jako přetlakové ventily (PRV): chrání nádrž transformátoru před nadměrným vnitřním tlakem. V praxi jsou však PRD častěji spojovány s vyššími jmenovitými výkony. Normálně nevidíte PRD nainstalovaný na transformátorech pod přibližně 1 500 kVA, ačkoli není technicky nic špatného na jeho použití na menších jednotkách, pokud to aplikace vyžaduje.

Většina PRD je namontována na horní části nádrže transformátoru, kde se může během poruchy rychle uvolnit vnitřní plyn nebo nahromaděný tlak.

Terminologie může být matoucí, protože „přetlakové zařízení“ se často používá jako obecný průmyslový termín pro PRV i PRD. Ve většině případů se PRV používají na menších distribučních transformátorech, zatímco PRD jsou běžnější u větších jednotek nebo aplikací vyžadujících rychlejší odezvu na tlak a indikaci poruchy.

Přetlakové zařízení transformátoru plní stejnou základní funkci jako PRV -, uvolňuje nadměrný vnitřní tlak -, ale je obvykle navrženo s vyšší průtokovou schopností, rychlou dobou odezvy, spolehlivým výkonem opětovného utěsnění a volitelnými funkcemi alarmu nebo monitorování. Pokročilé konstrukce PRD poskytují přesný otevírací tlak, krátkou provozní dobu, spolehlivý dlouhodobý-výkon venku a účinné utěsnění proti vlhkosti, prachu a průniku vzduchu, což pomáhá udržovat přetlak v nádrži a zlepšuje provozní spolehlivost transformátoru.

 

Jednou z hlavních výhod{0}}krytých PRD je schopnost monitorování. Mnoho sestav zařízení pro odlehčení tlaku transformátoru zahrnuje:

• Vizuální semafory nebo provozní indikátory
• Kontakty dálkového alarmu
• SCADA-kompatibilní monitorovací výstupy

 

Díky tomu jsou PRD zvláště vhodné pro rozvodny a průmyslové energetické systémy, kde je vyžadováno vzdálené monitorování.

PRD se běžně používají v:

• Transformátory blokových rozvoden
• Transformátory středního výkonu
• Velké výkonové transformátory
• Transformátory užitkových rozvoden​​​​​​​

 

Pro větší užitkové aplikace inženýři často volí uspořádání transformátoru zařízení pro odlehčení tlaku místo menšího PRV kvůli vyšší energii vnitřní poruchy a objemu oleje.

3.3 Roztržení disku

Průtržné kotouče se obvykle používají jako ultimátní nouzová přetlaková zařízení v aplikacích vysokoenergetických transformátorů.

Na rozdíl od PRV nebo standardních PRD jsou průtržné kotouče -neresetovatelná zařízení navržená tak, aby okamžitě praskla, když vnitřní tlak dosáhne kritického limitu. Jejich primárním účelem je poskytnout rychlé-odvětrání celého prostoru během katastrofických událostí vnitřních poruch.

 

Protože průtržné kotouče musí být po operaci vyměněny, jsou obvykle vyhrazeny pro:

• Velké výkonové transformátory
• Pecní transformátory
• Trakční transformátory
• Průmyslové systémy s vysokou chybovostí-

Ve strojírenské praxi představují průtržné kotouče nejvyšší stupeň ochrany proti mechanickému tlaku.

4. Zařízení pro detekci poruch transformátoru

 

4.1 Detektor vnitřních poruch (IFD)

Internal Fault Detectors (IFD) jsou široce používány u transformátorů montovaných na sloup{0}}na podložce{1}}jako jednoduché, ale vysoce účinné zařízení pro zabezpečení pole.

IFD detekuje náhlé zvýšení vnitřního tlaku způsobené elektrickým obloukem uvnitř nádrže transformátoru. Po aktivaci se objeví jasně zbarvený vizuální indikátor, který umožňuje pracovníkům veřejných služeb okamžitě identifikovat, že transformátor zaznamenal vnitřní poruchu a neměl by být znovu-zapínán.

 

Jednou z hlavních výhod moderních systémů IFD je to, že mnoho návrhů integruje standardní PRV vyhovující IEEE nebo CSA v sestavách transformátorů do stejného zařízení a kombinuje:

• Uvolnění tlaku
• Indikace poruchy

do jediné kompaktní struktury.

 

IFD se běžně používají v:

• Jednofázové -pólové{1}}transformátory
• Třífázové -pólové{1}}transformátory
• Transformátory-namontované na podložce
• Transformátory malých rozvoden

Ve srovnání se systémy SPR jsou IFD jednodušší, ekonomičtější a zvláště vhodné pro aplikace na-úrovni distribuce.

4.2 Náhlé tlakové relé (SPR / RPR)

 

Tyto systémy se běžně používají v:

• Transformátory středního výkonu
• Velké výkonové transformátory
• Usměrňovací transformátory
• Pecní transformátory
• Trakční transformátory

 

Ve srovnání s IFD poskytují ochranné systémy s rychlým nárůstem tlaku rychlejší elektrickou integraci a jsou vhodnější pro kritické užitkové a průmyslové aplikace.

4.3 Buchholzova štafeta

Buchholzovo relé je plynové- a olejové-průtokové-detekční zařízení používané v transformátorech typu konzervátorů-.

Na rozdíl od systémů SPR a IFD, které reagují primárně na změny tlaku, relé Buchholz detekují vnitřní poruchy prostřednictvím:

• Akumulace plynu
• Pohyb ropného rázu

 

Relé obvykle pracuje ve dvou fázích:

• Alarm pro začínající poruchy
• Výpadek pro vážné vnitřní poruchy

 

Buchholzova relé jsou široce používána v:

• Blokové rozvodny-typu Conservator
• Transformátory středního výkonu
• Velké výkonové transformátory

 

Díky své schopnosti detekovat pomalu se vyvíjející poruchy izolace zůstávají Buchholzova relé jedním z nejdůležitějších zařízení pro detekci poruch ve velkých olejových -transformátorech.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hierarchie ochrany v inženýrské praxi

 

Ve skutečných transformátorových aplikacích se tato zařízení nepoužívají rovnoměrně ve všech třídách transformátorů. Místo toho jsou ochranné systémy postupně vyspělejší s tím, jak se zvětšuje velikost transformátoru a energie poruchy.

 

Tabulka 2 – Typická aplikace ochranného zařízení podle třídy transformátoru

Tato vrstvená konfigurace odráží technický princip, že ochrana transformátoru se vyvíjí od základního mechanického odlehčení tlaku k integrovaným systémům mechanické a elektrické ochrany proti poruchám.

6. Závěr

 

Moderní bezpečnostní konstrukce transformátoru je založena spíše na koordinaci systémů odlehčení tlaku a detekce poruch než na spoléhání se na jediné zařízení.

PRV a PRD poskytují kontrolované mechanické odlehčení tlaku během normálních a abnormálních provozních podmínek. Trhací kotouče poskytují maximální nouzovou ochranu při katastrofických poruchách. IFD a systémy náhlých tlakových relé detekují náhlý nárůst tlaku způsobený vnitřními elektrickými poruchami, zatímco Buchholzova relé monitorují tvorbu plynu a pohyb oleje spojený s rozvojem selhání izolace.

Tato zařízení společně tvoří více{0}}vrstvou architekturu ochrany transformátorů, která zlepšuje provozní spolehlivost, bezpečnost personálu a schopnost izolace poruch v distribučních, průmyslových a veřejných energetických systémech.