Sisteme de reducere a presiunii din transformator și de detectare a defecțiunilor

​​​​​​​

 

1. Introducere

 

În transformatoarele-immerse în ulei, modificările presiunii interne sunt o parte normală a funcționării. Pe măsură ce uleiul de transformator se încălzește și se răcește în timpul ciclurilor de încărcare, spațiul de gaz etanș din interiorul rezervorului se extinde și se contractă, provocând fluctuații treptate de presiune în interiorul carcasei transformatorului. În condiții normale de funcționare, aceste schimbări de presiune apar lent și sunt asociate în principal cu variația temperaturii ambiante și cu încărcarea transformatorului.

Cu toate acestea, defecțiunile electrice interne creează un comportament de presiune complet diferit. Evenimente precum defecțiunile înfășurării sau arcurile interne pot descompune rapid uleiul izolator în gaz, producând o undă bruscă de presiune în interiorul rezervorului. Deoarece aceste creșteri de presiune-generate de defecțiuni apar în câteva milisecunde, transformatoarele necesită nu numai dispozitive de reducere a presiunii, ci și sisteme dedicate de detectare a defecțiunilor capabile să identifice comportamentul anormal al presiunii înainte de apariția unei defecțiuni catastrofale a rezervorului.

Din acest motiv, sistemele moderne de protecție a transformatoarelor sunt în general împărțite în două mari categorii:

• Sisteme de reducere a presiunii
• Sisteme de detectare a defecțiunilor

Această filozofie de protecție stratificată este reflectată pe scară largă în standardele IEEE C57 și în practicile de proiectare a transformatoarelor IEC 60076.

 

2. Reducerea presiunii vs Detectarea defecțiunilor

 

Deși termenii „descarcarea presiunii” și „detecția defecțiunilor” sunt uneori folosiți interschimbabil în industria transformatoarelor, aceștia îndeplinesc funcții fundamental diferite.

Un dispozitiv de reducere a presiunii transformatorului este conceput pentru a elibera fizic presiunea excesivă a rezervorului pentru a preveni deformarea mecanică sau ruperea rezervorului transformatorului. Aceste dispozitive răspund în primul rând la mărimea presiunii și formează baza sistemelor de protecție a presiunii transformatoarelor.

Dispozitivele de detectare a defecțiunilor, pe de altă parte, monitorizează viteza sau caracteristicile schimbării presiunii asociate cu defecțiunile electrice interne. În loc să elibereze presiunea, ele generează semnale de alarmă sau de declanșare pentru a izola transformatorul de sistemul de alimentare.

Această distincție devine din ce în ce mai importantă pe măsură ce dimensiunea transformatorului și nivelul energiei defectelor cresc.

 

Tabelul 1 – Diferența dintre reducerea presiunii și detectarea defecțiunilor

3. Dispozitive de reducere a presiunii din transformator

 

3.1 Supapă de reducere a presiunii (PRV)​​​​​​​

Supapa de eliberare a presiunii este proiectată pentru a proteja rezervorul transformatorului împotriva presiunii excesive din interior. Odată ce presiunea din rezervor atinge presiunea de eliberare, supapa se va deschide automat pentru a elibera gazul până când presiunea scade la presiunea de siguranță. În plus, ori de câte ori este necesar, utilizatorilor li se permite să acționeze manual supapa de limitare a presiunii în aplicațiile cu transformator trăgând inelul de funcționare pentru a reduce presiunea internă.

Conform practicii IEEE, presiunea tipică de fisurare pentru un design de transformator PRV este de aproximativ 10 PSIG ±2 PSIG, în timp ce aplicațiile CSA folosesc adesea setări de presiune mai scăzute. După ce presiunea este eliberată, supapa de limitare a presiunii din sistemele de transformare se resigilează automat pentru a menține integritatea rezervorului transformatorului.

 

Datorită construcției sale simple și funcționării fiabile, PRV este utilizat pe scară largă în:

• Transformatoare montate pe stâlp{0}
• Transformatoare montate{0}}pad
• Transformatoare de distribuție cu imersare în ulei-
• Substații cu unități mici

 

În comparație cu sistemele PRD cu transformatoare mai mari, PRV-urile sunt în general preferate pentru transformatoarele cu kVA mai mici, unde creșterea presiunii este relativ moderată și previzibilă. În multe aplicații ale transformatoarelor de distribuție, supapa PRV din rezervoarele transformatorului rămâne cea mai comună formă de protecție mecanică de bază împotriva presiunii.

3.2 Dispozitiv de reducere a presiunii (PRD)

Dispozitivele de reducere a presiunii (PRD) servesc în esență același scop ca supapele de limitare a presiunii (PRV): protejează rezervorul transformatorului de presiunea internă excesivă. În practică, totuși, PRD-urile sunt asociate mai frecvent cu puteri mai mari. În mod normal, nu vedeți un PRD instalat pe transformatoare sub aproximativ 1.500 kVA, deși nu este nimic greșit din punct de vedere tehnic în utilizarea unuia pe unități mai mici dacă aplicația o cere.

Majoritatea PRD-urilor sunt montate pe partea superioară a rezervorului transformatorului, unde gazul intern sau acumularea de presiune poate fi eliberată rapid în timpul unei stări de defecțiune.

Terminologia poate fi confuză, deoarece „dispozitiv de reducere a presiunii” este adesea folosit ca termen general al industriei atât pentru PRV, cât și pentru PRD. În cele mai multe cazuri, PRV-urile sunt utilizate pe transformatoarele de distribuție mai mici, în timp ce PRD-urile sunt mai frecvente pe unități mai mari sau aplicații care necesită un răspuns mai rapid la presiune și indicarea defecțiunilor.

Un dispozitiv de reducere a presiunii transformatorului îndeplinește aceeași funcție fundamentală ca un PRV - de eliberare a presiunii interne excesive -, dar este proiectat de obicei cu o capacitate de debit mai mare, timp de răspuns rapid, performanță de reetanșare fiabilă și funcții opționale de alarmă sau monitorizare. Design-urile avansate PRD oferă presiune de deschidere precisă, timp scurt de funcționare, performanță de încredere în aer liber pe termen lung-și etanșare eficientă împotriva umidității, prafului și pătrunderii aerului, ajutând la menținerea presiunii pozitive din rezervor și la îmbunătățirea fiabilității operaționale a transformatorului.

 

Un avantaj major al PRD-montate pe acoperire este capacitatea de monitorizare. Multe ansambluri de dispozitive de reducere a presiunii din transformator includ:

• Semafore vizuale sau indicatori de funcționare
• Contacte de alarmă de la distanță
• Ieșiri de monitorizare compatibile-SCADA

 

Acest lucru face ca PRD-urile să fie deosebit de potrivite pentru substații de utilități și sisteme de alimentare industriale unde este necesară monitorizarea de la distanță.

PRD-urile sunt aplicate în mod obișnuit în:

• Transformatoare de stație de unitate
• Transformatoare de putere medie
• Transformatoare mari de putere
• Transformatoare de stație de utilitate​​​​​​

 

Pentru aplicațiile de utilități mai mari, inginerii selectează adesea un aranjament de transformator al dispozitivului de reducere a presiunii în loc de un PRV mai mic, din cauza energiei interne mai mari de defect și a volumului de ulei.

3.3 Ruperea discului

Discurile de rupere sunt utilizate în mod obișnuit ca dispozitive de reducere a presiunii de urgență în aplicațiile cu transformatoare de energie înaltă-.

Spre deosebire de PRV-urile sau PRD-urile standard, discurile de rupere sunt dispozitive ne-resetabile concepute pentru a sparge instantaneu atunci când presiunea internă atinge o limită critică. Scopul lor principal este de a asigura o ventilație rapidă pe toată-zona în timpul evenimentelor catastrofale de defecțiuni interne.

 

Deoarece discurile de rupere trebuie înlocuite după funcționare, acestea sunt de obicei rezervate pentru:

• Transformatoare mari de putere
• Transformatoare de cuptor
• Transformatoare de tracțiune
• Sisteme industriale{0}}de nivel înalt

În practica ingineriei, discurile de rupere reprezintă cel mai înalt nivel de protecție mecanică la presiune.

4. Dispozitive de detectare a defecțiunilor transformatorului

 

4.1 Detector de defecțiuni interne (IFD)

Detectoarele de defecțiuni interne (IFD) sunt utilizate pe scară largă pe transformatoarele montate pe stâlp-și pe suport-ca un dispozitiv de siguranță de câmp simplu, dar extrem de eficient.

Un IFD detectează creșterea bruscă a presiunii interne cauzată de defecțiunile arcului în interiorul rezervorului transformatorului. Când este activat, apare un indicator vizual viu colorat, permițând echipelor de utilități să identifice imediat că transformatorul a suferit o defecțiune internă și nu ar trebui re-alimentat.

 

Un avantaj major al sistemelor IFD moderne este că multe modele integrează un PRV standard IEEE sau CSA în ansambluri de transformatoare în același dispozitiv, combinând:

• Reducerea presiunii
• Indicarea defecțiunii

într-o singură structură compactă.

 

IFD-urile sunt utilizate în mod obișnuit în:

• Transformatoare montate pe un-polo-monofazat
• Transformatoare montate-trifazate pe stâlpi-
• Transformatoare montate{0}}pad
• Transformatoare de substație mică

În comparație cu sistemele SPR, IFD-urile sunt mai simple, mai economice și mai ales potrivite pentru aplicațiile la nivel de distribuție{0}}.

4.2 Releu de presiune bruscă (SPR / RPR)

 

Aceste sisteme sunt utilizate în mod obișnuit în:

• Transformatoare de putere medie
• Transformatoare mari de putere
• Transformatoare redresoare
• Transformatoare de cuptor
• Transformatoare de tracțiune

 

În comparație cu IFD-urile, sistemele de protecție cu relee de creștere rapidă a presiunii asigură o integrare electrică mai rapidă și sunt mai potrivite pentru aplicații critice de utilități și industriale.

4.3 Stafeta Buchholz

Releul Buchholz este un dispozitiv de detectare a defecțiunilor cu gaz- și ulei-debit-, utilizat în transformatoarele de tip conservator-.

Spre deosebire de sistemele SPR și IFD, care răspund în primul rând la schimbările de presiune, releele Buchholz detectează defecțiunile interne prin:

• Acumulare de gaz
• Mișcarea valului de ulei

 

Releul funcționează de obicei în două etape:

• Alarma pentru defecțiuni incipiente
• Declanșare pentru defecțiuni interne severe

 

Releele Buchholz sunt utilizate pe scară largă în:

• Substații de unitate de tip conservator-
• Transformatoare de putere medie
• Transformatoare mari de putere

 

Datorită capacității lor de a detecta defecțiunile de izolație care se dezvoltă lent, releele Buchholz rămân unul dintre cele mai importante dispozitive de detectare a defecțiunilor în transformatoarele mari-umplute cu ulei.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Ierarhia de protecție în practica de inginerie

 

În aplicațiile de transformatoare reale, aceste dispozitive nu sunt utilizate în mod egal în toate clasele de transformatoare. În schimb, sistemele de protecție devin progresiv mai avansate pe măsură ce dimensiunea transformatorului și energia de defect cresc.

 

Tabelul 2 – Aplicarea tipică a dispozitivului de protecție în funcție de clasa de transformator

Această configurație stratificată reflectă principiul de inginerie conform căruia protecția transformatorului evoluează de la reducerea presiunii mecanice de bază la sistemele integrate de protecție a defecțiunilor mecanice și electrice.

6. Concluzie

 

Designul modern de siguranță a transformatorului se bazează pe coordonarea sistemelor de reducere a presiunii și de detectare a defecțiunilor, mai degrabă decât pe baza unui singur dispozitiv.

PRV-urile și PRD-urile oferă o reducere controlată a presiunii mecanice în condiții de funcționare normale și anormale. Discurile de rupere oferă o protecție maximă în caz de urgență în timpul defecțiunilor catastrofale. IFD-urile și sistemele de relee de presiune bruscă detectează creșterea bruscă a presiunii cauzată de defecțiuni electrice interne, în timp ce releele Buchholz monitorizează generarea de gaz și mișcarea uleiului asociate cu dezvoltarea defecțiunilor de izolație.

Împreună, aceste dispozitive formează o arhitectură de protecție a transformatorului cu mai multe-strat care îmbunătățește fiabilitatea operațională, siguranța personalului și capacitatea de izolare a defecțiunilor în sistemele de distribuție, industriale și de utilități.