Συστήματα εκτόνωσης πίεσης μετασχηματιστή και ανίχνευσης βλαβών

​​​​​​​

1. Εισαγωγή

Στους μετασχηματιστές-βυθισμένους σε λάδι, οι αλλαγές εσωτερικής πίεσης αποτελούν φυσιολογικό μέρος της λειτουργίας. Καθώς το λάδι του μετασχηματιστή θερμαίνεται και ψύχεται κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτωσης, ο κλειστός χώρος αερίου μέσα στη δεξαμενή διαστέλλεται και συστέλλεται, προκαλώντας σταδιακές διακυμάνσεις της πίεσης μέσα στο περίβλημα του μετασχηματιστή. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, αυτές οι αλλαγές πίεσης συμβαίνουν αργά και σχετίζονται κυρίως με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και τη φόρτιση του μετασχηματιστή.

Ωστόσο, τα εσωτερικά ηλεκτρικά σφάλματα δημιουργούν μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά πίεσης. Συμβάντα όπως αστοχίες περιέλιξης ή εσωτερικό τόξο μπορούν να αποσυνθέσουν γρήγορα το μονωτικό λάδι σε αέριο, προκαλώντας ένα ξαφνικό κύμα πίεσης μέσα στη δεξαμενή. Επειδή αυτές οι αυξήσεις πίεσης που δημιουργούνται από σφάλματα-συμβαίνουν μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, οι μετασχηματιστές απαιτούν όχι μόνο συσκευές εκτόνωσης πίεσης, αλλά και ειδικά συστήματα ανίχνευσης σφαλμάτων ικανά να εντοπίζουν μη φυσιολογική συμπεριφορά πίεσης πριν συμβεί καταστροφική αστοχία δεξαμενής.

Για το λόγο αυτό, τα σύγχρονα συστήματα προστασίας μετασχηματιστών χωρίζονται γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες:

• Συστήματα εκτόνωσης πίεσης
• Συστήματα ανίχνευσης βλαβών

Αυτή η φιλοσοφία πολυεπίπεδης προστασίας αντικατοπτρίζεται ευρέως στα πρότυπα IEEE C57 και στις πρακτικές σχεδιασμού μετασχηματιστών IEC 60076.

2. Εκτόνωση πίεσης έναντι ανίχνευσης σφαλμάτων

Αν και οι όροι "εκτόνωση πίεσης" και "ανίχνευση σφαλμάτων" χρησιμοποιούνται μερικές φορές εναλλακτικά στη βιομηχανία μετασχηματιστών, εξυπηρετούν θεμελιωδώς διαφορετικές λειτουργίες.

Μια συσκευή εκτόνωσης πίεσης μετασχηματιστή έχει σχεδιαστεί για να απελευθερώνει φυσικά την υπερβολική πίεση της δεξαμενής προκειμένου να αποτρέπεται η μηχανική παραμόρφωση ή ρήξη της δεξαμενής του μετασχηματιστή. Αυτές οι συσκευές ανταποκρίνονται κυρίως στο μέγεθος της πίεσης και αποτελούν τη βάση των συστημάτων προστασίας από την πίεση του μετασχηματιστή.

Οι συσκευές ανίχνευσης σφαλμάτων, από την άλλη πλευρά, παρακολουθούν την ταχύτητα ή τα χαρακτηριστικά της αλλαγής πίεσης που σχετίζονται με εσωτερικά ηλεκτρικά σφάλματα. Αντί να απελευθερώνουν πίεση, παράγουν σήματα συναγερμού ή διακοπής για να απομονώσουν τον μετασχηματιστή από το σύστημα ισχύος.

Αυτή η διάκριση γίνεται όλο και πιο σημαντική καθώς το μέγεθος του μετασχηματιστή και το επίπεδο ενέργειας σφάλματος αυξάνονται.

Πίνακας 1 – Διαφορά μεταξύ εκτόνωσης πίεσης και ανίχνευσης σφάλματος

3. Συσκευές εκτόνωσης πίεσης μετασχηματιστή

3.1 Βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης (PRV)​​​​​​​

Μονοφασικός μετασχηματιστής τοποθετημένος σε πόλο

Μετασχηματιστής PRV τοποθετημένος σε στύλο

PRV

Τριφασικός μετασχηματιστής με επίστρωση

Τριφασικός μετασχηματιστής PRV

Μονοφασικός μετασχηματιστής PRV

 

 

Η βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης έχει σχεδιαστεί για να προστατεύει τη δεξαμενή του μετασχηματιστή από υπερβολική πίεση στο εσωτερικό. Μόλις η πίεση στη δεξαμενή φτάσει την πίεση απελευθέρωσης, η βαλβίδα θα ανοίξει αυτόματα για να απελευθερώσει το αέριο έως ότου η πίεση πέσει στην ασφαλή πίεση. Επιπλέον, όποτε είναι απαραίτητο, επιτρέπεται στους χρήστες να χειρίζονται χειροκίνητα τη βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης σε εφαρμογές μετασχηματιστή τραβώντας τον δακτύλιο λειτουργίας για να μειώσουν την εσωτερική πίεση.

Σύμφωνα με την πρακτική IEEE, η τυπική πίεση ρωγμής για ένα σχέδιο μετασχηματιστή PRV είναι περίπου 10 PSIG ±2 PSIG, ενώ οι εφαρμογές CSA χρησιμοποιούν συχνά ρυθμίσεις χαμηλότερης πίεσης. Αφού εκτονωθεί η πίεση, η βαλβίδα εκτόνωσης πίεσης στα συστήματα μετασχηματιστή επανασφραγίζεται αυτόματα για να διατηρηθεί η ακεραιότητα της δεξαμενής του μετασχηματιστή.

Λόγω της απλής κατασκευής και της αξιόπιστης λειτουργίας του, το PRV χρησιμοποιείται ευρέως σε:

• Μετασχηματιστές που είναι τοποθετημένοι σε πόλο-
• Μετασχηματιστές-τοποθετημένοι σε τακάκια
• Μετασχηματιστές διανομής-βυθισμένοι σε λάδι
• Υποσταθμοί μικρών μονάδων

Σε σύγκριση με μεγαλύτερα συστήματα PRD μετασχηματιστών, τα PRV προτιμώνται γενικά για μετασχηματιστές χαμηλότερου kVA όπου η αύξηση της πίεσης είναι σχετικά μέτρια και προβλέψιμη. Σε πολλές εφαρμογές μετασχηματιστών διανομής, η βαλβίδα PRV στις δεξαμενές μετασχηματιστών παραμένει η πιο κοινή μορφή βασικής προστασίας μηχανικής πίεσης.

3.2 Συσκευή εκτόνωσης πίεσης (PRD)

Τριφασικός μετασχηματιστής PRD

PRD

Μετασχηματιστής gsu 133 MVA PRD

PRD

Οι συσκευές εκτόνωσης πίεσης (PRD) εξυπηρετούν ουσιαστικά τον ίδιο σκοπό με τις βαλβίδες εκτόνωσης πίεσης (PRV): προστατεύουν τη δεξαμενή του μετασχηματιστή από υπερβολική εσωτερική πίεση. Στην πράξη, ωστόσο, οι PRD συνδέονται συχνότερα με μεγαλύτερες ονομασίες ισχύος. Συνήθως δεν βλέπετε PRD εγκατεστημένο σε μετασχηματιστές κάτω από περίπου 1.500 kVA, αν και δεν υπάρχει τίποτα τεχνικά λάθος με τη χρήση ενός σε μικρότερες μονάδες, εάν το απαιτεί η εφαρμογή.

Τα περισσότερα PRD είναι τοποθετημένα στο επάνω μέρος της δεξαμενής του μετασχηματιστή, όπου το εσωτερικό αέριο ή η συσσώρευση πίεσης μπορεί να απελευθερωθεί γρήγορα κατά τη διάρκεια μιας κατάστασης σφάλματος.

Η ορολογία μπορεί να προκαλέσει σύγχυση επειδή η "συσκευή εκτόνωσης πίεσης" χρησιμοποιείται συχνά ως γενικός όρος της βιομηχανίας τόσο για PRV όσο και για PRD. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα PRV χρησιμοποιούνται σε μικρότερους μετασχηματιστές διανομής, ενώ τα PRD είναι πιο κοινά σε μεγαλύτερες μονάδες ή εφαρμογές που απαιτούν ταχύτερη απόκριση πίεσης και ένδειξη σφάλματος.

Μια συσκευή εκτόνωσης πίεσης μετασχηματιστή εκτελεί την ίδια θεμελιώδη λειτουργία με ένα PRV - ανακουφίζοντας την υπερβολική εσωτερική πίεση -, αλλά είναι συνήθως σχεδιασμένη με υψηλότερη ικανότητα ροής, γρήγορο χρόνο απόκρισης, αξιόπιστη απόδοση επανασφράγισης και προαιρετικές λειτουργίες συναγερμού ή παρακολούθησης. Τα προηγμένα σχέδια PRD παρέχουν ακριβή πίεση ανοίγματος, σύντομο χρόνο λειτουργίας, αξιόπιστη μακροπρόθεσμη απόδοση σε εξωτερικούς-εξωτερικούς χώρους και αποτελεσματική στεγανοποίηση έναντι υγρασίας, σκόνης και εισόδου αέρα, συμβάλλοντας στη διατήρηση της θετικής πίεσης της δεξαμενής και στη βελτίωση της λειτουργικής αξιοπιστίας του μετασχηματιστή.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των PRD που τοποθετούνται σε κάλυμμα είναι η ικανότητα παρακολούθησης. Πολλά συγκροτήματα συσκευών εκτόνωσης πίεσης μετασχηματιστή περιλαμβάνουν:

• Οπτικοί σηματοφόροι ή δείκτες λειτουργίας
• Επαφές απομακρυσμένου συναγερμού
• Έξοδοι παρακολούθησης συμβατές με SCADA-

Αυτό καθιστά τα PRD ιδιαίτερα κατάλληλα για υποσταθμούς κοινής ωφελείας και βιομηχανικά συστήματα ισχύος όπου απαιτείται απομακρυσμένη παρακολούθηση.

Τα PRD συνήθως εφαρμόζονται σε:

• Μετασχηματιστές υποσταθμού μονάδας
• Μετασχηματιστές μέσης ισχύος
• Μεγάλοι μετασχηματιστές ισχύος
• Μετασχηματιστές υποσταθμών κοινής ωφέλειας

Για μεγαλύτερες εφαρμογές κοινής ωφέλειας, οι μηχανικοί συχνά επιλέγουν μια διάταξη μετασχηματιστή συσκευής εκτόνωσης πίεσης αντί για μικρότερο PRV λόγω της υψηλότερης ενέργειας εσωτερικού σφάλματος και του όγκου λαδιού.

3.3 Ρήξη δίσκου

Οι δίσκοι ρήξης χρησιμοποιούνται συνήθως ως απόλυτες συσκευές εκτόνωσης πίεσης έκτακτης ανάγκης σε εφαρμογές μετασχηματιστών υψηλής ενέργειας{{0}.

Σε αντίθεση με τα PRV ή τα τυπικά PRD, οι δίσκοι θραύσης είναι μη-μη επαναρυθμιζόμενες συσκευές που έχουν σχεδιαστεί για να σπάνε αμέσως όταν η εσωτερική πίεση φτάσει σε ένα κρίσιμο όριο. Ο πρωταρχικός τους σκοπός είναι να παρέχουν γρήγορο εξαερισμό πλήρους-περιοχής κατά τη διάρκεια καταστροφικών εσωτερικών σφαλμάτων.

Επειδή οι δίσκοι θραύσης πρέπει να αντικατασταθούν μετά τη λειτουργία, συνήθως προορίζονται για:

• Μεγάλοι μετασχηματιστές ισχύος
• Μετασχηματιστές φούρνου
• Μετασχηματιστές έλξης
• Βιομηχανικά συστήματα-υψηλού επιπέδου σφάλματος

Στην πρακτική της μηχανικής, οι δίσκοι θραύσης αντιπροσωπεύουν το υψηλότερο επίπεδο προστασίας από μηχανική πίεση.

4. Συσκευές ανίχνευσης σφαλμάτων μετασχηματιστή

4.1 Ανιχνευτής εσωτερικού σφάλματος (IFD)

Μονοφασικός Μονοφασικός Μετασχηματιστής IFD

IFD

Οι ανιχνευτές εσωτερικών σφαλμάτων (IFD) χρησιμοποιούνται ευρέως σε μετασχηματιστές-που τοποθετούνται σε πόλο και σε επιθέματα- ως μια απλή αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική συσκευή ασφάλειας πεδίου.

Ένα IFD ανιχνεύει ξαφνική αύξηση της εσωτερικής πίεσης που προκαλείται από σφάλματα τόξου μέσα στη δεξαμενή του μετασχηματιστή. Όταν ενεργοποιηθεί, αναδύεται μια φωτεινά χρωματισμένη οπτική ένδειξη, επιτρέποντας στα συνεργεία κοινής ωφέλειας να αναγνωρίσουν αμέσως ότι ο μετασχηματιστής έχει παρουσιάσει ένα εσωτερικό σφάλμα και δεν θα πρέπει να ενεργοποιηθεί ξανά-.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των σύγχρονων συστημάτων IFD είναι ότι πολλά σχέδια ενσωματώνουν ένα τυπικό PRV συμβατό με IEEE ή CSA σε συγκροτήματα μετασχηματιστών στην ίδια συσκευή, συνδυάζοντας:

• Εκτόνωση πίεσης
• Ένδειξη σφάλματος

σε μια ενιαία συμπαγή δομή.

Τα IFD χρησιμοποιούνται συνήθως σε:

• Μονοφασικοί-πολικοί-μονταρισμένοι μετασχηματιστές
• Τριφασικοί-πολικοί-μετασχηματιστές
• Μετασχηματιστές-τοποθετημένοι σε τακάκια
• Μικροί μετασχηματιστές υποσταθμού

Σε σύγκριση με τα συστήματα SPR, τα IFD είναι απλούστερα, πιο οικονομικά και ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές σε επίπεδο διανομής-.

4.2 Ρελέ ξαφνικής πίεσης (SPR / RPR)

Ρελέ ξαφνικής πίεσης (SPR), γνωστά και ως Rapid Pressure Relays (RPR) ή συστήματα ρελέ ταχείας αύξησης πίεσης, είναι συσκευές ανίχνευσης σφαλμάτων υψηλής ταχύτητας-που χρησιμοποιούνται κυρίως σε μεγαλύτερους μετασχηματιστές ισχύος.

Σε αντίθεση με τα IFD, τα οποία παρέχουν κυρίως οπτική ένδειξη σφάλματος, τα συστήματα ρελέ ξαφνικής πίεσης είναι ενσωματωμένα σε κυκλώματα προστασίας μετασχηματιστή και παρέχουν λειτουργίες συναγερμού και διακοπής.

Οι συσκευές SPR παρακολουθούν τον ρυθμό αύξησης της πίεσης μέσα στη δεξαμενή του μετασχηματιστή και ανταποκρίνονται εξαιρετικά γρήγορα σε συμβάντα εσωτερικού τόξου που ενδέχεται να μην ενεργοποιήσουν αμέσως τα συμβατικά ηλεκτρικά ρελέ προστασίας.

Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται συνήθως σε:

• Μετασχηματιστές μέσης ισχύος
• Μεγάλοι μετασχηματιστές ισχύος
• Ανορθωτές μετασχηματιστές
• Μετασχηματιστές φούρνου
• Μετασχηματιστές έλξης

Σε σύγκριση με τα IFD, τα συστήματα προστασίας ρελέ ταχείας αύξησης πίεσης παρέχουν ταχύτερη ηλεκτρική ολοκλήρωση και είναι πιο κατάλληλα για κρίσιμες εφαρμογές και βιομηχανικές εφαρμογές.

4.3 Ρελέ Buchholz

Ρελέ Buchholz Μετασχηματιστή Ισχύος 100MVA 132-22kV

Ρελέ Buchholz Μετασχηματιστή Ισχύος 20(22)MVA 33-11kV

Ρελέ Buchholz Μετασχηματιστής Ισχύος 20MVA 33-6,65KV

Το ρελέ Buchholz είναι μια συσκευή ανίχνευσης σφαλμάτων που λειτουργεί με αέριο- και πετρέλαιο-ροής-που χρησιμοποιείται σε μετασχηματιστές τύπου συντηρητή-.

Σε αντίθεση με τα συστήματα SPR και IFD, τα οποία ανταποκρίνονται κυρίως σε αλλαγές πίεσης, τα ρελέ Buchholz ανιχνεύουν εσωτερικά σφάλματα μέσω:

• Συσσώρευση αερίου
• Κίνηση υπέρτασης λαδιού

Το ρελέ συνήθως λειτουργεί σε δύο στάδια:

• Συναγερμός για αρχικές βλάβες
• Ταξίδι για σοβαρές εσωτερικές βλάβες

Τα ρελέ Buchholz χρησιμοποιούνται ευρέως σε:

• Υποσταθμοί μονάδας τύπου Conservator-
• Μετασχηματιστές μέσης ισχύος
• Μεγάλοι μετασχηματιστές ισχύος

Λόγω της ικανότητάς τους να ανιχνεύουν αργά αναπτυσσόμενα σφάλματα μόνωσης, τα ρελέ Buchholz παραμένουν μία από τις πιο σημαντικές συσκευές ανίχνευσης σφαλμάτων σε μεγάλους μετασχηματιστές-γεμένους με λάδι.

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Ιεραρχία Προστασίας στην Μηχανική Πρακτική

Σε πραγματικές εφαρμογές μετασχηματιστών, αυτές οι συσκευές δεν χρησιμοποιούνται εξίσου σε όλες τις κατηγορίες μετασχηματιστών. Αντίθετα, τα συστήματα προστασίας γίνονται προοδευτικά πιο προηγμένα καθώς το μέγεθος του μετασχηματιστή και η ενέργεια σφάλματος αυξάνονται.

Πίνακας 2 – Εφαρμογή τυπικής συσκευής προστασίας ανά κατηγορία μετασχηματιστή

Αυτή η πολυεπίπεδη διαμόρφωση αντικατοπτρίζει τη μηχανική αρχή ότι η προστασία του μετασχηματιστή εξελίσσεται από τη βασική μηχανική ανακούφιση πίεσης προς τα ενσωματωμένα μηχανικά και ηλεκτρικά συστήματα προστασίας από σφάλματα.

6. Συμπέρασμα

Ο σύγχρονος σχεδιασμός ασφάλειας μετασχηματιστή βασίζεται στον συντονισμό των συστημάτων εκτόνωσης πίεσης και ανίχνευσης σφαλμάτων και όχι στην εξάρτηση από μία μόνο συσκευή.

Τα PRV και τα PRD παρέχουν ελεγχόμενη μηχανική ανακούφιση κατά τη διάρκεια κανονικών και μη φυσιολογικών συνθηκών λειτουργίας. Οι δίσκοι ρήξης παρέχουν απόλυτη προστασία έκτακτης ανάγκης κατά τη διάρκεια καταστροφικών βλαβών. Τα IFD και τα ξαφνικά συστήματα ρελέ πίεσης ανιχνεύουν ξαφνική αύξηση πίεσης που προκαλείται από εσωτερικά ηλεκτρικά σφάλματα, ενώ τα ρελέ Buchholz παρακολουθούν την παραγωγή αερίου και την κίνηση λαδιού που σχετίζονται με την ανάπτυξη αστοχιών μόνωσης.

Μαζί, αυτές οι συσκευές σχηματίζουν μια αρχιτεκτονική προστασίας μετασχηματιστών πολλαπλών επιπέδων που βελτιώνει τη λειτουργική αξιοπιστία, την ασφάλεια του προσωπικού και την ικανότητα απομόνωσης βλαβών σε συστήματα διανομής, βιομηχανικής και κοινής ωφέλειας.