РАЗГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА
Под разгрузочной способностью понимается способность взрывобезопасных оболочек электрооборудования в момент взрыва внутри оболочки снижать давление до величин, допустимых по условиям механической прочности оболочки без передачи взрыва в окружающую среду. Для оболочек с воздушным заполнением эта разгрузка осуществляется через специальный клапан, для оболочек с кварцевым заполнением через весь объем кварцевого песка.
Рис. 3-5. Характер изменения давления взрыва в оболочке от степени ее заполнения кварцевым песком.
В кожухе трансформатора, заполненном песком с зернами 0,5—1,6 мм, естественно, между зернами песка имеется определенный процент воздуха или взрывчатой метано-воздушной смеси. В аварийных режимах трансформатора (недопустимые перегрузки с чрезмерным нагревом обмоток, короткие замыкания, сопровождаемые горением дуги, и т. п.) возможно воспламенение или даже взрыв метано-воздушной смеси в объеме кожуха трансформатора.
При возникновении взрыва газовой смеси в зоне короткого замыкания трансформатора происходит значительное повышение давления. Но за зоной короткого замыкания давление резко снижается благодаря окклюдированию продуктов взрыва слоем песка — наличие многочисленных каналов между зернами способствует быстрому уменьшению давления в кожухе.
В МакНИИ опытным путем определена зависимость давления при взрыве газовой смеси в оболочке от степени заполнения ее кварцевым песком. Чем больше количество песка в оболочке (рис. 3-5), тем меньше среднее давление, возникающее при взрыве метано-воздушной смеси в оболочке [Л. 33]. Это позволяет для шахтных взрывобезопасных трансформаторных подстанций, имеющих, кроме оболочки, заполненной кварцевым песком, оболочки с фланцевой взрывозащитой (например, распределительные устройства с аппаратурой), которые должны выдерживать давление взрыва, равное 8—10 ат, с помощью специальных разгрузочных устройств между кварценаполненной оболочкой и воздушной оболочкой уменьшить веса и габариты за счет меньших испытательных давлений, так как часть давления взрыва будет разгружаться в кварцевую среду.
ТОЛЩИНА ВЗРЫВОЗАЩИТНОГО СЛОЯ КВАРЦЕВОГО ЗАПОЛНЕНИЯ
Критерием оценки взрывозащитных свойств слоя кварцевого песка принята высота его оплавления электрической дугой короткого замыкания. В результате исследований, проведенных в МакНИИ [Л. 18], установлено, что: а) высота оплавления увеличивается с увеличением тока и продолжительности дугового короткого замыкания и почти не зависит от величины напряжения в сети; б) высота оплавления тем выше, чем толще защитный слой песка.
В процессе исследований были определены зависимости толщины взрывозащитного слоя песка от тока дугового короткого замыкания H=f(Iкз) для различных условий: для условий аварийного дугового замыкания электрических частей трехфазного тока (рис. 3-6) — кривые 1 и 2 и для условий дугового замыкания электрических частей постоянного и однофазного тока — кривые 3 и 4.
При горении электрической дуги происходит спекание и оплавление кварцевого песка с образованием «корольков» различной величины. Наличие необходимого слоя кварцевого песка в оболочке препятствует выбросу «корольков» на поверхность песка, обеспечивая тем самым взрывозащищенность электрооборудования Как видно из кривых на рис. 3-6. минимальные значения толщины взрывозащитного слоя НВ=Нэв для однофазного и трехфазного тока различны. Минимальная высота слоя кварцевого заполнения в трансформаторе на стороне первичного напряжения 3 или 6 кВ определяется по полуэмпирической формуле
(3-13)
а на стороне вторичного напряжения
(3-14)
где ток кз — расчетный эффективный установившийся ток трехфазного короткого замыкания на первичной или вторичной стороне трансформатора соответственно.
Рис. 3-6. Зависимость толщины взрывозащитного слоя песка от тока короткого замыкания при дуговом замыкании.
1 — без защитного экрана; 2 — с защитными экранами; постоянного и однофазного переменного тока; 3 —без защитного экрана; 4— с защитным экраном.
1 и 2 — для трехфазного тока; 3 к 4 — для постоянного и однофазного тока.
Толщина взрывозащитного слоя песка Нв (кривые 1 и 3) составляет в обоих случаях весьма значительную величину. Увеличение высоты защитного слоя позволяет достичь минимальной величины высоты зоны оплавления, зависящей от тока и времени действия электрической дуги, так как высота зоны оплавления зависит от статического давления, оказываемого слоем песка, расположенного над этой зоной, или от величины силы реакции защитного слоя. Увеличивая силу реакции раз-
витию оплавления, можно уменьшить высоту оплавления при небольших толщинах защитного слоя. При наличии жесткой перегородки-экрана между токоведущими частями трансформатора и верхним слоем песка, препятствующего перемещению песка при коротком замыкании, возникают значительные силы, препятствующие развитию оплавления.
Рис. 3-7. Схема расположения выемной части трансформатора типа ТКШВП в кожухе.
а — без защитного экрана; б— при наличии защитного экрана; 1— защитный экран; 2 —кожух трансформатора; 3 — токоведущие шины.
Применение в трансформаторах защитного экрана, представляющего собой заземленный металлический лист с перфорацией, закрепленного на стенках кожуха трансформатора в пределах взрывозащитного слоя кварцевого песка, дает возможность значительно уменьшить толщину взрывозащитного слоя (рис. 3-6, кривые 2 и 4, и рис. 3-7). При наличии экрана минимальная высота взрывозащитного слоя кварцевого заполнения в трансформаторе определяется по формуле
т. е. уменьшается примерно в 3 раза.
Жесткость экрана должна быть такой, чтобы в момент короткого замыкания стрела прогиба экрана не превышала 1,2 мм. Усилие, действующее на экран, зависит от величины тока короткого замыкания. Согласно тензометрическим измерениям при расчетных токах дугового короткого замыкания 2 000—6 000 а усилия на экран составляют 70 -170 кГ [Л. 17]. Жесткость защитного экрана и прочность его крепления в оболочке рассчитываются по эквивалентному статическому усилию дугового разряда.
Для предотвращения образования пустот под экраном вследствие перемещения песка последний по всей своей поверхности имеет сквозные отверстия диаметром 10 мм с шагом 50 мм в обоих направлениях, а над экраном предусматривается резервный слой песка толщиной не менее 20 мм.
При работе трансформаторов возможны повреждения отводов, проходящих между выемной частью и кожухом. Для подобных случаев минимальная толщина бокового взрывозащитного слоя вычисляется по формуле (для напряжения до 2 000 в)
(3-16)
где токр — расчетный действующий ток, равный удвоенному значению номинального тока в отводах трансформатора.
При напряжении 3—-6 кВ слой Н0мин принимается равным величине соответствующего электрического зазора в песке до наружной стенки кожуха согласно табл. 3-2.
Исследованиями установлено, что вероятность наружного взрыва метано-воздушной смеси, вычисленная по формуле [Л. 18], равна:
(3-17)
где Н — принятая толщина защитного слоя песка; h — среднее арифметическое значение высоты оплавления; а и а2 — дисперсия и среднеквадратическое отклонение результатов опытов.
Для применяемых минимальных слоев кварцевого песка при мощности трехфазного короткого замыкания, равной 50 тыс. кВА при напряжении 6,5 кВ, р= 10~8, т. е.
обеспечивается полная взрывобезопасность кварценаполненных трансформаторов. Трехфазное короткое замыкание в кварценаполненном электрооборудовании маловероятно ввиду того, что внутри образуется «королек», имеющий четко ограниченный контур, препятствующий беспорядочному развитию дуги.
Весьма важным качеством с точки зрения эксплуатации трансформаторов с кварцевым заполнением в условиях шахт является то, что при затяжных коротких замыканиях обмотки горят без выделения дыма благодаря окклюдированию продуктов горения слоями песка.
