Пожаробезопасность силовых трансформаторов - Предотвращение разрыва бака маслонаполненных трансформаторов

Предотвращение разрыва бака маслонаполненных трансформаторов вследствие внутреннего повреждения

Когда возникает внутреннее повреждение в маслонаполненном трансформаторе, под воздействием дуги образуется большой объем газов, являющихся продуктами разложения масла, что приводит к быстрому увеличению давления в баке. В случае тяжелого повреждения защитные устройства не способны снизить давление, и может произойти разрыв бака. Разрыв бака вызывает разлив большого количества масла и может привести к пожару вследствие контакта разогретых горючих газов с кислородом воздуха.

Количество повреждений трансформаторов с внутренними короткими замыканиями

Количество газов генерируемых дугой.

Напряжение дуги слабо зависит от тока, а изменяется в зависимости от длины дуги, формы электродов, давления и пр. Зависимость согласно опытным данным, полученным в Японии, приведена на рис. 1 зависимость.
При повреждении изоляции линейного отвода ВН на землю током дуги является ток к. з. системы, а при повреждении на другом участке — с учетом соответствующего полного сопротивления.

Рис. 1. Напряжение дуги в масле в зависимости от ее длины.

Количество образующихся газов.

Количество газа может быть посчитано исходя из разницы химической энергии связи между маслом и образующимися газами, при этом предполагается следующий состав газов: водород Н2 — 60 %, ацетилен С2Н2 — 30 %, метан СН4 — 5%, этилен С2Н4 — 5%.
Температура газов в момент их образования крайне высокая, и необходимо учесть тепловое расширение. Предполагается, что температура газа в непосредственной близости от дуги составляет около 4000 К, но средняя температура всего объема газа будет ниже — около 2000 К. Объем газа, образующегося при давлении 1 кгс/см² и фактической температуре, можно оценить как 0,3— 0,5 л/(кВт-с). Экспериментальные результаты дают такую же скорость. Принимая с запасом цифру 0,5 л/(кВт*с), можно заключить, что скорость газообразования при серьезном повреждении достигает почти 50000 л/с.

Расширение бака.

Давление в баке вследствие повреждения будет тем меньше, чем больше коэффициент расширения бака. Поэтому значение коэффициента расширения очень важно для предотвращения разрыва бака особенно в случае тяжелого повреждения, когда едва ли можно надеется на защитное устройство. Коэффициент расширения (отношение увеличения объема бака к приращению внутреннего давления) зависит от конструкции бака и его размера. Так, для трансформатора 300 MB • А он оказался равным от 350 до 700 л/(кгс/см²).
Обычно коэффициент расширения значительно увеличивается, когда давление возрастает сверх предела упругости и начинается пластическая деформация. Это можно учитывать при расчетах.
Увеличение прочности бака обычно ведет к уменьшению расширения, и требуется особое внимание, чтобы сохранить требуемую упругость. Очень эффективным является усиление разъемов бака с помощью дополнительных элементов, например, струбцин (рис. 2). Прочность бака такими мерами может быть доведена до 5 кгс/см².

Рис. 2. Варианты крепления разъема бака с помощью С-образных струбцин: 1 — верхняя часть бака, 2 — С-образная струбцина, 3 — сварной шов, 4— нижняя часть бака, 5 — балка жесткости.

Анализ повышения давления в баке.

Если пренебречь выбросом масла через защитное устройство, объем образовавшегося сжатого газа равен расширению бака.
Учитывая фактическое нелинейное изменение А, вышеприведенное уравнение может быть решено численными методами. Ввиду колебаний давления и его неравномерного распределения максимальное значение фактически будет больше, чем P(t). Коэффициент увеличения для больших трансформаторов согласно теоретическим и экспериментальным данным составляет 1.3. В соответствии с теорией на рис 3 приведены допустимые токи повреждения без разрыва бака. Видно, что если удается отключить поврежденный трансформатор в течение 60— 80 мс, разрыв бака можно предотвратить.

Рис. 3. Допустимые токи повреждения в зависимости от их длительности: а — при различных коэффициентах расширения бака, А; прочность бака 5 кг • сс/см², напряжение дуги 5000В; б — при различных напряжениях дуги, U; прочность бака 5 кг/см²; коэффициент расширения бака 600 л/кг • с/см².

Если коэффициент расширения бака настолько мал, что давление превышает допустимое значение, рекомендуется использовать расширитель в качестве уменьшающего давления пространства, соединенною с баком возможно короткой трубой большою диаметра.
Для учета влияния защитного устройства может быть введен член, характеризующий количество выбрасываемою масла с момента срабатывания устройства.
Можно показать, что защитное устройство диаметром 300 мм может пропускать только 1000 л/с масла при давлении в баке 2 кгс/см² выше атмосферного. Это соответствует дуге мощностью 6 МВт. Кроме того, имеет место задержка момента срабатывания клапана, особенно, если в нем имеется газовая подушка. Таким образом, предохранительный клапан обычного устройства не сможет существенно уменьшить давление в баке в случае серьезного повреждения (КЗ).
В приведены результаты экспериментов, проведенных с помощью воспроизведения эффекта электрического разряда специальной взрывной камерой, помещаемой в испытуемый бак с имитацией активной части и заполненный водой. В результате исследований установлено следующее. Давление сначала возникает в баке с предполагаемым местом повреждения и затем распространяется на соседние подсоединенные емкости (соседний бак или расширитель, соединенные с основным баком патрубком большого диаметра). Давление в этих емкостях носит колебательных характер с колебаниями большего периода, что вызвано, по-видимому, движением жидкости.
Внутри бака на расстоянии от места повреждения измеренное в нескольких точках давление почти одинаково. Можно считать, что распределение давления равномерно и совпадает с результатами расчетов. Однако в месте повреждения из-за наложенных колебаний давление повышается, что можно учесть коэффициентом 1,3. Опыты показали, что подсоединение к баку дополнительной емкости в виде бака или расширителя, имеющего достаточный объем, через патрубок большого диаметра позволяет существенно снизить давление в баке с повреждением через 20—40 мс после момента его возникновения. Емкость около 1000 л снижает давление на 20—30%.
Максимальный эффект получен при патрубке диаметром 900 мм (при длине патрубка 500 мм). Дальнейшее увеличение диаметра не дало большого эффекта. Оптимальный размер существенно зависит от коэффициента расширения бака.
Результаты испытаний подтвердили, что в данной модели для предотвращения разрыва бака при давлениях, эквивалентных мощности КЗ до 15 000 МВ-А, эффективным является усиление разъема и других соединений бака, а также подсоединение дополнительной емкости расширителя с объемом воздушной подушки 3000 л патрубком диаметром 1400 мм.
Было подтверждено, что в большинстве случаев трансформаторные баки могут выдерживать давление, являющееся результатом тяжелейшего КЗ. отключаемого в течение достаточно короткого времени, если они соответственно усилены. В особых случаях давление может превзойти допустимый предел вследствие малого значения коэффициента расширения бака. Подтверждено, что в этих случаях использование расширителя с пленочной защитой в качестве емкости, уменьшающей давление, является очень эффективным.