Transzformátor nyomáscsökkentő és hibaérzékelő rendszerek

​​​​​​​

 

1. Bevezetés

 

Az olajos{0}}transzformátorokban a belső nyomásváltozások a működés normális részét képezik. Ahogy a transzformátorolaj felmelegszik és lehűl a töltési ciklusok során, a tartály belsejében lévő lezárt gáztér kitágul és összehúzódik, ami fokozatos nyomásingadozásokat okoz a transzformátor burkolatán belül. Normál üzemi körülmények között ezek a nyomásváltozások lassan mennek végbe, és főként a környezeti hőmérséklet változásaihoz és a transzformátor terheléséhez kapcsolódnak.

A belső elektromos hibák azonban teljesen más nyomásviselkedést hoznak létre. Az olyan események, mint a tekercselés meghibásodása vagy a belső ívkiütés, gyorsan lebonthatják a szigetelőolajat gázzá, ami hirtelen nyomáshullámot kelt a tartály belsejében. Mivel ezek a hiba által generált nyomásemelkedések ezredmásodperceken belül megtörténnek, a transzformátorokhoz nemcsak nyomáscsökkentő eszközökre van szükség, hanem dedikált hibaérzékelő rendszerekre is, amelyek képesek azonosítani a rendellenes nyomásviselkedést, mielőtt a tartály katasztrofális meghibásodása bekövetkezne.

Emiatt a modern transzformátorvédelmi rendszereket általában két fő kategóriába sorolják:

• Nyomáscsökkentő rendszerek
• Hibaérzékelő rendszerek

Ez a réteges védelmi filozófia széles körben tükröződik az IEEE C57 szabványokban és az IEC 60076 transzformátortervezési gyakorlatokban.

 

2. Nyomáscsökkentés vs hibaészlelés

 

Bár a "nyomáscsökkentés" és a "hibaészlelés" kifejezéseket a transzformátoriparban néha felcserélhetően használják, alapvetően eltérő funkciókat látnak el.

A transzformátor nyomáscsökkentő eszköze a túlzott tartálynyomás fizikai felszabadítására szolgál, hogy megakadályozza a transzformátor tartály mechanikai deformációját vagy szakadását. Ezek az eszközök elsősorban a nyomás nagyságára reagálnak, és a transzformátor nyomásvédelmi rendszereinek alapját képezik.

A hibaérzékelő eszközök viszont figyelik a belső elektromos hibákhoz kapcsolódó nyomásváltozás sebességét vagy jellemzőit. A nyomás felengedése helyett riasztási vagy kioldási jeleket generálnak, hogy leválasztják a transzformátort az elektromos rendszerről.

Ez a megkülönböztetés egyre fontosabbá válik, ahogy a transzformátor mérete és a hibaenergia szintje nő.

 

1. táblázat – Különbség a nyomáscsökkentés és a hibaészlelés között

3. Transzformátor nyomáscsökkentő eszközök

 

3.1 Nyomáscsökkentő szelep (PRV)​​​​​​​

A nyomáskioldó szelepet úgy tervezték, hogy megvédje a transzformátor tartályát a túlzott belső nyomástól. Amint a nyomás a tartályban eléri a kioldó nyomást, a szelep automatikusan kinyílik, hogy kiengedje a gázt, amíg a nyomás a biztonságos nyomás alá nem esik. Ezenkívül szükség esetén a felhasználók manuálisan működtethetik a nyomáscsökkentő szelepet transzformátor alkalmazásokban a működtetőgyűrű meghúzásával a belső nyomás csökkentése érdekében.

Az IEEE gyakorlata szerint a PRV transzformátorok tipikus repedési nyomása körülbelül 10 PSIG ±2 PSIG, míg a CSA alkalmazások gyakran alacsonyabb nyomásbeállításokat használnak. A nyomáscsökkentés után a transzformátorrendszerek nyomáscsökkentő szelepe automatikusan újrazáródik, hogy megőrizze a transzformátortartály integritását.

 

Egyszerű felépítésének és megbízható működésének köszönhetően a PRV-t széles körben használják:

• Pólusra szerelt{0}}transzformátorok
• Pad{0}}szerelt transzformátorok
• Olaj-elosztó transzformátorok
• Kis egység alállomások

 

A nagyobb transzformátoros PRD rendszerekkel összehasonlítva a PRV-ket általában előnyben részesítik az alacsonyabb kVA transzformátoroknál, ahol a nyomásemelkedés viszonylag mérsékelt és kiszámítható. Számos elosztótranszformátor-alkalmazásban a transzformátortartályokban lévő PRV szelep továbbra is az alapvető mechanikai nyomásvédelem leggyakoribb formája.

3.2 Nyomásmentesítő eszköz (PRD)

A nyomáscsökkentő berendezések (PRD) lényegében ugyanazt a célt szolgálják, mint a nyomáscsökkentő szelepek (PRV): védik a transzformátor tartályát a túlzott belső nyomástól. A gyakorlatban azonban a PRD-ket gyakrabban társítják nagyobb teljesítményhez. Általában nem lát PRD-t a körülbelül 1500 kVA alatti transzformátorokra telepítve, bár nincs semmi műszaki probléma, ha kisebb egységeken használjuk, ha az alkalmazás megköveteli.

A legtöbb PRD a transzformátor tartály tetejére van szerelve, ahol a belső gáz vagy nyomás gyorsan felszabadul egy hibaállapot során.

A terminológia zavaró lehet, mert a "nyomáscsökkentő eszköz" kifejezést gyakran használják általános ipari kifejezésként mind a PRV-k, mind a PRD-k esetében. A legtöbb esetben a PRV-ket kisebb elosztótranszformátorokon használják, míg a PRD-ket nagyobb egységeknél vagy olyan alkalmazásoknál használják, amelyek gyorsabb nyomásreakciót és hibajelzést igényelnek.

A transzformátor nyomáscsökkentő eszköze ugyanazt az alapvető funkciót látja el, mint a PRV -, csökkentve a túlzott belső nyomást -, de jellemzően nagyobb áramlási képességgel, gyors reakcióidővel, megbízható visszazárási teljesítménnyel és opcionális riasztási vagy megfigyelési funkciókkal tervezték. A továbbfejlesztett PRD-konstrukciók pontos nyitási nyomást, rövid üzemidőt, megbízható, hosszú távú kültéri teljesítményt, valamint hatékony tömítést biztosítanak a nedvesség, por és levegő behatolása ellen, segít fenntartani a pozitív tartálynyomást és javítja a transzformátor működési megbízhatóságát.

 

A fedlapra szerelt PRD-k egyik fő előnye{0}}a figyelési képesség. Számos transzformátor nyomáscsökkentő eszközegység a következőket tartalmazza:

• Vizuális szemaforok vagy működésjelzők
• Távoli riasztó érintkezők
• SCADA{0}}kompatibilis megfigyelési kimenetek

 

Ez a PRD-ket különösen alkalmassá teszi a közüzemi alállomásokhoz és az ipari villamosenergia-rendszerekhez, ahol távfelügyeletre van szükség.

A PRD-ket általánosan alkalmazzák:

• Egység alállomási transzformátorok
• Közepes teljesítményű transzformátorok
• Nagy teljesítményű transzformátorok
• Közüzemi alállomási transzformátorok​​​​​​​

 

Nagyobb közüzemi alkalmazásokhoz a mérnökök gyakran választanak nyomáscsökkentő berendezés transzformátor elrendezést egy kisebb PRV helyett a nagyobb belső hibaenergia és olajmennyiség miatt.

3.3 Tárcsaszakadás

A szakítótárcsákat általában végső vészhelyzeti nyomáscsökkentő eszközként használják a nagy{0}}energiájú transzformátoralkalmazásokban.

A PRV-kkel és a szabványos PRD-kkel ellentétben a szakítótárcsák nem{0}}visszaállítható eszközök, amelyeket arra terveztek, hogy azonnal felrobbanjanak, amikor a belső nyomás elér egy kritikus határt. Elsődleges céljuk a teljes terület gyors szellőztetése-katasztrófális belső hibaesemények esetén.

 

Mivel a töréskorongokat működés után ki kell cserélni, általában a következőkre vannak fenntartva:

• Nagy teljesítményű transzformátorok
• Kemence transzformátorok
• Vontatási transzformátorok
• Magas hibás{0}}szintű ipari rendszerek

A mérnöki gyakorlatban a szakítótárcsák jelentik a legmagasabb szintű mechanikai nyomásvédelmet.

4. Transzformátorhiba-érzékelő eszközök

 

4.1 Belső hibaérzékelő (IFD)

A belső hibaérzékelőket (IFD) széles körben használják oszlopra{0}}szerelt és alátétre szerelt{1}}transzformátorokon egyszerű, de rendkívül hatékony terepi biztonsági eszközként.

Az IFD érzékeli a hirtelen belső nyomásemelkedést, amelyet a transzformátortartályon belüli ívzárlat okoz. Aktiválásakor egy élénk színű vizuális jelző ugrik ki, lehetővé téve a szolgáltatók számára, hogy azonnal felismerjék, hogy a transzformátor belső meghibásodást észlelt, és nem szabad újra{1}}feszültség alá helyezni.

 

A modern IFD rendszerek egyik fő előnye, hogy sok konstrukció egy szabványos IEEE- vagy CSA-kompatibilis PRV-t integrál a transzformátor-összeállításokba ugyanabban az eszközben, kombinálva:

• Nyomáscsökkentés
• Hibajelzés

egyetlen kompakt szerkezetbe.

 

Az IFD-ket általában a következőkben használják:

• Egyfázisú-pólusú-szerelt transzformátorok
• Három-fázisú pólusú-szerelt transzformátor
• Pad{0}}szerelt transzformátorok
• Kis alállomási transzformátorok

Az SPR-rendszerekhez képest az IFD-k egyszerűbbek, gazdaságosabbak, és különösen alkalmasak terjesztési szintű alkalmazásokhoz.

4.2 Hirtelen nyomás relé (SPR / RPR)

 

Ezeket a rendszereket gyakran használják:

• Közepes teljesítményű transzformátorok
• Nagy teljesítményű transzformátorok
• Egyenirányító transzformátorok
• Kemence transzformátorok
• Vontatási transzformátorok

 

Az IFD-kkel összehasonlítva a gyors nyomásnövekedés elleni relé védelmi rendszerek gyorsabb elektromos integrációt biztosítanak, és alkalmasabbak kritikus közüzemi és ipari alkalmazásokhoz.

4.3 Buchholz relé

A Buchholz relé egy gáz- és olaj-áram{2}}működtetésű hibaérzékelő eszköz, amelyet konzervátoros- típusú transzformátorokban használnak.

Ellentétben az SPR és IFD rendszerekkel, amelyek elsősorban a nyomásváltozásokra reagálnak, a Buchholz relék a belső hibákat az alábbiak szerint észlelik:

• Gáz felhalmozódás
• Olajlökés mozgása

 

A relé általában két szakaszban működik:

• Riasztás kezdődő hibákra
• Kirándulás súlyos belső hibák miatt

 

A Buchholz reléket széles körben használják:

• Conservator{0}}típusú egységalállomások
• Közepes teljesítményű transzformátorok
• Nagy teljesítményű transzformátorok

 

A lassan kialakuló szigetelési hibák észlelésére való képességük miatt a Buchholz relék továbbra is az egyik legfontosabb hibaérzékelő eszköz a nagy, olajjal töltött{0}}transzformátorokban.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Védelmi hierarchia a mérnöki gyakorlatban

 

Valódi transzformátoralkalmazásokban ezeket az eszközöket nem egyformán használják minden transzformátorosztályban. Ehelyett a védelmi rendszerek fokozatosan fejlettebbé válnak, ahogy a transzformátor mérete és a hibaenergia nő.

 

2. táblázat – Tipikus védelmi eszközök alkalmazása transzformátorosztály szerint

Ez a réteges konfiguráció azt a mérnöki elvet tükrözi, hogy a transzformátorvédelem az alapvető mechanikus nyomáscsökkentéstől az integrált mechanikai és elektromos hibavédelmi rendszerek felé fejlődik.

6. Következtetés

 

A modern transzformátorbiztonsági tervezés a nyomáscsökkentő és a hibaérzékelő rendszerek összehangolásán alapul, nem pedig egyetlen eszközre támaszkodva.

A PRV-k és PRD-k szabályozott mechanikai nyomáscsökkentést biztosítanak normál és rendellenes működési körülmények között. A szakadási tárcsák maximális vészvédelmet nyújtanak katasztrofális hibák esetén. Az IFD-k és a hirtelen nyomásrelérendszerek érzékelik a belső elektromos hibák okozta hirtelen nyomásemelkedést, míg a Buchholz-relék figyelik a gázképződést és a szigetelési hibák kialakulásával kapcsolatos olajmozgást.

Ezek az eszközök együtt egy több-rétegű transzformátorvédelmi architektúrát alkotnak, amely javítja a működési megbízhatóságot, a személyzet biztonságát és a hibaelhárítási képességet az elosztó, ipari és közüzemi áramellátó rendszerek között.