Настоящее изобретение касается устройства для предотвращения взрывов электрических трансформаторов, охлаждаемых большим объемом горючей жидкости.
В электрических трансформаторах как в обмотках, так и в сердечнике происходят потери, требующие рассеяния производимого тепла. Трансформаторы большой мощности охлаждаются жидкостью, такой как масло. Используемые масла являются диэлектрическими и могут возгораться при температуре, превышающей 140°С. Поскольку трансформаторы являются дорогостоящим образованием, их защите должно уделяться особое внимание.
Пробой изоляции на первом этапе порождает мощную электрическую дугу, вызывающую срабатывание электрических защитных систем, отключающих блок питания трансформатора (выключатель). Электрическая дуга также вызывает выделение значительного количества энергии, приводящее к выделению газов от разложения диэлектрического масла, в частности водорода и ацетилена.
Вследствие выделения газов внутри трансформаторного бака резко возрастает давление, приводящее к воспламенению, которое часто бывает очень сильным. В результате воспламенения происходит разрыв механических соединений (болтов, сварочных швов) бака трансформатора, приводящий к контакту указанных газов с кислородом окружающей атмосферы. Поскольку ацетилен в присутствии кислорода самовоспламеняется, то сразу же возникает пожар, распространяющийся на другое оборудование, которое тоже может содержать большие объемы горючих веществ.
Взрывы происходят при коротких замыканиях, вызываемых перегрузками, сверхвысоким напряжением, постепенным нарушением изоляции, недостаточным уровнем масла, появлением воды или плесени или пробоем изоляционного элемента.
Из предшествующего уровня техники известны защитные противопожарные системы для электрических трансформаторов, приводимые в действие противопожарными датчиками. Однако эти системы отличаются большой инертностью и включаются, когда масло в трансформаторе уже загорелось. В данном случае речь идет только о локализации пожара в пределах данной установки, чтобы не допустить его распространения на расположенное рядом оборудование.
Для замедления разложения диэлектрического масла от электрической дуги можно вместо обычных минеральных масел использовать силиконовые масла. Однако при этом взрыв бака трансформатора от повышения внутреннего давления задерживается на чрезвычайно малое время порядка нескольких миллисекунд. Это время не позволяет привести в действие средства, способные предотвратить взрыв.
В документе WO-A-97/12379 описан способ предотвращения взрыва и пожара электрического трансформатора, оборудованного баком, заполненным горючим охлаждающим маслом, путем обнаружения пробоя электрической изоляции трансформатора датчиком давления.
Осуществляют сброс давления содержащейся в баке охлаждающей жидкости при помощи клапана и охлаждают горячую охлаждающую жидкость путем нагнетания под давлением инертного газа в нижнюю часть бака, чтобы взболтать указанную жидкость и предотвратить попадание кислорода в бак трансформатора. Этот способ достаточно эффективен и позволяет предотвратить взрыв бака трансформатора.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания усовершенствованного устройства для предотвращения взрыва электрического трансформатора, позволяющего достичь быстрой декомпрессии бака трансформатора и увеличить возможность сохранения целостности трансформатора, переключателей ответвлений под нагрузкой и вводов.
Устройство для предотвращения взрыва электрического трансформатора в соответствии с настоящим изобретением содержит бак, заполненный горючей охлаждающей жидкостью, и средство декомпрессии бака трансформатора. Средство декомпрессии содержит разрывной элемент, снабженный замедлителем, содержащим первые зоны меньшей толщины по отношению к остальной части замедлителя, выполненные с возможностью разрыва без образования фрагментов, и вторые зоны меньшей толщины по отношению к остальной части замедлителя, выполненные с возможностью сгибания без разрыва при разрыве указанного элемента. Указанный разрывной элемент выполнен с возможностью разрываться, когда давление внутри бака превышает заданное пороговое значение.
Предпочтительно разрывной элемент оснащен уплотнителем, расположенным со стороны жидкости с возможностью перекрывания отверстий небольшого диаметра, выполненных в замедлителе.
Отверстия могут выполнять роль детонаторов разрыва и могут быть выполнены вблизи первых зон меньшей толщины.
В одном из вариантов выполнения изобретения уплотнитель выполнен в виде покрытия на части замедлителя, при этом указанное покрытие предпочтительно выполнено на основе политетрафторэтилена.
Предпочтительно часть замедлителя выполнена выгнутой с выпуклостью во внешнюю сторону, противоположную жидкости.
В одном из вариантов выполнения изобретения часть замедлителя выполнена металлической из нержавеющей стали, из алюминия или из алюминиевого сплава.
Предпочтительно устройство содержит средство обнаружения разрыва, встроенное в разрывной элемент, что позволяет определить давление в баке по отношению к заданному пороговому значению.
В одном из вариантов выполнения изобретения средство обнаружения разрыва содержит электрический провод, выполненный с возможностью разрываться одновременно с разрывным элементом.
В одном из вариантов выполнения изобретения электрический провод наклеивают на разрывный элемент.
Предпочтительно электрический провод расположен на стороне замедлителя, противоположной жидкости.
В одном из вариантов изобретения электрический провод покрывают защитной пленкой.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания системы предотвращения взрыва электрического трансформатора, содержащего бак, заполненный горючей охлаждающей жидкостью, и средство декомпрессии бака трансформатора. Система содержит несколько устройств, описанных выше, одно или несколько из которых выполнено на основном баке, содержащем обмотки, и одно - на каждом переключателе ответвлений под нагрузкой.
Система может содержать по меньшей мере одно вышеописанное устройство по меньшей мере на одном электрическом вводе.
Одновременно происходят разрыв разрывного элемента, обеспечивающий декомпрессию бака, и разрыв провода, позволяющий обнаружить превышение давления сверх нормы.
Выражения "со стороны жидкости" или "со стороны, противоположной жидкости" подразумевают состояния устройства до разрыва разрывного элемента.
Устройство для предотвращения взрыва выполнено для основного бака трансформатора, для переключателя или переключателей ответвлений под нагрузкой для бака и для электрических вводов бака, при этом последний бак называют масляной коробкой. Электрические вводы обеспечивают изоляцию основного бака трансформатора от линий высокого и низкого напряжения, к которым через выходные стержни подсоединены обмотки трансформатора. Каждый выходной стержень погружен в масляную коробку, содержащую некоторое количество изолирующей жидкости. Изолирующая жидкость вводов и/или масляных коробок является маслом, которое отличается от жидкости в трансформаторе.
Можно предусмотреть средство для подачи азота, соединенное с верхней частью масляной коробки и выполненное с возможностью срабатывания при обнаружении аварии. Нагнетание азота может способствовать удалению жидкости за разрывной элемент.
Нагнетание азота может также предотвратить попадание воздуха в масляную коробку, так как это может привести к возникновению пожара.
Устройство для предотвращения взрыва может быть оборудовано средством обнаружения отключения блока питания трансформатора и блоком управления, в который поступают сигналы от датчиков трансформатора и который выполнен с возможностью подачи сигналов управления.
Устройство для предотвращения взрыва может содержать средство охлаждения горячих частей жидкости путем нагнетания инертного газа в нижнюю часть основного бака, которое управляется сигналами управления, поступающими от блока управления. Действительно, некоторые части охлаждающей жидкости подвергаются нагреву, что может привести к ее воспламенению. Нагнетание инертного газа в нижнюю часть основного бака способствует взбалтыванию охлаждающей жидкости, при этом происходит выравнивание температуры и сокращается выделение газов.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием нескольких предпочтительных вариантов выполнения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1а изображает поперечный разрез устройства для предотвращения взрыва электрического трансформатора, согласно изобретению;
Фиг.1b - частичное увеличенное изображение устройства, показанного на фиг.1;
Фиг.2 - устройство для предотвращения взрыва электрического трансформатора (вид сверху), согласно изобретению;
Фиг.3 - общий вид трансформатора, оборудованного устройством для предотвращения взрыва, согласно изобретению;
Фиг.4 - общий вид трансформатора, оборудованного несколькими устройствами для предотвращения взрыва, предназначенными для разделения бака, переключателей ответвлений под нагрузкой и вводов, согласно изобретению;
Фиг.5 - схема работы устройства, показанного на фиг.4, согласно изобретению;
Фиг.6 - ввод, оборудованный устройством для предотвращения взрыва (поперечный разрез), согласно изобретению.
Разрывной элемент 1 (фиг.1а, 1b и 2) имеет круглую выгнутую форму с выпуклостью в сторону выхода и выполнен с возможностью установки на выходном отверстии бака (не показан), содержащего диэлектрическую жидкость. Разрывной элемент 1 содержит замедлитель 4, выполненный в виде металлической перепонки небольшой толщины, например, из нержавеющей стали, из алюминия или из алюминиевого сплава. Замедлитель зажат между двумя фланцами 2, 3, выполненными в виде дисков. Кроме замедлителя 4 разрывной элемент 1 содержит уплотнительное покрытие 9, выполненное со стороны входа и покрывающее выпуклую сторону замедлителя. Например, покрытие 9 выполнено на основе политетрафторэтилена.
В замедлителе 4 выполнены радиальные бороздки 5, делящие его на шесть частей. Радиальные бороздки 5 выполнены в утолщенной части замедлителя 4 так, что разрыв замедлителя 4 происходит вдоль указанных бороздок 5, при этом не происходит образование фрагментов, так как фрагменты разрывного элемента 1 могут быть увлечены жидкостью, проходящей через разрывный элемент 1, и повредить трубопровод, находящийся на выходе.
В замедлителе 4 выполнены сквозные отверстия 6 небольшого диаметра, одно из которых находится в центре замедлителя 4, а другие распределены по одному на каждую бороздку 5 вблизи центра. Из семи отверстий шесть отверстий расположены в виде шестиугольника и одно - в центре. Отверстия 6 выполняют роль детонаторов разрыва, имеющих сопротивление еще более слабое, чем бороздки 5, и обеспечивающих начало разрыва в центре замедлителя 4 и его распространение во внешнюю сторону. Выполнение по меньшей мере одного отверстия 6 на бороздке 5 обеспечивает одновременный разрыв бороздок 5 и максимальное проходное сечение, поскольку отверстия 6, кроме центрального, расположены на равном удалении от центра. Как вариант, можно предусмотреть выполнение бороздок 5 в количестве, отличном от шести, и/или нескольких отверстий 6 на бороздке 5. Уплотнительное покрытие 9 выполнено с возможностью перекрывания отверстий 6.
Давление разрыва разрывного элемента 1 определяется, в частности, диаметром и расположением отверстий 6, глубиной бороздок 5, толщиной и составом материала, из которого выполнен замедлитель 4.
В замедлителе 4 (фиг.2) выполнены канавки 7, причем каждая канавка 1 образована сегментом прямой, соединяющей пересечение бороздки 5 и кольцевого края замедлителя 4 и пересечение соседней с предыдущей бороздки 5 и кольцевого края замедлителя 4. Замедлитель 4 является выгнутым, поэтому понятно, что канавки 7 следуют кривизне замедлителя 4 и при рассмотрении сбоку будут иметь форму дуг эллипса. Канавка 7 и две смежные бороздки 5 образуют треугольник 8, который при разрыве отделяется от соседних треугольников путем разрыва материала в бороздках 5 и деформируется путем сгиба в сторону выхода вдоль канавки 7. Канавки 7 обеспечивают сгиб треугольников 8 без разрыва, тем самым предотвращая отрыв указанных треугольников 8, которые могут повредить трубопровод на выходе или помешать вытеканию жидкости в выпускной трубопровод, создавая таким образом потерю напора и замедляя сброс давления со стороны входа. Потеря напора, возникающая благодаря разрывному элементу 1 после разрыва, сокращается при увеличении количества бороздок 5 и канавок 7. Количество бороздок 5 и канавок 7 зависит также от диаметра разрывного элемента 1.
Во фланце 3, расположенном за фланцем 2, выполнено сквозное радиальное отверстие, в котором установлена защитная труба 10. Детектор разрыва содержит электрический провод 11, закрепленный на выходной стороне замедлителя 4 и выполненный в виде петли. Электрический провод 11 входит в защитную трубу 10 до соединительной коробки 12. Электрический провод 11 установлен почти на всем диаметре разрывного элемента 1, при этом одна часть 11а провода расположена по одну сторону одной бороздки 5 параллельно указанной бороздке 5, а другая часть 11b провода расположена радиально с другой стороны той же бороздки 5 параллельно указанной бороздке 5. Расстояние между двумя частями 11а, 11b провода небольшое. Это расстояние может быть меньше максимального расстояния, отделяющего два отверстия 6, при этом провод 11 проходит между отверстиями 6.
Электрический провод 11 покрыт защитной пленкой 12, которая одновременно предохраняет его от коррозии и служит для приклеивания к выходной стороне замедлителя 4. Состав этой пленки 12 выбирают таким образом, чтобы не менять давления разрыва разрывного элемента 1. Пленка 12 может быть выполнена из измельченного полиамида. Разрыв разрывного элемента неизбежно влечет за собой разрыв электрического провода 11. Этот разрыв может быть чрезвычайно просто обнаружен при прерывании тока, проходящего через провод 11, или при изменении напряжения между двумя концами провода 11.
Трансформатор 13 (фиг.3) содержит основной бак 14, который установлен на земле на ножках 15, и к нему подвод энергии осуществлен по проводам 16, установленным в изоляторах 17. Основной бак 14 заполнен охлаждающей жидкостью, например диэлектрическим маслом, и выполнен с возможностью выдерживать относительное внутреннее давление в 1 бар.
Основной бак 14 оборудован компенсационной эластичной муфтой 18, на выходе которой установлен разрывный элемент 1, разрыв которого позволяет обнаружить изменение давления, вызванное воспламенением при пробое электрической изоляции трансформатора. Разрывной элемент 1 установлен на емкости 19, в которую из основного бака 14 попадает масло после разрыва разрывного элемента 1. Емкость 19 оборудована трубопроводом 20 для удаления газов, выделяющихся из масла. Если трансформатор установлен в закрытом помещении, трубопровод 20 выводят наружу. Таким образом, в основном баке 14 происходит моментальный сброс давления, масло из него удаляется в емкость 19. Разрывной элемент 1 может быть выполнен с возможностью разрыва при заданном давлении меньше 1 бара, например в пределах от 0,2 до 0,9 бар, предпочтительно от 0,5 до 0,8 бар.
В трубопроводе 20 установлена воздухозапорная заслонка 20а для предотвращения попадания кислорода из воздуха, который может способствовать взрывоопасному воспламенению газов и масла в емкости 19 и в основном баке 14.
На трансформатор 13 подается напряжение от блока питания (не показан), содержащего средства перекрытия питания, такие как выключатели, предназначенные для защиты трансформатора 13, и оборудованного датчиками отключения.
Основной бак 14 содержит средство охлаждения жидкости путем нагнетания инертного газа, такого как азот, в нижнюю часть основного бака. Охлаждение позволяет уменьшить количество опасных газов, выделяющихся при разложении жидкости, сократить пропорциональное содержание водорода в указанном количестве опасных газов. Инертный газ находится по меньшей мере в одном баллоне 21 под давлением, оборудованном пиротехническим вентилем 22, редуктором 23 и трубопроводом 24 для подачи инертного газа в нижнюю часть основного бака 14. Открытие вентиля 22 управляется сигналом разрыва, который подается от детектора разрыва, встроенного в разрывный элемент 1, и совпадает с сигналом срабатывания одной из электрических защит трансформатора 13. Нагнетание инертного газа вызывает небольшой подъем уровня диэлектрической жидкости в основном баке 14 и ее вытекание в емкость 19.
Такая защитная система является экономичной, автономной по отношению к соседним установкам, имеет небольшие габариты и не требует специального обслуживания.
Трансформатор 13 (фиг.4) имеет диапазон мощности, больший по сравнению с трансформатором, показанным на фиг.3, и оборудован одним или несколькими переключателями ответвлений под нагрузкой и электрическими вводами низкого и высокого напряжения.
Для обеспечения постоянного уровня охлаждающей жидкости в основном баке 14 трансформатор 13 оборудован резервной емкостью 25, сообщающейся с основным баком 14 через трубопровод 26.
На трубопроводе 26 установлен автоматический клапан 27, перекрывающий трубопровод 26 в момент обнаружения быстрого перетекания жидкости. Во время взрыва в основном баке 14 давление в трубопроводе 26 резко падает и начинается перетекание жидкости, которое быстро прекращается путем перекрывания автоматического клапана 27. Таким образом, предотвращается попадание жидкости из резервной емкости 25, которая может способствовать началу пожара в трансформаторе 13.
Основной бак 14 содержит датчик 28 присутствия пара охлаждающей жидкости, называемый также защитой Бухгольца, установленный в верхней точке основного бака, чаще всего на трубопроводе 26. Во время воспламенения при пробое электрической изоляции происходит быстрое выделение пара в основном баке 14.
Таким образом, датчик пара 28 служит для обнаружения пробоя электрической изоляции.
Трансформатор 13 содержит вентиль 29, установленный между баком 14 и эластичной компенсационной муфтой 18. Вентиль 29 постоянно находится в открытом положении, когда трансформатор 13 находится под давлением, и может закрываться во время обслуживания, когда в трансформаторе 13 нет давления. На выходе разрывного элемента 1 установлен трубопровод 30 сброса давления, оборудованный воздухозапорной заслонкой 31. Трубопровод 30 сброса давления сообщен с безопасным отстойником или сточным колодцем.
Трансформатор 13 может быть оборудован одним или несколькими переключателями 32 ответвлений под нагрузкой, выполняющими роль переходников между трансформатором 3 и электрической сетью, с которой он соединен, для обеспечения постоянного значения напряжения несмотря на изменения силы тока, поступающего из сети. Переключатель 32 ответвлений под нагрузкой оборудован баком 33, соединенным через трубопровод 34 сброса давления с трубопроводом 30 сброса давления. Переключатель 32 ответвлений под нагрузкой тоже охлаждается горючей охлаждающей жидкостью. Из-за небольшого размера переключателя 32 ответвлений под нагрузкой его взрыв может быть очень сильным и может сопровождаться выбросами воспламененной охлаждающей жидкости. Трубопровод 34 сброса давления оборудован разрывным элементом 35, выполненным с возможностью разрыва в случае короткого замыкания и, как следствие, резкого повышения давления внутри переключателя 32 ответвлений под нагрузкой. Разрывной элемент 35 подобен разрывному элементу 1 и имеет соответствующие размеры. Таким образом предотвращают взрыв бака 33 переключателя 32 ответвлений под нагрузкой.
Трансформатор 13 содержит несколько электрических вводов 36, соединяющих его с электрической сетью высокого напряжения. На фиг.6 показан пример выполнения электрического ввода. Электрический ввод 36 содержит бак или масляную коробку 37 в основном цилиндрической формы, нижний конец которой установлен на основном баке 14, а верхний конец является свободным. Выходной стержень 38 основного бака 14 проходит через масляную коробку 37 от одного конца к другому. Между выходным стержнем 38 и стенкой основного бака 14 установлен герметичный электрический изолятор 39. Точно такой же электрический изолятор 40 установлен между выходным стержнем 38 и свободным концом масляной коробки 37, которая при нормальном режиме работы почти полностью заполнена маслом.
Трубопровод 41 соединяет нижнюю часть масляной коробки 37 с трубопроводом 34 сброса давления переключателя 32 ответвлений под нагрузкой. Внутри него установлен разрывной элемент 42, который в нормальных условиях перекрывает трубопровод 41. Разрывной элемент 42 подобен разрывному элементу 1 и имеет соответствующие размеры.
Трубопровод 43 для нагнетания инертного газа сообщен с верхней частью масляной коробки 37 и соединен с одним или несколькими баллонами 21 (фиг.4).
Отмечается, что короткое замыкание электрических вводов чаще всего происходит по вине изолятора 39, который стареет и растрескивается под воздействием вибрации основного бака 14, на котором он закреплен. При возникновении электрической дуги при коротком замыкании выделяется значительная энергия, от которой повышается температура масла, при этом выделяются газы и резко повышается давление в масляной коробке 37. Повышение давления приводит к разрыву изолятора 39 или масляной коробки 37. При соприкосновении с воздухом газы воспламеняются и масло выливается на трансформатор 13. В результате возникает большой пожар.
Во время взрыва повреждение изолятора 39 приводит к утечке масла из основного бака 14, которое способствует расширению пожара и его распространению на трансформатор 13, на его вспомогательное оборудование и близлежащие установки.
В соответствии с настоящим изобретением разрывной элемент 42 выбирают таким, что давление разрыва меньше, чем испытательное давление масляной коробки 37. Повышение давления приводит к разрыву разрывного элемента 42, вследствие чего резко падает давление в масляной коробке 37 и происходит вытекание жидкости. Обнаружение разрыва при помощи встроенного провода позволяет выдать команду для нагнетания инертного газа через трубопровод 43, чтобы помешать попаданию кислорода воздуха в масляную коробку 37 и способствовать вытеканию жидкости. Защитные электрические устройства трансформатора 13 позволяют отключить трансформатор 13. В этом случае ремонту будет подлежать только поврежденный электрический ввод, что позволяет экономить средства и сократить время остановки трансформатора 13.
Трансформатор 13 также содержит блок управления (не показан), соединенный с каждым обнаружителем разрыва разрывных элементов 1, 35 и 42. При каждом разрыве элементов 1, 35 или 42 одновременно со срабатыванием электрических защитных устройств трансформатора будет происходить нагнетание инертного газа в основной бак 14, переключатель 32 ответвлений под нагрузкой и электрические вводы 36, так как короткое замыкание в одном из этих элементов приводит к повреждению других (фиг.5). Кроме того, трансформатор 13 может отключаться только при помощи электрических защитных устройств. Срабатывание одного из электрических защитных устройств трансформатора (защита Бухгольца, датчик сверхвысокого напряжения, датчик повреждения заземления, дифференциальная защита) и одного из разрывных элементов приводит к нагнетанию инертного газа во все узлы, содержащие горючую жидкость.
Блок управления может быть также связан с вспомогательными датчиками, такими как детектор пожара, датчик 28 пара (защита Бухгольца) и датчик отключения блока питания, для включения системы пожаротушения в случае, если система предотвращения взрыва дала сбой.
Устройство для предотвращения взрыва в трансформаторе, согласно изобретению, не требует внесения больших изменений в элементы трансформатора, позволяет очень быстро обнаружить пробои изоляции и срабатывает одновременно, что позволяет ограничить нежелательные последствия. Указанное позволяет избежать взрывов в масляных емкостях и последующих пожаров, сократить количество повреждений от коротких замыканий на трансформаторе, на переключателе ответвлений под нагрузкой и электрических вводах.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для предотвращения взрывов электрических трансформаторов, охлаждаемых большим объемом горючей жидкости. Технический результат заключается в быстрой декомпрессии бака и в сохранении его целостности. Устройство содержит бак, заполненный горючей охлаждающей жидкостью, и средство декомпрессии бака трансформатора. Средство декомпрессии содержит разрывной элемент с встроенным детектором взрыва, оснащенным замедлителем. Замедлитель содержит первые зоны меньшей толщины по отношению к остальной части замедлителя, выполненные с возможностью разрываться без образования фрагментов. Вторые зоны меньшей толщины по отношению к остальной части замедлителя выполнены с возможностью сгибаться без разрыва во время разрыва указанного элемента. Разрывной элемент выполнен с возможностью разрываться, когда давление внутри бака превышает заданное пороговое значение. Сигнал детектора взрыва, встроенного в разрывной диск, приводит в действие систему охлаждения и мешает кислороду вступать в соприкосновение с взрывоопасными газами, порождаемыми электрической дугой при ее контакте с маслом. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.
| JP 57007909 A, 16.01.1982 | |||
| Устройство для защиты маслонаполненного индукционного аппарата | 1982 |
|
SU1065901A1 |
| Способ индикационной диагностики силовых трансформаторов | 1988 |
|
SU1621090A1 |
| WO 9712379 A, 03.04.1997. | |||
