|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 06/2009
Awarie transformatorów nadal bardzo groźne
|
|
Na podstawie artykułu W. Schossig „Transformers and its Protection”, PAC 1/2009 i materiałów firmy Transformer Protector Corp. opracował Piotr Olszowiec
Transformatory – urządzenia służące do zmiany parametrów przekazywanej mocy elektrycznej – liczą już blisko 125 lat.
|
W miarę rozwoju elektroenergetyki podnoszeniu znamionowych wartości napięć i prądów towarzyszył wzrost zagrożeń dla niezawodności i bezpieczeństwa samych jednostek oraz ich otoczenia. Problemy zapobiegania i wykrywania awarii oraz ograniczania ich skutków wciąż stanowią dla konstruktorów transformatorów bardzo poważne wyzwanie techniczne.
Pierwsze transformatory zostały wyprodukowane według patentów K.Zipernowskiego, M.Deri i O.Blathy w budapeszteńskiej firmie Ganz w 1885r. Wynalazcy ci jako pierwsi użyli terminu „transformator”, który oznaczał wtedy niewielkie jednofazowe urządzenie w izolacji suchej o jednolitym rdzeniu. Po czterech latach dla poprawy izolacji uzwojeń wprowadzono olej. Również w 1889r. szwajcarska firma Oerlikon dostarczyła pierwsze transformatory przemysłowe. Na początku XX wieku Siemens wytwarzał już transformatory o mocy 12.5 MVA, zaś Westinghouse jednostki o górnym napięciu 100 kV. Opanowanie produkcji transformatorów dużej mocy wysokiego napięcia umożliwiło szybki rozwój systemów elektroenergetycznych w latach 20-tych. Zwarcia o coraz większych prądach wywoływały powtarzające się uszkodzenia uzwojeń, izolatorów, odgromników i innych aparatów. Brak odpowiedniej ochrony przed skutkami tych zakłóceń powodował pożary i zniszczenia urządzeń. Pierwszym zabezpieczeniem elektrycznym dla linii, prądnic i transformatorów był bezpiecznik skonstruowany w1890r. Jednak przy rosnących prądach zwarć aparat ten okazał się nieskuteczny, co utorowało drogę nowym sposobom ochrony tj. wyzwalaczom i przekaźnikom zabezpieczeniowym. W 1895r. opracowano konstrukcję wyłączników olejowych wyposażonych w bezpieczniki eliminujące zwarcia. W 1902r. firma BBC opatentowała przekaźnik nadprądowy o charakterystyce czasowej zależnej, który później wykorzystano do ochrony transformatorów od przeciążeń cieplnych. Już wtedy dopuszczano bowiem możliwość kontrolowanego przeciążania dla efektywniejszego wykorzystania urządzeń elektroenergetycznych. W latach 20-tych Niemczech badano nagrzewanie oleju przy zmianach obciążenia transformatorów o izolacji olejowo-papierowej. Z powodu trudności wykonywania bezpośredniego pomiaru temperatury uzwojeń wprowadzono do stosowania tzw. model cieplny, w którym pośrednio wyznaczano ten parametr przez nagrzewanie prądem proporcjonalnym do prądu uzwojenia. Pomiary temperatury oleju realizowano za pomocą termostatów czyli elementów rezystancyjnych współpracujących z przyrządem pomiarowym lub termometrem rtęciowym. Układy chłodzenia olejowo-powietrznego wyposażano w czujniki przepływu oleju, które natychmiast sygnalizowały awarię pompy olejowej. Okazały się one niezbędne, gdyż naturalna wymiana ciepła przez ścianę kadzi nie zapewniała odprowadzania nawet strat biegu jałowego.
Na początku XX wieku podstawowym zabezpieczeniem transformatorów od skutków zwarć były przekaźniki nadprądowe. W wielu przypadkach pojawiały się jednak trudności z doborem właściwego prądu rozruchu oraz możliwie krótkiego opóźnienia działania. Transformatory wyłączane przez te zabezpieczenia nie wykazywały zewnętrznych objawów uszkodzeń. Jeszcze w latach 20. ubiegłego wieku personel niejednokrotnie podejmował ryzykowną decyzję o ponownym załączeniu jednostki bez właściwego rozeznania przyczyn i skutków zdarzenia – nierzadko kończyło się to pożarem lub wybuchem. Max Buchholz (Niemcy) badając uszkodzenia transformatorów stwierdził, że wielka ilość ciepła wydzielana przez łuk elektryczny uszkadza izolację i uwalnia gazy. Zaproponował, aby doprowadzić pęcherzyki gazu pod pokrywą kadzi do aparatu, w którym mogłyby zostać przebadane. W 1921r. otrzymał swój pierwszy patent na przekaźnik gazowo-przepływowy (na Fot.10 wyrób z 1927r.), który do dziś nosi jego nazwisko. Od tej pory można było łatwo badać jakość oleju transformatorowego, zaś transformator był awaryjnie wyłączany przy zwiększonym przepływie mieszaniny gazowo-olejowej do konserwatora. Z czasem urządzenia te zaczęto stosować nie tylko dla kadzi i przełączników zaczepów, lecz także dla izolatorów przepustowych.
W 1934r. K. Tauber zaproponował zabudowanie zaworu dławiącego w rurociągu łączącym kadź z konserwatorem. Przy wzroście temperatury gazu można było za pomocą miernika różnicowego badać przyrost ciśnienia i wysyłać sygnał alarmu lub wyłączenia.
W tamtych czasach wprowadzono także termometr Esti stanowiący swoisty bezpiecznik temperaturowy. Sondę tego zabezpieczenia zawierająca krystaliczną kulkę zanurzano w kieszeni olejowej w kadzi. Przy wzroście temperatury element ten ulegał rozerwaniu powodując zamknięcie zestyku. Udoskonaleniem tej konstrukcji są stosowane obecnie przekaźniki maksymalnej temperatury znane pod nazwą BEWAG. Po serii eksplozji transformatorów w USA Dann, Walter i Hill z firmy Westinghouse opracowali w 1927r. zawór bezpieczeństwa. Innym urządzeniem instalowanym w rurociągu między kadzią i konserwatorem był (i nadal pozostaje) zawór SERGI. Jego zadaniem jest odcięcie tego połączenia w przypadku szybkiego przepływu oleju do kadzi wywołanego jej nieszczelnością; natomiast umożliwia on swobodny, powolny przepływ w obu kierunkach.
Prawie od samego początku rozwoju do ochrony największych transformatorów stosowano elektryczne zabezpieczenia różnicowe, które z czasem stały się podstawowym sposobem detekcji i eliminacji zwarć wewnętrznych. Pierwsza aplikacja tego rozwiązania miała miejsce w 1908r. w RPA na transformatorach 40/10 kV o mocy kilku MVA. W miarę zdobywania doświadczeń ustalono, że podstawowe zabezpieczenia transformatorów energetycznych średniego i wysokiego napięcia czyli przekaźniki różnicowo-wzdłużne stanowią wprawdzie skuteczną ochronę uzwojeń od zwarć międzyfazowych i większości zwarć z ziemią, lecz nie zapewniają wykrywania uszkodzeń izolacji doziemnej w pobliżu uziemionego punktu gwiazdowego. Badania wykazały bowiem, że w przypadku tych ostatnich zakłóceń prądy fazowe transformatora ulegają relatywnie niewielkiemu zwiększeniu mimo przepływu bardzo dużego prądu w przewodzie uziemiającym punkt gwiazdowy. Przy zwarciach z ziemią, zwłaszcza w pobliżu uziemionego (metalicznie lub przez rezystor) punktu gwiazdowego uzwojeń transformatora ujawnia się słabość klasycznych zabezpieczeń różnicowo-wzdłużnych tj. występowanie strefy martwej i niedostateczna czułość detekcji. Rozwiązaniem okazały się strefowe zabezpieczenia ziemnozwarciowe wykrywające te uszkodzenia selektywnie, z wyższą czułością i mniejszą strefą martwą. Dla transformatorów o małym prądzie zwarcia z ziemią (sieci z punktem gwiazdowym izolowanym lub uziemionym przez cewkę Petersena) opracowano zabezpieczenia ziemnozwarciowe celowo odizolowanej od ziemi kadzi z wykorzystaniem przekaźnika nadprądowego. Podczas gdy zabezpieczenia różnicowe-wzdłużne i gazowo-przepływowe stanowią podstawową ochronę transformatorów od zwarć międzyfazowych, funkcję zabezpieczeń rezerwowych realizują zabezpieczenia nadprądowe i coraz częściej odległościowe.
Obecnie praktycznie wszyscy wytwórcy zabezpieczeń elektrycznych oferują mikroprocesorowe przekaźniki dedykowane dla transformatorów średniego i wysokiego napięcia. Przykładem takiego urządzenia jest krajowe zabezpieczenie typu RRTC-1 przeznaczone do ochrony transformatorów przed skutkami zwarć wewnętrznych. Może być również stosowane jako zabezpieczenie od zwarć wewnętrznych generatorów, bloków generator-transformator i silników ŚN. Urządzenie to m.in:
• eliminuje potrzebę stosowania przekładników wyrównawczych
• w połączeniu ze sterownikiem polowym, daje transformatorowi podwójną ochronę
• w prosty i przyjazny dla użytkownika sposób nastawiania eliminuje potrzebę wykonywania jakichkolwiek obliczeń dotyczących przekładni transformatora i przekładników prądowych
• dzięki funkcji "oscyloskop", umożliwia łatwe wyszukiwanie błędów w obwodach prądowych, co znacznie usprawnia proces uruchamiania
• rejestrator kryterialny dostarcza informacji o pracy zabezpieczenia w przypadku zadziałania, jak również w przypadku udarów prądu magnesującego i przepływie przez transformator dużych prądów zwarć zewnętrznych
• algorytmy zabezpieczenia w połączeniu z blokadą od prądu drugiej i piątej harmonicznej zapewniają poprawną pracę zabezpieczenia w każdych warunkach, również przy nasycających się przekładnikach.
Zabezpieczenia RRTC-1 chronią obecnie w krajowym systemie elektroenergetycznym liczne transformatory blokowe 400 MVA 400/20 kV, autotransformatory 160 MVA 220/110 kV, transformatory różnych mocy 110kV/SN i SN/SN, a także niewielkie jednostki 1000 kVA 15/0,4 kV. Zastosowano je również w blokach generator-transformator o mocy 31,5 MW i hydrogeneratorach o mocy 250 kW. Pozytywne doświadczenia dotychczasowej eksploatacji zainstalowanych zabezpieczeń RRTC-1 wskazują, że nie istnieją bariery dla ich aplikacji zarówno pod względem mocy, jak i napięć chronionych obiektów.
Zapobieganie wybuchom i pożarom transformatorów
Z powodu wielkiej ilości palnego oleju i obecności wysokiego napięcia roboczego transformatory uznaje się za najbardziej zagrożone urządzenia energetyczne w elektrowniach i stacjach sieciowych. Międzynarodowe przepisy, w tym norma IEC 76, podają jedynie ogólne założenia, nie precyzując szczegółowych wymagań w zakresie rozwiązań układów mechanicznych i elektrycznych tych jednostek. To niedociągnięcie legislacyjne w sytuacji globalizacji rynków doprowadziło w wielu krajach do wyraźnego obniżenia standardów jakości i bezpieczeństwa produkcji. W rezultacie na świecie notuje się rosnącą liczbę uszkodzeń transformatorów włącznie z pożarami i wybuchami. Przewiduje się, że w USA ilość jednostek dotkniętych awarią ma niebawem zwiększyć się z 1% w 2001r. do 2% wszystkich znajdujących się w eksploatacji. Doświadczenia potwierdzone badaniami dowiodły, że tradycyjne sposoby zapobiegania tym najgroźniejszym zdarzeniom nie są w stanie spełnić swego zadania. Zawory bezpieczeństwa- szybkość narastania ciśnienia oleju w kadzi podczas zwarć wielkoprądowych jest zbyt wysoka dla mechanicznych zabezpieczeń tego rodzaju. Wszystkie przebadane transformatory, które doznały wybuchu, były wyposażone w ten środek ochrony. Przekaźnik Buchholza- również i to sprawdzone zabezpieczenie nie reaguje z wymaganą szybkością na nagły wzrost ciśnienia. Także inne specjalistyczne funkcje zabezpieczeniowe jak wspomniane zabezpieczenia różnicowe-wzdłużne i ziemnozwarciowe, mimo wielkiego postępu w technice cyfrowej, wciąż nie zapewniają wymaganej niezawodności i selektywności wykrywania uszkodzeń. Wyłączniki mocy- nowoczesne wyłączniki otwierane przez najszybsze zabezpieczenia przerywają przepływ prądu zwarcia w czasie nie krótszym od 60 ms, co nie gwarantuje ograniczenia skutków działania łuku elektrycznego. Podobnie mało skuteczne w działaniu bywają tradycyjne metody zapobiegania eksplozjom kadzi (wspomniane zawory bezpieczeństwa) i gaszenia pożarów oleju (woda lub piana uruchamiane po wyłączeniu jednostki spod napięcia).
Milowym krokiem rozwoju środków ochrony transformatorów przed skutkami awarii ma okazać się system zapobiegania wybuchom amerykańskiej firmy Transformer Protector Corp. (TPC). Układ o podobnie brzmiącej nazwie Transformer Protector jest przeznaczony dla praktycznie wszystkich olejowych transformatorów o mocy od 100 kVA. Zadaniem tej technologii jest zmniejszenie ciśnienia oleju w kadzi w ciągu kilku milisekund zanim powstanie ryzyko jej rozerwania, oddzielenie wyrzucanych gazów (głównie acetylenu) od oleju i powietrza (tlenu) oraz skierowanie palnych gazów w bezpieczne miejsce oddalone od transformatora. Dzięki tym efektom następuje szybkie doprowadzenie urządzenia do bezpiecznego stanu, minimalizacja zagrożeń dla osób obsługi i służb ratowniczych, ograniczenie wycieków oleju i skażenia środowiska. Zakres uszkodzeń transformatora ulega znacznemu zmniejszeniu, obniżając koszty i czas naprawy. Transformer Protector jest pasywnym układem mechanicznym, który zostaje uruchomiony do działania impulsem wzrostu ciśnienia w kadzi wywołanym zwarciem. Głównymi elementami systemu pokazanego na rysunku są (1-2) blok rozprężania kadzi zawierający membranowy zawór bezpieczeństwa i komorę dekompresji wyrzucanych gazów, (3-4) układ doprowadzania azotu gaszącego pożar, (5-6) blok separacji gazu od oleju, (7) automatyczny zawór odcinający konserwator po rozszczelnieniu kadzi (odmiana zaworu SERGI), (8) panel sterowniczy w nastawni. Działanie systemu jest następujące. Po wystąpieniu wzrostu ciśnienia w kadzi działa bezzwłocznie blok rozprężania kadzi, a zawór (7) samoczynnie odcina spływ oleju z konserwatora. Mieszanina olejowo-gazowa wpływa do komory separacji obu składników. Uruchamia się automatycznie (po rozerwaniu membrany przeciwwybuchowej i wyłączeniu zasilania transformatora) lub ręcznie przez obsługę dopływ azotu do wnętrza kadzi. Gazy palne po oddzieleniu od oleju i schłodzeniu uchodzą na zewnątrz obiektu bez ryzyka zapłonu. Iniekcja azotu trwa do 45 minut w celu schłodzenia zgaszonego urządzenia. Liczne próby wykonane w USA i Francji (EdF) wykazały bezbłędne działanie systemu. Należy podkreślić, że w żadnej z nich nie zdążyło pobudzić się podstawowe zabezpieczenie transformatora czyli przekaźnik Buchholza – szybkość rozwoju uszkodzenia mierzona gradientem ciśnienia rzędu tysięcy atm/s jest po prostu dla niego zbyt wysoka. System Transformer Protector można instalować zarówno dla nowych, jak i eksploatowanych jednostek
|
|
|
|
