Устройство защиты с подвижной стенкой высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования от разрушения при электрических пробоях
Устройство защиты с подвижной стенкой высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования от разрушения при электрических пробоях относится к взрывозащитным устройствам высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования (ВМЭО). Устройство позволяет защитить ВМЭО с рабочими напряжениями 110 кВ и более от разрушения при воздействии импульса давления от электрической дуги, развивающейся после внутреннего короткого замыкания (ВКЗ). Применение подвижной стенки обеспечивает трансформаторному маслу возможность увеличить занимаемый им объем в корпусе в направлении вектора основного усилия от точки, где возникла электрическая дуга в сторону стенки. Устройство может быть использовано для ремонта и модернизации, что позволит непосредственно на рабочей площадке или на складах резерва дооснастить имеющиеся ВМЭО взрывозащитными устройствами, которые позволят значительно снизить ущерб от неизбежных на сегодняшний день их взрывов.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к взрывозащитным устройствам высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования (ВМЭО). Способ позволяет защитить ВМЭО с рабочими напряжениями 110 кВ и более от разрушения при воздействии импульса давления от электрической дуги, развивающейся после внутреннего короткого замыкания (ВКЗ).
Способ относится также к средствам ремонта и модернизации, позволяющим непосредственно на рабочей площадке или на складах резерва дооснастить имеющиеся ВМЭО взрывозащитными устройствами, которые позволят значительно снизить ущерб от неизбежных на сегодняшний день взрывов ВМЭО. Уровень техники
Взрывобезопасность трансформаторов и другого ВМЭО в основном определяется возможностью их корпусов противостоять избыточному динамическому давлению, которое возникает во время дугового разряда (ДР), развивающегося вследствие электрического пробоя изоляционных промежутков внутри корпуса. Трансформаторное масло (ТМ) интенсивно разлагается в ДР, что приводит к резкому увеличению давления в баке ВМЭО. Объем образовавшихся газов пропорционален энергии, выделившейся в ДР, при коэффициенте пропорциональности 0,11 л/кДж (для ТМ марки ГК) [1, 2]. Поэтому масштаб разрушения ВМЭО после ВКЗ также определяется величиной этой энергии [1, 2]. Характерное значение энергии, выделившейся в ДР, зависит от типа ВМЭО и может составлять десятки мегаджоулей [2]. В мощных силовых трансформаторах энергия ДР не бывает менее 1 МДж.
Скорость газообразования достигает своего максимального значения через 10-20 мс после возникновения ДР, когда его мощность максимальна [2]. Увеличение объема парогазового пузыря приводят к распространению в ТМ интенсивных звуковых волн. Скорость роста среднего давления в баке трансформатора составляет порядка 0,1-0,3 МПа/мс. Если избыточное давление свыше 0,5 МПа удержится в трансформаторе более 5 мс, то взрывное разрушение корпуса ВМЭО является неизбежным.
Все известные методы защиты ВМЭО от взрыва направлены на то, чтобы ограничить максимальное давление в баке на допустимом уровне. Это может быть достигнуто за счет увеличения объема, доступного для ТМ, которое бы скомпенсировало объем образовавшихся газов. Увеличение доступного объема масла может достигнуто за счет его истечения через мембрану, которая разрушается при увеличении давления в баке трансформатора [3], либо за счет сжатия эластичного демпфирующего материала, которым покрывается внутренняя поверхность трансформатора [4]. Вместо эластичного материала может использоваться упругая металлическая оболочка, заполненная инертным газом [4, 5]. Метод разрушаемой мембраны [3] был реализован в системе TRANSFOMER PROTECTOR (TP), которую выпускает фирма "SERGI Holding". Метод демпфирующих покрытий [4] до сих пор не внедрен на практике.
Эффективная работы указанных системы защиты возможна при условии, что дополнительный объем для жидкости буде сопоставим с объемом газов, образующихся в ДР. При этом важно, чтобы дополнительный объем для расширения ТМ создавался вблизи места горения ДР, так как размер области максимального давления в ТМ - менее 1 м [2]. При соблюдении этих условий увеличение давления внутри бака ВМЭО не приведет к его взрывному разрушению. На практике оба этих требования выполнить чрезвычайно трудно.
В работе [2] описаны эксперименты, направленные на проверку эффективности макетов обсуждаемых систем защиты, и приведен анализ характеристик их работы. У потребителей наибольший интерес вызывает система TRANSFOMER PROTECTOR, принцип ее действия поясняет рис. 1. Ключевым элементом системы является разрывной элемент 1, который разрушается при избыточном давлении 0,05-0,08 МПа. Конструкция разрывного элемента пояснена фиг. 2. На диске 1 разрывного элемента установлен проводник 11, который рвется вместе с диском (фиг. 2). После обрыва проводника 11 срабатывает пиротехнический вентиль 22 (фиг. 1), и инертный газ (азот) через редуктор 23 из баллона 21 по трубопроводу 24 начинает поступать в нижнюю часть бака трансформатора 14. Считается, что инертный газ должен способствовать охлаждению парогазовой среды, образующейся при разложении ТМ, и тем самым снижается вероятность возникновения пожара при взрывном разрушении бака. Под действием давления ДР трансформаторное масло истекает через разрывной элемент 1 (фиг. 1) в резервную емкость 19. По мнению автора [3], подобный сброс ТМ позволит удержать давление в баке в допустимых пределах.
В условиях реальной аварии, приведшей к взрывному разрушению бака автотрансформатора на подстанции «Машук», который был оснащен системой TP, через разорвавшуюся мембрану за время горения ДР вытекло около 25 л ТМ, что составило около 5% от объема газов, образовавшихся в ДР [2]. Очевидно, что при такой «эффективности» система TP не может защитить бак ВМЭО от взрыва.
Надежность метода демпфирующих покрытий [4, 5] также вызывает вопросы. В работе [5] предлагается облицовывать внутреннюю поверхность трансформатора плитками из поролона или пенополиуритана толщиной 15-35 мм. Размер области наиболее интенсивного воздействия ДР на стенку бака трансформатора составляет порядка 1 м [2]. Поэтому если под воздействием импульсного давления толщина этих плиток уменьшится на 10 мм, то величина дополнительного объема для ТМ составит всего 10 л, в то время как при сравнительно небольшой энергии ДР, порядка 1 МДж, при разложении ТМ образуется более 100 л газов. Низкая эффективность метода демпфирующих покрытий продемонстрирована на модельных экспериментах, описанных в работе [2]. Таким образом, ни один из известных методов защиты ВМЭО от взрыва не может быть признан достаточно надежным.
В качестве прототипа настоящего изобретения взята система "TRANSFORMER PROTECTOR", см. фиг. 1 [3].
Заявляемый в качестве полезной модели "Устройство защиты с подвижной стенкой высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования от разрушения при электрических пробоях", (см. варианты фиг. 3-5), имеет следующие отличия от прототипа и других известных технических:
1. отсутствуют трубопроводы, связывающие непосредственно с расширительными баками зоны возможного пробоя, где возникает импульс давления и образуется двухфазная (масло - парогазовая) среда.
2. отсутствует система напуска газа и система управления этим процессом;
3. импульсное давление в зонах возможного пробоя воспринимается подвижными стенками, расположенными непосредственно на корпусе;
4. площадь воспринимаемых давление поверхностей подвижных стенок, не меньше площади соприкосновения со стенкой фронта максимального давления для каждой зоны возможного пробоя;
5. за каждой подвижной стенкой на корпусе с наружной стороны расположен герметично соединенный со стенкой корпуса расширительный бак, внутрь которого перемещается подвижная стенка, увеличивая занимаемый жидким диэлектриком объем на значение объема парогазового пузыря от ДР за время меньше времени роста среднего давления в корпусе электротехнического оборудования до значения предельного давления разрушения корпуса;
6. через уплотнение по периметру подвижной стенки в расширительный бак просачивается незначительное количество масло - парогазовой среды, образовавшейся после пробоя.
7. «гашение» давления на подвижную стенку и энергии потока со стороны жидкого диэлектрика производится в результате увеличения объема, занимаемого жидким диэлектриком за счет перемещения подвижной стенки, и применения пружинного амортизатора в конце хода подвижной стенки.
8. после пробоя распределения давлений жидкого диэлектрика внутри корпуса и в расширительном баке уравновешиваются, и под действием пружин жидкий диэлектрик выдавливается подвижной стенкой обратно в корпус, восстанавливая в нем почти исходный свой уровень.
9. результирующее воздействие импульса давления на подвижную стенку, в конечном счете, замыкается на корпус, но не в сосредоточенном виде, т.е. силы распределены и по времени, и по длине периметра соединения расширительного бака с корпусом.
Далее представлены варианты, которые отличаются между собой техническими решениями по уплотнению подвижной стенки, гашению импульса давления и снижению выброса масла и продуктов его разложения в атмосферу. На фиг. 3-5 представлено три варианта реализации патентуемого в качестве полезной модели защиты высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования от разрушения при электрических пробоях. Во всех вариантах применен принцип «подвижной стенки» (перегородки). На стенке корпуса 1 (фиг. 3-5) ВМЭО напротив наиболее вероятного места 2 возникновения пробоя изоляционных промежутков делают отверстие 3 и закрывают его подвижной стенкой 4. Перемещение подвижной стенки 4 происходит под воздействием импульса избыточного давления от ДР, в результате чего происходит локальное увеличение объема корпуса ВМЭО, и тем самым ограничивается давление на стенку корпуса 1 в зоне пробоя. Результирующее воздействие от импульсного давления на подвижную стенку замыкается на корпус ВМЭО. Далее варианты отличаются между собой техническими решениями по уплотнению подвижной стенки, гашению импульса давления и снижению выброса масла и продуктов его разложения в атмосферу.
Вариант 1 (фиг. 3).
Подвижную стенку 4 по периметру отверстия 3 снабжают торцевым уплотнением 5, показанным в разрезе Вид. А. Подвижную стенку 4 подпирают к стенке корпуса 1 пружинами 7. В исходном состоянии жесткость пружин 7 подбирают такой, чтобы торцевое уплотнение 5 исключало протекание трансформаторного масла 6 из корпуса ВМЭО в расширительный объем 8. При возникновении импульсного давления происходит перемещение подвижной стенки 4, и тем самым увеличивается внутренний объем корпуса ВМЭО. Трансформаторное масло вместе с продуктами разложения занимает часть расширительного объема 8, в результате чего происходит гашение скорости и уменьшение давления, которое воздействует на стенку корпуса ВМЭО. Часть масла через зазор между стенкой 10 по периметру подвижной стенки 4 может просачиваться в расширительный объем 8 и затем через клапан 9 в систему слива масла. Расширительный объем 8 имеет дренажное отверстие 11.
Вариант 2 (фиг. 4).
Подвижную стенку 4 по периметру отверстия 3 снабжают подвижным уплотнением 5, показанным в разрезе Вид. А. Подвижную стенку 4 подпирают к стенке корпуса 1 пружинами 7 (на рисунке схематично показана одна пружина). В исходном состоянии жесткость пружин 7 делают такой, которая позволяет прижать подвижную плотно стенку 4 к стенке 1 корпуса ВМЭО. Подвижное уплотнение 5 делают таким, чтобы оно исключало или ограничивало протекание трансформаторного масла 6 в зазор 8 между тарельчатым сильфоном 12 и стенкой корпуса 10. При возникновении импульсного давления происходит перемещение подвижной стенки 4, и тем самым увеличивается внутренний объем корпуса ВМЭО. Трансформаторное масло вместе с продуктами разложения занимает часть расширительного объема 14, в результате чего происходит гашение скорости и уменьшение давления, которое воздействует на стенку корпуса ВМЭО. Часть масла может протекать через подвижное уплотнение 5, зазор 12 и клапан 9 в систему слива масла. Расширительный объем 14 имеет соединение с атмосферой через отверстие 13. Зазор 8 может заполняться маслом и имеет соединение с дренажом 11.
Вариант 3 (фиг. 5).
Подвижную стенку 4 по периметру отверстия 3 снабжают торцевым уплотнением 5, показанным в разрезе Вид. А. В расширительном объеме 8 вплотную к подвижной подвижная стенкае 4 размещают герметичный мешок 12, давление среды 7 в котором подбирают таким, которое обеспечивает сжатие торцевого уплотнения 5, исключающее в исходном состоянии протечку масла 6 в расширительный объем 8.
Промышленная применимость
Устройство защиты с подвижной стенкой электротехнического оборудования может быть применен в качестве средства взрывобезопасности для модернизации работающего, стоящего в резерве и вновь проектируемого высоковольтного маслонаполненного электрооборудования любого класса напряжений и габаритов.
Использование полезной модели в создании новых и модернизации действующего высоковольтного маслонаполненного электрооборудования позволит предотвратить разрушение корпуса ВМЭО и радикально сократить объем ремонтно-восстановительных работ после аварий.
Список цитируемой литературы:
1. Дарьян Л.А., Козлов А.В., Поварешкин М.Н., Полищук В.П., Сон Э.Е., Фортов В.Е., Шурупов А.В. «Бездуговой метод испытания высоковольтного маслонаполненного оборудования на взрывобезопасность» // Известия РАН. Энергетика. 2011. 
5. с. 74.
2. Дарьян Л.А., Полищук В.П., Шурупов А.В. «Испытание систем защиты от взрыва высоковольтного маслонаполненного электрооборудования» // XVI Международная научно-техническая конференция «Силовые распределительные трансформаторы и реакторы. Система диагностики». Москва. 25-26 июня 2013 г. (cd).
3. Манье Ф. Устройство для предотвращения взрыва электрических трансформаторов. Патент RU 2263989. 17.03.2000.
4. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В. Устройство защиты электрического трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании. Патент RU 2334332. 19.04.2007.
5. Мишуев А.В., Казеннов В.В., Громов Н.В., Макаревич Г.А. Демпферная система защиты трансформаторов и высоковольтного маслонаполненного электрооборудования от взрыва и пожара при коротком замыкании // «ЭЛЕКТРО». 2009. 2. с. 23-26.
1. Устройство защиты с подвижной стенкой высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования от разрушения при электрических пробоях, содержащее корпус электротехнического оборудования, жидкий диэлектрик, заполняющий корпус, в котором расположены электротехнические элементы, способные вследствие пробоя изоляционного промежутка случайным образом вызвать дуговой разряд, приводящий со стороны жидкого диэлектрика к локальному импульсу избыточного давления, разрушающему или деформирующему корпус, отверстие в стенке корпуса, расширительный бак, закрывающий плотно отверстие в стенке корпуса, отличающееся тем, что в зоне возможного пробоя в стенке корпуса отверстие закрыто подвижной стенкой в виде плоской пластины, которая пружинами прижата к корпусу и имеет по своему периметру уплотнение подвижное по отношению к корпусу и стенке расширительного бака; подвижная стенка под действием локального импульса избыточного давления может перемещаться внутрь расширительного бака и, тем самым, увеличивать занимаемый жидким диэлектриком объём.
2. Устройство защиты с подвижной стенкой по п. 1, отличающееся тем, что динамические и силовые характеристики движения подвижной стенки и пружин сделаны такими, которые обеспечивают увеличение объёма, занимаемого жидким диэлектриком, на величину объёма парогазового пузыря от дугового разряда и за время, меньшее времени роста максимального давления в корпусе электротехнического оборудования до значения давления деформации и разрушения корпуса.
3. Устройство защиты с подвижной стенкой по п. 1, отличающееся тем, что через уплотнение по периметру подвижной стенки в расширительный бак просачивается незначительное количество масло- парогазовой среды, образовавшейся после пробоя.
4. Устройство защиты с подвижной стенкой по п. 1, отличающееся тем, что после пробоя под действием пружин жидкий диэлектрик выдавливается подвижной стенкой обратно в корпус электротехнического оборудования, восстанавливая в нем исходный уровень.
