Устройство для предотвращения взрыва высоковольтного электротехнического оборудования с жидким диэлектриком при электрическом пробое

Устройство для предотвращения взрыва высоковольтного электротехнического оборудования с жидким диэлектриком при электрическом пробое относится к устройствам предотвращения взрывов трансформаторов и другого высоковольтного электротехнического оборудования, охлаждаемого жидким диэлектриком минеральным или растительным маслом, синтетической негорючей жидкостью и др. видами диэлектриков. Устройство позволяет защитить корпус (бак) электротехнического оборудования любого класса напряжений и габаритов, а также участок корпуса с любой с формой поверхности от разрушения и деформации вследствие импульсного воздействия давления от мощного дугового разряда, возникающего после короткого замыкания внутри корпуса. Конструкция устройства по сравнению с известными техническими решениями защиты электротехнического оборудования от взрыва является достаточно простотой, что позволяет модернизировать уже работающее и изготовленное оборудование с целью обеспечения требуемого уровня его взрывобезопасности.

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к электротехнике, а боле конкретно, к средствам и способам предотвращения взрывов трансформаторов и другого высоковольтного электротехнического оборудования, охлаждаемого жидким диэлектриком минеральным или растительным маслом, синтетической негорючей жидкостью и др. видами диэлектриков. Далее по тексту абр. - высоковольтное маслонаполненное электротехническое оборудование (ВМЭО). Устройство позволяет защитить корпус (бак) ВМЭО любого класса напряжений и габаритов, а также участок корпуса с любой формой поверхности от разрушения и деформации вследствие импульсного воздействия давления от мощного дугового разряда (ДР), возникающего после короткого замыкания внутри корпуса - далее по тексту абр. внутреннего короткого замыкания (ВКЗ).

Устройство может относиться также к средствам ремонта и модернизации ВМЭО, поскольку позволяет в последующем значительно снизить ущерб от воздействия внутреннего КЗ за счет дооснащения уже работающего и изготовленного оборудования такими устройствами.

Уровень техники

Взрывобезопасность ВМЭО определяется, главным образом, возможностью их корпуса сохранять целостность и форму при возникновении избыточного импульсного давления внутри корпуса после возникновения ДР. Рост давления происходит из-за интенсивного разложения ТМ в дуговом разряде. Поскольку ТМ практически не сжимаемо, то даже небольшое уменьшение объема, занимаемого им, приводит к значительному росту давления. Объем газов, образовавшихся при разложении ТМ, пропорционален энергии, выделившейся в дуговом разряде, при коэффициенте газообразования 0,11 л/кДж [1]. 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.

Существующие методы защиты ВМЭО от взрыва направлены на то, чтобы создать дополнительный объем, в который может быть вытеснено ТМ под действием импульсного давления ДР. Этот дополнительный объем может быть создан либо за счет истечения ТМ 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]. Метод разрушаемой мембраны [3] нашел свое воплощение в системе "TRANSFOMER PROTECTOR", которую выпускает фирма "SERGI Holding". Метод демпфирующих покрытий [4] до сих пор не внедрен на практике.

Эффективная работы подобных системы защиты возможна при условии, что дополнительный объем для расширения жидкости должен быть 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, и как показано в работе [2], ни один из этих методов не удовлетворяет указанным требованиям.

Так в условиях реальной аварии, приведшей к взрывному разрушению бака автотрансформатора на подстанции «Машук», который был оснащен системой "TRANSFOMER PROTECTOR", в расширительный объем через трубопровод, соединяющий 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 "TRANSFOMER PROTECTOR" не может защитить бак ВМЭО от взрыва.

Надежность метода демпфирующих покрытий [4, 5] также вызывает вопросы. В работе [5] предлагается покрывать 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].

Основная причина низкой эффективности известных методов защиты является относительно малая скорость увеличения дополнительного объема для ТМ, или другими словами, большая инерционность этих методов защиты.

На основе анализа процессов, сопровождающих развитие ДР внутри ВМЭО, было предложено ряд новых технических решений для предотвращения его взрыва, одно из которых изложено ниже для патентования в качестве полезной модели.

В качестве прототипа выбрано техническое решение [4], см. фиг. 1. При возникновении ВКЗ под действием высокого давления разрывной элемент 5 в виде мембраны или пленки разрушается и ТМ через открытый затвор 4 по трубопроводу 3 истекает из бака трансформатора 1 в защитный бак 2. Защитный бак 2 в своей верхней части имеет решетку 6 с расположенными на ней металлическими шарами 7. Шары предназначены для уменьшения температуры Назначение этих шаров - охлаждение парогазовой смеси, поступающей из бака 1. Далее цитата из [4] «Средство защиты каждого электрического ввода 12 выполнено в виде эластичной пленки 13, соединенной снаружи со стенкой основного бака 1 и охватывающей нижнюю часть ввода 12. Стенки 17 основного бака 1 с внутренней стороны своей поверхности имеют защитный элемент 18 из плоской или перфорированной жести (вариант 1). Промежуток между защитным элементом 18 и стенкой 17 основного бака 1 представляет собой демпфирующий слой 19, заполненный инертным газом, например, азотом. Инертным газом (азотом) заполнены также защитный бак 2 и внутренний объем эластичных пленок 13. Во втором варианте демпфирующий слой 19 представляет собой пористую эластичную среду типа поролона, изолированную от масла непроницаемой пленкой. При необходимости можно установить два или несколько трубопроводов 3 сброса давления с дисковыми затворами 4 и разрывными элементами 5».

Патентуемое «Устройство для предотвращения взрыва электротехнического оборудования с жидким диэлектриком при электрическом пробое», представленное схематично на фиг.2, содержит короб 1, соединенный плотно со стенкой 2 корпуса 3 ВМЭО и бак 4 для слива избытка жидкого диэлектрика. Нижняя часть короба 1 соединена трубопроводом слива 5 с баком 4. На стенке 2 заподлицо с ней имеется мембрана 6, Разрыв мембраны 6 начинает происходить в точке соприкосновения фронта 7 импульса избыточного давления, исходящего от электрического пробоя 8. Мембрана 6 может иметь такую объемную форму, которая позволит размещаться ей на стенке 2 с поверхностью любой формы - плоской, цилиндрической и т.д. Мембрана 6 для того, чтобы начать свой разрыв в точке соприкосновения фронта давления, имеет сетку локальных ослаблений прочности по всей своей поверхности. Через проем разрыва мембраны в точке соприкосновения фронта 7 жидкому диэлектрику, таким образом, предоставляется возможность увеличить занимаемый им объем в направлении вектора основного потока со скоростью самого потока.

Вспомогательное технологическое оборудование (краны, вентили, дренажи и т.п.) на рисунке не показаны.

Существенным недостатком прототипа является то, что, см. фиг. 1, участок трубопровода от стенки бака трансформатора 1 до затвора 4 всегда заполнен ТМ. Учитывая гидродинамические свойства ТМ и скорость газообразования (0,11 л/кДж) [1], наличие "жидкой пробки" на входе в трубопровод любого разумного диаметра не позволит за время 10-20 мс [1] с нуля так увеличить расход ТМ, чтобы за время горения ДР слить в расширительный бак объем ТМ равный объему образовавшихся от ДР газов.

Технический результат патентуемого устройства состоит: в уменьшении вероятности деформации корпуса и разрушения (взрыва) электротехнического оборудования, в расширении области применения устройства для оборудования с различными формами поверхности стенок корпуса ВМЭО, в упрощении конструкции устройства. Устройство позволяет защитить корпус или участок корпуса (бака) электротехнического оборудования любого класса напряжений и габаритов с любой формой поверхности, от разрушения и деформации вследствие импульсного воздействия давления от мощного дугового разряда, возникающего в результате короткого замыкания внутри корпуса.

Патентуемое устройство обеспечивает технический результат с помощью следующих технических решений, существенно отличающих его от прототипа [4] и известного технического уровня:

1. Отсутствуют трубопроводы, связывающие корпус ВМЭО от зон возможного пробоя и возникновения импульса давления с баками для слива избытка диэлектрика.

2. Отсутствуют датчики давления и другая аппаратура измерения и управления.

3. Локальный импульс давления в зоне возможного пробоя воспринимается мембраной, закрывающей отверстие в корпусе ВМЭО на участке стенки любой формы - плоской, цилиндрической, сферической и т.п.

4. Локальный импульс давления в зоне возможного пробоя воспринимается мембраной, имеющей такие распределенные ослабления прочности, которые позволяют ее локально разорвать напором жидкого диэлектрика с заданным избыточным давлением (примерно до 0,05 МПа), и ее разрыв начать в первой точке соприкосновения фронта 7 избыточного давления, см. фиг. 2.

5. Размер и объемная форма мембран, устанавливаемых в соответствующие отверстия корпуса напротив наиболее вероятных зон пробоя, определяется из условия того, что по их периметру крепления усилие разрыва в результате воздействия ДР должно быть меньше предельно допустимого значения напряжения деформации стенки для корпуса ВМЭО.

6. За каждой мембраной на стенке корпуса ВМЭО с наружной стороны вплотную к ней расположен расширительный бак, объем которого равен не меньше объема выделяемых газов от ДР максимально возможной энергии для конкретного ВМЭО.

7. Из нижней части расширительного бака частично отсепарированный жидкий диэлектрик со значительно меньшей скоростью, чем скорость двухфазного потока от места пробоя до стенки внутри корпуса, перетекает в бак для слива избытка жидкого диэлектрика.

8. После разрыва мембраны давление в расширительном баке значительно ниже давления среды в защитном элементе технического решения [4], в котором защитный элемент стенок основного бака трансформатора выполнен в виде маслонепроницаемой пленки с заполнением промежутка между ней и стенкой основного бака пористым эластичным материалом.

9. Внутренний объем короба рассчитывают исходя из максимальной энергии выделяющейся в ДР, например для ТМ, при коэффициенте газообразования B_g=0,11 л/кДж, и делают его сопоставимым с объемом газов, образующихся при разложении ТМ в ДР.

10. Трубопровод слива не содержит клапанов, затворов, разрывных элементов. Сечение трубопровода от короба до бака рассчитывают из условия, что скорость жидкой фазы не превышает 1 м/с.

11. Крепление короба к корпусу и корпуса ВМЭО к фундаменту рассчитывают исходя из максимальной реактивной силы истечения двухфазного потока из корпуса ВМЭО в короб через проем разрыва мембраны.

Промышленная применимость

Устройство для предотвращения взрыва электротехнического оборудования с жидким диэлектриком при электрическом пробое может быть применено в качестве средства обеспечения взрывобезопасности при модернизации работающего, стоящего в резерве и вновь проектируемого высоковольтного маслонаполненного электрооборудования всех классов напряжений и габаритов.

Устройство позволяет защитить корпус (бак) электротехнического оборудования любого класса напряжений и габаритов, а также участок корпуса с любой с формой поверхности от разрушения и деформации вследствие импульсного воздействия давления от мощного дугового разряда, возникающего после короткого замыкания внутри корпуса.

Использование полезной модели в создании нового и модернизации действующего высоковольтного маслонаполненного электрооборудования позволит исключить выбросы в окружающую среду парогазовой смеси, образовавшейся при разложении жидкого диэлектрика, тем самым практически исключит возможность возникновения пожара, загрязнения окружающей среды и снизит затраты на ремонтно-восстановительные работы.

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., Казенное 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 для предотвращения взрыва высоковольтного электротехнического оборудования с жидким диэлектриком при электрическом пробое, 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 отверстие плотно к стенке корпуса, мембрану, закрывающую отверстие плотно к корпусу и разрываемую локальным импульсом давления, отличающееся тем, что отверстие в стенке корпуса выполнено в зоне возможного пробоя на участке с поверхностью любой формы; мембрана закрывает отверстие в корпусе на участке стенки с поверхностью любой формы (плоской, цилиндрической, сферической); локальный импульс давления в зоне возможного пробоя воспринимается мембраной, обеспечивающей её локальный разрыв с образованием проёма с началом разрыва в первой точке соприкосновения фронта избыточного давления под действием напора потока жидкого диэлектрика; проём разорванной мембраны в точке её соприкосновения с фронтом избыточного давления позволяет увеличить занимаемый жидким диэлектриком объём.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что размер и объемная форма мембран, устанавливаемых в корпусе в соответствующие отверстия, расположенных наиближайшим образом к зонам вероятных пробоев, определяется из условия того, что по их периметру крепления усилие разрыва в результате воздействия дугового разряда должно быть меньше предельно допустимого значения напряжения деформации стенки корпуса.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объём расширительного бака, расположенного за каждой мембраной вплотную к стенке корпуса электротехнического оборудования с наружной стороны, не меньше объёма выделяемых газов от дугового разряда с максимально возможной энергией для конкретного электротехнического оборудования.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расширительный бак имеет объёмную форму, соответствующую форме посадочной поверхности на участке стенки по периметру отверстия (мембраны).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проём разрыва мембраны в первой точке соприкосновения фронта избыточного давления обеспечивает жидкому диэлектрику возможность увеличить занимаемый им объём в корпусе в направлении вектора основного потока с объёмным расходом самого потока из корпуса в расширительный бак.