Transformatortrykkavlastnings- og feildeteksjonssystemer

​​​​​​​

 

1. Introduksjon

 

I olje-nedsenkede transformatorer er interne trykkendringer en normal del av driften. Når transformatorolje varmes opp og avkjøles under lastesykluser, utvider og trekker det forseglede gassrommet inne i tanken seg sammen, noe som forårsaker gradvise trykksvingninger i transformatorkapslingen. Under normale driftsforhold skjer disse trykkendringene sakte og er hovedsakelig assosiert med omgivelsestemperaturvariasjoner og transformatorbelastning.

Interne elektriske feil skaper imidlertid en helt annen trykkadferd. Hendelser som viklingsfeil eller indre lysbue kan raskt bryte ned isolerende olje til gass, og produsere en plutselig trykkbølge inne i tanken. Fordi disse feilgenererte trykkøkningene skjer i løpet av millisekunder, krever transformatorer ikke bare trykkavlastningsenheter, men også dedikerte feildeteksjonssystemer som er i stand til å identifisere unormal trykkatferd før katastrofal tankfeil oppstår.

Av denne grunn er moderne transformatorbeskyttelsessystemer generelt delt inn i to hovedkategorier:

• Trykkavlastningssystemer
• Feildeteksjonssystemer

Denne lagdelte beskyttelsesfilosofien gjenspeiles bredt i IEEE C57-standarder og IEC 60076-transformatordesignpraksis.

 

2. Trykkavlastning vs feildeteksjon

 

Selv om begrepene "trykkavlastning" og "feildeteksjon" noen ganger brukes om hverandre i transformatorindustrien, har de fundamentalt forskjellige funksjoner.

En transformatortrykkavlastningsanordning er utformet for å fysisk frigjøre for høyt tanktrykk for å forhindre mekanisk deformasjon eller brudd på transformatortanken. Disse enhetene reagerer først og fremst på trykkstørrelsen og danner grunnlaget for transformatortrykkbeskyttelsessystemer.

Feildeteksjonsenheter overvåker derimot hastigheten eller egenskapene til trykkendringer knyttet til interne elektriske feil. I stedet for å slippe trykket, genererer de alarm- eller utløsningssignaler for å isolere transformatoren fra strømsystemet.

Denne forskjellen blir stadig viktigere ettersom transformatorstørrelsen og feilenerginivået øker.

 

Tabell 1 – Forskjellen mellom trykkavlastning og feildeteksjon

3. Transformator trykkavlastningsenheter

 

3.1 Trykkavlastningsventil (PRV)​​​​​​​

Trykkutløsningsventilen er designet for å beskytte transformatortanken mot for høyt trykk inne. Når trykket i tanken når utløsningstrykket, åpnes ventilen automatisk for å frigjøre gassen til trykket faller til det sikre trykket. I tillegg, når det er nødvendig, kan brukere manuelt betjene trykkavlastningsventilen i transformatorapplikasjoner ved å trekke i betjeningsringen for å redusere internt trykk.

Under IEEE-praksis er det typiske sprekktrykket for en PRV-transformatordesign omtrent 10 PSIG ±2 PSIG, mens CSA-applikasjoner ofte bruker lavere trykkinnstillinger. Etter at trykket er lettet, forsegles trykkavlastningsventilen i transformatorsystemer automatisk for å opprettholde transformatortankens integritet.

 

På grunn av sin enkle konstruksjon og pålitelige drift, er PRV mye brukt i:

• Stolpe-transformatorer
• Pad-monterte transformatorer
• Olje-distribusjonstransformatorer
• Små enhetsstasjoner

 

Sammenlignet med større transformator-PRD-systemer er PRV-er generelt foretrukket for transformatorer med lavere kVA der trykkøkningen er relativt moderat og forutsigbar. I mange distribusjonstransformatorapplikasjoner er PRV-ventilen i transformatortanker fortsatt den vanligste formen for grunnleggende mekanisk trykkbeskyttelse.

3.2 Pressure Relief Device (PRD)

Trykkavlastningsanordninger (PRDs) tjener i hovedsak samme formål som trykkavlastningsventiler (PRVs): de beskytter transformatortanken mot for høyt internt trykk. I praksis er imidlertid PRD-er oftere assosiert med større effektklassifiseringer. Du ser normalt ikke en PRD installert på transformatorer under ca. 1500 kVA, selv om det ikke er noe teknisk galt med å bruke en på mindre enheter hvis applikasjonen krever det.

De fleste PRD-er er montert på toppen av transformatortanken, hvor intern gass eller trykkoppbygging kan frigjøres raskt under en feiltilstand.

Terminologien kan være forvirrende fordi "trykkavlastningsanordning" ofte brukes som en generell industribetegnelse for både PRV-er og PRD-er. I de fleste tilfeller brukes PRV-er på mindre distribusjonstransformatorer, mens PRD-er er mer vanlige på større enheter eller applikasjoner som krever raskere trykkrespons og feilindikasjon.

En transformatortrykkavlastningsenhet utfører den samme grunnleggende funksjonen som en PRV - som avlaster for høyt internt trykk -, men er vanligvis utformet med høyere strømningsevne, rask responstid, pålitelig gjenforseglingsytelse og valgfrie alarm- eller overvåkingsfunksjoner. Avanserte PRD-design gir nøyaktig åpningstrykk, kort driftstid, pålitelig langtids-utendørs ytelse og effektiv tetning mot fuktighet, støv og luftinntrenging, og bidrar til å opprettholde positivt tanktrykk og forbedre transformatorens driftssikkerhet.

 

En stor fordel med-dekkemonterte PRD-er er overvåkingsevne. Mange transformatortrykkavlastningsenheter inkluderer:

• Visuelle semaforer eller driftsindikatorer
• Eksterne alarmkontakter
• SCADA-kompatible overvåkingsutganger

 

Dette gjør PRD-er spesielt egnet for nettstasjoner og industrielle kraftsystemer der fjernovervåking er nødvendig.

PRD-er brukes ofte i:

• Enhetstransformatorer
• Middels krafttransformatorer
• Store krafttransformatorer
• Transformatorer for nettstasjoner

 

For større bruksområder velger ingeniører ofte et trykkavlastningstransformatorarrangement i stedet for en mindre PRV på grunn av høyere intern feilenergi og oljevolum.

3.3 Bruddskive

Bruddskiver brukes vanligvis som ultimate nødtrykkavlastningsenheter i høy-transformatorapplikasjoner.

I motsetning til PRV-er eller standard PRD-er, er bruddplater ikke-tilbakestillbare enheter designet for å sprekke umiddelbart når internt trykk når en kritisk grense. Deres primære formål er å sørge for rask utlufting av hele-området under katastrofale interne feilhendelser.

 

Fordi bruddskiver må skiftes ut etter operasjon, er de vanligvis reservert for:

• Store krafttransformatorer
• Ovnstransformatorer
• Trekktransformatorer
• Industrielle systemer med høyt-feilnivå

I ingeniørpraksis representerer bruddskiver det høyeste nivået av mekanisk trykkbeskyttelse.

4. Transformatorfeildeteksjonsenheter

 

4.1 Intern feildetektor (IFD)

Interne feildetektorer (IFDs) er mye brukt på stolpe-monterte og pad{1}}monterte transformatorer som en enkel, men svært effektiv feltsikkerhetsanordning.

En IFD oppdager plutselig intern trykkøkning forårsaket av lysbuefeil inne i transformatortanken. Når den er aktivert, spretter en skarp farget visuell indikator ut, slik at forsyningsmannskaper umiddelbart kan identifisere at transformatoren har opplevd en intern feil og ikke bør-aktiveres på nytt.

 

En stor fordel med moderne IFD-systemer er at mange design integrerer en standard IEEE- eller CSA-kompatibel PRV i transformatorsammenstillinger i samme enhet, og kombinerer:

• Trykkavlastning
• Feilmelding

i en enkelt kompakt struktur.

 

IFD-er brukes ofte i:

• Enfaset-polet-transformatorer
• Tre-polerte-transformatorer
• Pad-monterte transformatorer
• Små transformatorer for transformatorstasjoner

Sammenlignet med SPR-systemer er IFD-er enklere, mer økonomiske og spesielt egnet for applikasjoner på distribusjons-nivå.

4.2 Plutselig trykkrelé (SPR / RPR)

 

Disse systemene brukes ofte i:

• Middels krafttransformatorer
• Store krafttransformatorer
• Likeretter transformatorer
• Ovnstransformatorer
• Trekktransformatorer

 

Sammenlignet med IFD-er, gir beskyttelsessystemer for rask trykkstigningsrelé raskere elektrisk integrasjon og er mer egnet for kritiske bruksområder og industrielle applikasjoner.

4.3 Buchholz stafett

Buchholz-reléet er en gass-- og olje-strøm-drevet feildeteksjonsenhet som brukes i transformatorer av typen konservator-.

I motsetning til SPR- og IFD-systemer, som først og fremst reagerer på trykkendringer, oppdager Buchholz-reléer interne feil gjennom:

• Gass akkumulering
• Oljebølgebevegelse

 

Reléet fungerer vanligvis i to trinn:

• Alarm for begynnende feil
• Trip for alvorlige interne feil

 

Buchholz-reléer er mye brukt i:

• Understasjoner av typen konservator-
• Middels krafttransformatorer
• Store krafttransformatorer

 

På grunn av deres evne til å oppdage sakte utviklende isolasjonsfeil, er Buchholz-releer fortsatt en av de viktigste feildeteksjonsenhetene i store oljefylte-transformatorer.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Beskyttelseshierarki i ingeniørpraksis

 

I ekte transformatorapplikasjoner brukes ikke disse enhetene likt på tvers av alle transformatorklasser. I stedet blir beskyttelsessystemer gradvis mer avanserte ettersom transformatorstørrelsen og feilenergien øker.

 

Tabell 2 – Typisk bruk av beskyttelsesenhet etter transformatorklasse

Denne lagdelte konfigurasjonen reflekterer det tekniske prinsippet om at transformatorbeskyttelsen utvikler seg fra grunnleggende mekanisk trykkavlastning til integrerte mekaniske og elektriske feilbeskyttelsessystemer.

6. Konklusjon

 

Moderne transformatorsikkerhetsdesign er basert på koordinering av trykkavlastnings- og feildeteksjonssystemer i stedet for å stole på en enkelt enhet.

PRV-er og PRD-er gir kontrollert mekanisk trykkavlastning under normale og unormale driftsforhold. Bruddskiver gir ultimat nødbeskyttelse under katastrofale feil. IFD-er og plutselige trykkrelésystemer oppdager plutselig trykkøkning forårsaket av interne elektriske feil, mens Buchholz-releer overvåker gassgenerering og oljebevegelse forbundet med utvikling av isolasjonsfeil.

Sammen danner disse enhetene en flerlags-transformatorbeskyttelsesarkitektur som forbedrer driftssikkerheten, personellsikkerheten og feilisoleringsevnen på tvers av distribusjons-, industri- og kraftsystemer.