Transformatortrykaflastnings- og fejldetektionssystemer

​​​​​​​

 

1. Introduktion

 

I olie-nedsænkede transformatorer er interne trykændringer en normal del af driften. Efterhånden som transformerolie opvarmes og afkøles under påfyldningscyklusser, udvider og trækker det forseglede gasrum inde i tanken sig sammen, hvilket forårsager gradvise tryksvingninger i transformatorkabinettet. Under normale driftsforhold sker disse trykændringer langsomt og er hovedsageligt forbundet med variation i omgivelsestemperaturen og transformatorbelastning.

Interne elektriske fejl skaber dog en helt anden trykadfærd. Hændelser såsom viklingsfejl eller indre lysbuer kan hurtigt nedbryde isolerende olie til gas, hvilket producerer en pludselig trykbølge inde i tanken. Fordi disse fejlgenererede trykstigninger opstår inden for millisekunder, kræver transformere ikke kun trykaflastningsanordninger, men også dedikerede fejldetektionssystemer, der er i stand til at identificere unormal trykadfærd, før der opstår katastrofale tankfejl.

Af denne grund er moderne transformatorbeskyttelsessystemer generelt opdelt i to hovedkategorier:

• Trykaflastningssystemer
• Fejldetekteringssystemer

Denne lagdelte beskyttelsesfilosofi afspejles bredt i IEEE C57-standarder og IEC 60076-transformatordesignpraksis.

 

2. Trykaflastning vs. fejldetektion

 

Selvom udtrykkene "trykaflastning" og "fejldetektion" nogle gange bruges i flæng i transformerindustrien, tjener de fundamentalt forskellige funktioner.

En transformertrykaflastningsanordning er designet til fysisk at frigive for stort tanktryk for at forhindre mekanisk deformation eller brud på transformatortanken. Disse enheder reagerer primært på trykstørrelsen og danner grundlaget for transformatortrykbeskyttelsessystemer.

Fejldetektionsanordninger overvåger på den anden side hastigheden eller karakteristika for trykændringer forbundet med interne elektriske fejl. I stedet for at slippe trykket genererer de alarm- eller udløsningssignaler for at isolere transformatoren fra strømsystemet.

Denne skelnen bliver stadig vigtigere, efterhånden som transformatorstørrelsen og fejlenerginiveauet stiger.

 

Tabel 1 – Forskellen mellem trykaflastning og fejldetektion

3. Transformer trykaflastningsanordninger

 

3.1 Trykaflastningsventil (PRV)​​​​​​​

Trykudløsningsventilen er designet til at beskytte transformatortanken mod for højt tryk indeni. Når trykket i tanken når udløsningstrykket, åbner ventilen automatisk for at frigive gassen, indtil trykket falder til det sikre tryk. Derudover har brugere, når det er nødvendigt, lov til manuelt at betjene overtryksventilen i transformerapplikationer ved at trække i betjeningsringen for at reducere det indre tryk.

Under IEEE-praksis er det typiske revnetryk for et PRV-transformerdesign cirka 10 PSIG ±2 PSIG, mens CSA-applikationer ofte bruger lavere trykindstillinger. Efter at trykket er aflastet, genforsegles trykaflastningsventilen i transformersystemer automatisk for at opretholde transformatortankens integritet.

 

På grund af sin enkle konstruktion og pålidelige drift er PRV meget udbredt i:

• Pol-monterede transformere
• Pad-monterede transformere
• Olie-distributionstransformatorer
• Små understationer

 

Sammenlignet med større transformator-PRD-systemer foretrækkes PRV'er generelt til transformere med lavere kVA, hvor trykstigningen er relativt moderat og forudsigelig. I mange distributionstransformatorapplikationer er PRV-ventilen i transformertanke fortsat den mest almindelige form for grundlæggende mekanisk trykbeskyttelse.

3.2 Trykaflastningsenhed (PRD)

Trykaflastningsanordninger (PRD'er) tjener stort set samme formål som overtryksventiler (PRV'er): de beskytter transformatortanken mod for højt internt tryk. I praksis er PRD'er dog mere almindeligt forbundet med større effektværdier. Du ser normalt ikke en PRD installeret på transformere under omkring 1.500 kVA, selvom der ikke er noget teknisk galt i at bruge en på mindre enheder, hvis applikationen kræver det.

De fleste PRD'er er monteret på toppen af ​​transformatortanken, hvor intern gas- eller trykopbygning kan frigives hurtigt under en fejltilstand.

Terminologien kan være forvirrende, fordi "trykaflastningsanordning" ofte bruges som en generel industribetegnelse for både PRV'er og PRD'er. I de fleste tilfælde bruges PRV'er på mindre distributionstransformatorer, mens PRD'er er mere almindelige på større enheder eller applikationer, der kræver hurtigere trykrespons og fejlindikation.

En transformatortrykaflastningsenhed udfører den samme grundlæggende funktion som en PRV -, der aflaster for stort internt tryk -, men er typisk designet med højere flowkapacitet, hurtig responstid, pålidelig genlukningsydelse og valgfri alarm- eller overvågningsfunktioner. Avancerede PRD-designs giver nøjagtigt åbningstryk, kort driftstid, pålidelig langtids-udendørs ydeevne og effektiv tætning mod fugt, støv og luftindtrængning, hvilket hjælper med at opretholde positivt tanktryk og forbedre transformatorens driftssikkerhed.

 

En stor fordel ved cover-monterede PRD'er er overvågningskapacitet. Mange transformatortrykaflastningsenheder inkluderer:

• Visuelle semaforer eller driftsindikatorer
• Fjernalarmkontakter
• SCADA-kompatible overvågningsudgange

 

Dette gør PRD'er særligt velegnede til forsyningsstationer og industrielle kraftsystemer, hvor fjernovervågning er påkrævet.

PRD'er anvendes almindeligvis i:

• Enhed understation transformere
• Transformatorer med medium effekt
• Store krafttransformere
• Transformere til forsyningsstationer

 

Til større forsyningsapplikationer vælger ingeniører ofte et trykaflastningstransformerarrangement i stedet for et mindre PRV på grund af højere intern fejlenergi og olievolumen.

3.3 Brudskive

Brudskiver bruges typisk som ultimative nødtrykaflastningsenheder i høj--transformatorapplikationer.

I modsætning til PRV'er eller standard PRD'er er rupture discs ikke-nulstillelige enheder designet til at briste øjeblikkeligt, når det indre tryk når en kritisk grænse. Deres primære formål er at sørge for hurtig fuld-arealudluftning under katastrofale interne fejlhændelser.

 

Fordi brudskiver skal udskiftes efter operation, er de normalt reserveret til:

• Store krafttransformere
• Ovn transformatorer
• Træk transformatorer
• Industrielle systemer på højt-niveau

I ingeniørpraksis repræsenterer brudskiver det højeste niveau af mekanisk trykbeskyttelse.

4. Transformerfejldetektionsenheder

 

4.1 Intern fejldetektor (IFD)

Interne fejldetektorer (IFD'er) bruges i vid udstrækning på pol-monterede og pad-transformatorer som en enkel, men yderst effektiv feltsikkerhedsanordning.

En IFD registrerer pludselig intern trykstigning forårsaget af lysbuefejl inde i transformatortanken. Når den er aktiveret, springer en farvestrålende visuel indikator ud, hvilket gør det muligt for forsyningspersonale med det samme at identificere, at transformatoren har oplevet en intern fejl og ikke bør genaktiveres.-

 

En stor fordel ved moderne IFD-systemer er, at mange designs integrerer en standard IEEE- eller CSA-kompatibel PRV i transformersamlinger i den samme enhed ved at kombinere:

• Trykaflastning
• Fejlindikation

i en enkelt kompakt struktur.

 

IFD'er bruges almindeligvis i:

• Enfasede-polede-transformatorer
• Tre-polede-transformatorer
• Pad-monterede transformere
• Små transformerstationer

Sammenlignet med SPR-systemer er IFD'er enklere, mere økonomiske og særligt velegnede til applikationer på distributions-niveau.

4.2 Pludselig trykrelæ (SPR / RPR)

 

Disse systemer er almindeligt anvendt i:

• Transformatorer med medium effekt
• Store krafttransformere
• Ensretter transformatorer
• Ovn transformatorer
• Træk transformatorer

 

Sammenlignet med IFD'er giver hurtige trykstigningsrelæbeskyttelsessystemer hurtigere elektrisk integration og er mere velegnede til kritiske brugs- og industrielle applikationer.

4.3 Buchholz-stafet

Buchholz-relæet er en gas-- og olie-flow-drevet fejldetektionsenhed, der bruges i transformatorer af typen konservator-.

I modsætning til SPR- og IFD-systemer, der primært reagerer på trykændringer, registrerer Buchholz-relæer interne fejl gennem:

• Gasophobning
• Oliestødbevægelse

 

Relæet fungerer typisk i to trin:

• Alarm for begyndende fejl
• Trip for alvorlige interne fejl

 

Buchholz relæer er meget udbredt i:

• Enhedsunderstationer af typen konservator-
• Transformatorer med medium effekt
• Store krafttransformere

 

På grund af deres evne til at detektere langsomt udviklende isolationsfejl, er Buchholz-relæer stadig en af ​​de vigtigste fejldetektionsenheder i store oliefyldte-transformatorer.

 

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

 

I rigtige transformerapplikationer bruges disse enheder ikke ligeligt på tværs af alle transformatorklasser. I stedet bliver beskyttelsessystemer gradvist mere avancerede, efterhånden som transformatorstørrelsen og fejlenergien øges.

 

Tabel 2 – Typisk anvendelse af beskyttelsesenhed efter transformatorklasse

Denne lagdelte konfiguration afspejler det tekniske princip om, at transformatorbeskyttelse udvikler sig fra grundlæggende mekanisk trykaflastning til integrerede mekaniske og elektriske fejlbeskyttelsessystemer.

6. Konklusion

 

Moderne transformatorsikkerhedsdesign er baseret på koordinering af trykaflastnings- og fejldetektionssystemer snarere end afhængighed af en enkelt enhed.

PRV'er og PRD'er giver kontrolleret mekanisk trykaflastning under normale og unormale driftsforhold. Brudskiver giver ultimativ nødbeskyttelse under katastrofale fejl. IFD'er og pludselige trykrelæsystemer registrerer pludselig trykstigning forårsaget af interne elektriske fejl, mens Buchholz-relæer overvåger gasgenerering og oliebevægelse i forbindelse med udvikling af isolationsfejl.

Tilsammen danner disse enheder en flerlags transformatorbeskyttelsesarkitektur, der forbedrer driftssikkerheden, personalesikkerheden og fejlisoleringsevnen på tværs af distributions-, industri- og energisystemer.