Испытание маслонаполненного трансформатора на взрывобезопасность с использованием бездугового источника импульсного давления

Описан бездуговой источник импульсного давления (БИИД), предназначенный для моделирования воздействия на высоковольтное маслонаполненное электрооборудование дугового разряда (ДР), возникающего в результате внутреннего КЗ. Разработана методика применения данного источника, проведены испытания серийного маслонаполненного трансформатора тока (ТТ) класса напряжения 110 кВ. Установлено, что испытанный ТТ взрывобезопасен при энергии воздействия электрической дуги вплоть до 0,4 МДж. Вероятность возникновения ДР с большей энергией в испытанном ТТ незначительна.

Ключевые слова; высоковольтное маслонаполненное электротехническое оборудование, взрывозащищенность, газообразование, внутреннее короткое замыкание, дуговой разряд, бездуговой источник импульсного давления.

Крупномасштабные аварии на энергетических объектах, возникающие в результате взрывов высоковольтного маслонаполненного электротехнического оборудования (ВМЭО), приводят к значительным финансовым потерям, исчисляемым сотнями миллионов рублей. Более того, в ряде случаев только благоприятное стечение обстоятельств позволило при таких авариях избежать человеческих жертв. Все это свидетельствует о необходимости обеспечения взрывобезопасности ВМЭО. Одно из главных препятствий на пути создания взрывобезопасных конструкций ВМЭО - отсутствие эффективных и доступных методов испытаний, позволяющих разрабатывать усовершенствованные конструкции ВМЭО.

Взрывы ВМЭО происходят, как правило, в процессе развития ДР пи внутреннем К3. Начальный проводящий канал в трансформаторном масле (ТМ) образуется обычно вследствие постепенной деградации внутренней изоляции при возникновении и развитии в ней частичных разрядов. Дуговой разряд горит десятки миллисекунд, пока не сработают защитные устройства. Энергия ДР может составлять от нескольких десятых долей мегаджоуля в измерительных трансформаторах до нескольких десятков мегаджоулей в силовых трансформаторах.

При ДР происходит интенсивное разложение ТМ с выделением большого объёма газов, что приводит к значительному росту давления в месте возникновения КЗ и распространению от него интенсивных волн давления внутри ВМЭО. Всё это заканчивается зачастую взрывным разрушением корпуса ВМЭО. В случае попадания воздуха в парогазовую смесь продуктов разложения ТМ, вышедших наружу из разрушенного корпуса ВМЭО, может произойти воспламенение образовавшейся смеси. При этом ущерб от возникшего пожара, как правило, существенно превышает стоимость повреждённого ВМЭО.

Применяемая в настоящее время методика испытаний, описанная в статье [1], основана на инициировании ДР внутри ВМЭО. Поскольку при этом требуется электрическая дуга с энергией до 50 МДж, возникает необходимость использования мощных источников энергии на основе ударных генераторов или ударных трансформаторов. Подобные испытания являются весьма дорогими.

В статье [1] рассмотрена принципиальная возможность моделирования воздействия ДР на ВМЭО с помощью химической энергии пороха или других

взрывчатых материалов (ВМ). По предварительным оценкам специалистов, предлагаемый альтернативный метод испытаний в 5 — 10 раз дешевле стандартного. Оба метода эквивалентны при наличии гидравлического подобия течений ТМ, возникающих в ВМЭО под действием ДР и энергии ВМ.

В публикации [2] приведены результаты исследования течения жидкости (ТМ и воды) под действием ДР и струи пороховых газов (СПГ), формирующейся в БИИД. Эксперименты проводились в условиях, весьма близких к условиям, возникающим при пробое в ВМЭО. Кроме того, отмечено, что характеристики ДР в воде и в ТМ качественно и количественно близки. Этот вывод весьма важен для практики, так как позволяет сделать испытания ВМЭО на взрывобезопасность более дешёвыми, если заполнять корпус водой. При этом обеспечивается пожарная и экологическая безопасность.

Эксперименты с ДР, описанные в публикации [2], позволили сформулировать требования к БИИД, с помощью которого можно воспроизводить воздействие дуги на ВМЭО. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что при надлежащем выборе конструкции генератора СПГ можно обеспечить динамическую эквивалентность силового воздействия на жидкость «порции» СПГ и ДР. Для этого необходимо, чтобы длительность воздействия СПГ была 40 — 100 мс, а энтальпия СПГ на входе в жидкость близка к ожидаемому значению энергии дуги.

В данной работе приведены результаты испытания на взрывобезопасность с помощью БИИД серийно выпускаемого ОАО РЭЗТ «Энергия» трансформатора тока ТБМО 110 УХЛ-1 (ТУ 3414-024-11703970-03) класса напряжения 110 кВ. Этот ТТ имеет одноступенчатую конструкцию. Активная его часть помещена в металлический корпус, заполняемый маслом марки ГК (ТУ 38.1011025-85). Корпус, выполненный из стального листа толщиной 4 мм, имеет высоту 445 мм и размеры поперечного сечения 390×535 мм.

Сверху корпуса расположена фарфоровая покрышка с компенсатором давления в виде сильфона, обеспечивающим компенсацию температурных изменений объёма масла и защиту внутренней изоляции трансформатора от увлажнения. Объём масла до уровня сильфона — 88 л, объём раскрытого сильфона — 25 л. На рис. 1, а показан ТТ перед испытанием, справа к нему присоединён БИИД.

При испытаниях на взрывобезопасность необходимо знать параметры ДР, возникающего в ВМЭО при внутреннем КЗ. Масштаб силового воздействия ДР на корпус ВМЭО определяется полной энергией дуги и длительностью её горения τ. Продолжительность горения ДР зависит, главным образом, от скорости срабатывания защитных устройств. Типичное время срабатывания защиты τ ≈ 60 ÷ 200 мс. Для оценки энергии ДР необходимы данные о токе и напряжении. При этом в качестве определяющего параметра обычно задаётся максимальный ток КЗ, а значение напряжения не регламентируется.

Напряжение на ДР пропорционально его длине, средняя напряжённость электрического поля в столбе ДР по данным публикаций [1, 2] составляет 0,1 — 0,3 кВ/см. Обычно внутреннее КЗ приводит к пробою на корпус ВМЭО, так что для исследуемого трансформатора напряжение на ДР, горящем между обмоткой трансформатора и корпусом, может изменяться в пределах 2-3 кВ.

Ток ДР определяется в основном индуктивным сопротивлением линии. Для рассматриваемого ТТ ожидаемое значение тока дуги равно примерно 2 кА (в реальной аварийной ситуации по данным завода-изготовителя 1 ,6 кА). Таким образом, максимальная энергия ДР, возникающего в ТТ, может составлять около 0,4 МДж.

Авторами разработан БИИД, удовлетворяющий приведённым требованиям. Масса ВМ 165 г, при этом суммарное расчётное тепловыделение в БИИД достигло 0,6 МДж. Избыток энергии по сравнению с ДР компенсировал потери энтальпии СПГ на нагрев стенок БИИД, а также гидравлические потери. По оценкам, давление в камере сгорания БИИД достигает 0,5 ГПа (ресурс БИИД составлял 3-5 пусков).

Бездуговой источник импульсного давления позволяет получить нестационарную СПГ с давлением примерно 10 МПа в выходном сечении в течение
60 — 80 мс. Максимальное давление струи в момент запуска достигает 30 МПа. В предварительных экспериментах был измерен объём пороховых газов (ПГ), образующихся при «выстреле», который составил около 0,14 м³, что согласуется с коэффициентом газообразования при сжигании используемого ВМ.

Это значение примерно втрое больше ожидаемого объёма газа, который может образоваться при ДР в испытуемом трансформаторе. Избыточный объём отчасти компенсирует потери энтальпии в источнике. Кроме того, молекулярный вес ПГ примерно вдвое больше молекулярного веса газообразных продуктов разложения ТМ, также и температура тяжёлых частиц в ДР заметно выше температуры ПГ. Поэтому, чтобы обеспечить ту же мощность воздействия на корпус ВМЭО при использовании БИИД (как и в ДР), следует увеличить объём ПГ.

В экспериментах [2] эквивалентность разработанного источника и ДР определялась погружением источника в жидкость (ТМ и воду). По их результатам можно констатировать, что необходимо обеспечить энергию СПГ на выходе из БИИД, равную энергии дуги. При выполнении этого условия достигается одинаковое гидродинамическое воздействие на ТМ.

Испытания ТТ проводились на специально подготовленной площадке, оборудованной поддоном для сбора ТМ. В эксперименте измерялось давление в ТМ на стенках трансформатора в трёх точках с помощью датчиков давления (ДД) Нoneywell 13 C2000PA4K. Первый датчик ДЦТ (см. рис. 1, а) располагался вблизи выходного сечения БИИД, где давление ПГ максимально, два других были установлены рядом с противоположной стенкой трансформатора. Датчик ДД1 рассчитан на максимальное давление 49 МПа, два других ДД позволяют измерять давление не менее 13,6 МПа. Время «отклика» ДД составляет 0,05 мс.

При этом осуществлялась скоростная видеосъёмка в двух взаимно перпендикулярных направлениях посредством цифровых камер Саsiо ЕХ-F1 ВК. Одной камерой снимали со скоростью 300 кров в секунду, в результате был получен общий вид ТТ с разрешением 512×384 пикселей. Скорость съёмки второй камеры слежения составляла 600 кадров в секунду, разрешение 432 × 192 пикселей. С её помощью зафиксирован собственно корпус ТТ. На поверхности трансформатора была нанесена прямоугольная сетка с ячейками 303×30 мм (см. рис. 1), что позволило более точно зафиксировать начало необратимой деформации корпуса.

Для установки БИИД и ДД по согласованию с заводом-изготовителем в корпусе ТТ были выполнены технологические отверстия, которые практически не снизили его прочность. Накануне эксперимента БИИД загрузили указанной порцией ВМ и непосредственно перед проведением опыта установили на ТТ.

Управление БИИД производилось из закрытого помещения, в котором находились оператор с регистрирующей аппарату рой и другие участники испытаний.

Зафиксированные характеристики БИИД (давление и длительность воздействия) были близки к значениям, полученным в предварительных экспериментах. Осциллограммы давления с ДД2 и ДД3 показаны на рис. 2. Во время эксперимента произошёл обрыв кабеля в разъёме к ДД1, установленном в ближней зоне действия БИИД. Максимальное давление, которое успел зафиксировать ДД1 до обрыва кабеля, достигло 20 МПа за время примерно 0,1 мс.

Обрыв кабеля возник из-за дефекта конструкции заводского разъёма. В датчиках ДД2 и ДД3 разъёмы отсутствовали, поэтому контакты были припаяны к измерительным линиям, что исключило обрывы. Из рис. 2 следует, что длительность силового воздействия составила примерно 60 мс. Задержка между временем поступления сигналов от различных датчиков согласуется со временем распространения звуковых возмущений в ТМ.

На рис. 3 показаны фотографии нижней части ТТ при испытаниях в разные моменты времени после включения БИИД. Первая фотография получена через 1,6 мс после включения БИИД (рис. 3, а), когда началась деформация корпуса. Следующий снимок сделан через 25,6 мс, когда деформация корпуса уже завершилась. Таким образом, из данных скоростной съёмки следует, что основная деформация корпуса произошла за первые 20 — 25 мс после срабатывания БИИД, когда избыточное давление внутри ТТ составило примерно 1 МПа. Такое же время деформации получено из результатов съёмки второй камерой слежения.

Приблизительно через 10 мс после начала деформации корпуса пришёл в движение сильфон, установленный сверху изолятора. Максимальная скорость раскрытия сильфона была около 5 м/с. Однако к моменту завершения деформации сильфон практически не раскрылся. С некоторыми допущениями данный сильфон можно рассматривать как макет системы защиты ТТ от разрушения при ДР. Испытания показали, что деформация ТТ произошла очень быстро, поэтому подобная система защиты просто не успела бы сбросить возросшее давление внутри ТТ. Примерно через 200 мс после подачи импульса давления из небольших отверстий, образовавшихся при локальном разрушении сильфона, появился «дымок». Избыточное давление в ТТ в этот момент было около 0,3 МПа.

На рис. 1, б показан общий вид ТТ после испытаний. Корпус трансформатора претерпел значительные пластические деформации, при этом его объём увеличился примерно на 8,5 л (12 %). Следует отметить, что деформация корпуса не повлекла за собой разрушение ТТ и протечку ТМ. Таким образом, возникновение дуги с энергией порядка 0,4 МДж при внутреннем КЗ в испытуемом ТТ не должно сопровождаться пожаром из-за самовозгорания продуктов разложения ТМ, попавших в воздух. Вблизи низковольтных вводов образовались небольшие трещины, через которые сочилось ТМ со скоростью около 0,3 л/ч. Видеосъёмка позволила зафиксировать фрагмент изолятора, отколовшийся в этой части ТТ примерно через 170 мс после срабатывания БИИД.
Проведённые испытания позволяют сформулировать предварительные требования к системе защиты данного типа ВМЭО от воздействия ДР. Чтобы избежать разрушения ТТ, необходимо в течение 10 — 20 мс после возникновения внутреннего КЗ удалить из бака ТМ объёмом 0,02 — 0,03 м³. В целом на основании проведённых испытаний можно утверждать, что ТТ типа ТБМО 110 УХЛ- 1 взрыво- и пожаробезопасен при энергии воздействия вплоть до 0,4 МДж. Это значение близко к максимально возможной энергии ДР, который может возникнуть в ТТ данного типа.
Разработанный метод испытаний на взрывобезопасность с помощью БИИД можно применять и для более мощного ВМЭО, в котором ожидаемая энергия ДР может составлять 10 МДж и более. При этом целесообразно использовать многокамерный генератор ПГ с независимым включением камер.

Такая конструкция БИИД позволит точнее воспроизвести воздействие волн давления, генерируемых переменным током ДР на корпус ВМЭО.

Выводы

1. Разработан бездуговой источник импульсного давления, позволяющий проводить испытания ВМЭО на взрывобезопасность и взрывозащищённость.

2. Создана методика испытания ВМЭО с использованием бездугового источника импульсного давления. При этом значительно (в несколько раз) снижается стоимость таких испытаний.

3. Испытания серийного образца ТТ класса напряжения 110 кВ показали, что
при энергии воздействия ДР вплоть до 0,4 МДж трансформатор тока ТБМО 110 УХЛ-1 взрыво- и пожаробезопасен.

4. Предложенный метод рекомендуется для проведения типовых испытаний, а также для оценки работоспособности систем предотвращения взрыва и пожара всех типов ВМЭО как альтернатива существующему методу, основанному на инициировании ДР внутри оборудования.

Представленные в данной статье результаты получены в рамках договора между Объединённым институтом высоких температур РАН (ОИВТ РАН) и ОАО «ФСК ЕЭС». Авторы выражают признательность академику В. Е. Фортову за постоянную поддержку.

Список литературы

1. Альтернативный метод оценки взрывобезопасности и взрывозащищённости высоковольтного маслонаполненного электрооборудования / Л. А. Дарьян, Ю. А. Дементьев, В. П. Ефремов и др. // Электро. 2009. № 5. С. 43 — 46.

2. Experimental study of a flow of liquid under action of an arc discharge and jet of powder gases/ L.A. Daryan, A.V. Kozlov, S. N. Luzganov et al.// Physics of Extreme states of Matter – 2010 Chemogolovka, 2010. P. 210.