Дарьян Л .А., докт. техн. наук, Козлов А. В.,Поварешкин М.Н., Полищук В.П., канд. физ.-мат.наук, Шурупов А.В., канд.физ.-мат.наук

Рассмотрена методика испытаний высоковольтного маслонаполненного электрооборудования (ВМЭО) на взрывобезопасность. Описан бездуговой источник импульсного давления (БИИД), предназначенный для моделирования воздействия на ВМЭО дугового разряда, возникающего в результате внутреннего короткого замыкания. Разработана методика применения данного источника. На примере испытания измерительных трансформаторов тока и напряжения обобщен опыт применения БИИД. Проведены испытания демпферной системы защиты ВМЭО от взрыва.

Ключевые слова: высоковольтное маслонаполненное электротехническое оборудование; взрывозащищенность; газообразование; внутреннее короткое замыкание; дуговые разряды; бездуговые источники импульсного давления

В настоящее время в электроэнергетике достаточно остро стоит проблема обеспечения взрывобезопасности высоковольтного маслонаполненного электрооборудования (ВМЭО). По условиям эксплуатации, по-видимому, нельзя полностью исключить возможность взрыва ВМЭО, но вполне решаемой является задача значительного уменьшения вероятности взрыва и существенного снижения материального ущерба. В соответствии с принятым определением ВМЭО является взрывобезопасным, если после взрыва фрагменты оборудования находятся внутри нормируемой области безопасности, размер которой рассчитывается как диаметр испытуемого образца, увеличенного на две его высоты, но не менее чем 1,8 м.

Взрывы ВМЭО происходят, как правило, в процессе развития дугового разряда (ДР) при внутреннем коротком замыкании (КЗ). Начальный проводящий канал в трансформаторном масле (ТМ) образуется обычно вследствие постепенной деградации внутренней изоляции при возникновении и развитии в ней частичных разрядов. Дуговой разряд может гореть десятки миллисекунд, пока не сработают защитные устройства. В современном ВМЭО полная энергия Q_a, выделившаяся в ДР, может изменяться в диапазоне от нескольких десятых долей мегаджоуля, например в измерительных трансформаторах, до нескольких десятков мегаджоулей в силовых трансформаторах и высоковольтных вводах.

В ДР происходит интенсивное разложение ТМ с выделением большого объема газообразных продуктов разложения изоляции (ГРПИ), что приводит к значительному росту давления в месте возникновения КЗ и распространению от него волн давления. Все это заканчивается, как правило, взрывным разрушением корпуса ВМЭО. В случае попадания воздуха в парогазовые продукты разложения ТМ, вырвавшихся наружу из разрушенного корпуса ВМЭО, может произойти воспламенение образовавшейся смеси. При этом ущерб от возникшего пожара, как правило, значительно (в несколько раз) превышает стоимость вышедшего из строя оборудования.

Одним из главных препятствий на пути создания взрывобезопасных конструкций ВМЭО является отсутствие эффективных и доступных методов испытаний, позволяющих разрабатывать новые усовершенствованные конструкции ВМЭО.

Применяемая в настоящее время методика испытаний основана на инициировании ДР внутри тестируемого ВМЭО [1]. Поскольку при этом может потребоваться создание ДР с энергией десятков мегаджоулей, то возникает необходимость использования мощных источников энергии на основе ударных генераторов или ударных трансформаторов. Подобные испытания являются весьма дорогостоящими.

Следует отметить, что заключение о взрывобезопасности ВМЭО, полученное в ходе таких испытаний,не всегда является обоснованным. Дело в том, что значение энергии ДР в одном и том же изделии может изменяться в достаточно больших пределах. Величина Q_a зависит от места возникновения КЗ, фазы напряжения, степени деградации ТМ, длительности горения и т.д. Соответственно и реакция корпуса ВМЭО на ударно-волновое воздействие может существенно отличаться. Испытания позволяют провести «выбраковку» неудачных конструкций ВМЭО, при этом нет гарантии, что оборудование, прошедшее сертификацию на взрывобезопасность при однократных испытаниях по принятой методике, не разрушится в условиях реальной аварии.

В [1] рассмотрена принципиальная возможность моделирования динамического воздействия ДР на ВМЭО с помощью химической энергии пороха или других взрывчатых материалов (ВМ). По оценкам альтернативный метод испытаний, может быть в 5-10 раз дешевле стандартного. Важное преимущество нового метода заключается в том, что тестирование может проводиться непосредственно на месте производства или установки ВМЭО.

Альтернативный и стандартный методы испытаний являются эквивалентными при наличии гидравлического подобия течений ТМ, возникающих в ВМЭО под действием ДР и энергии ВМ.

В [2] приведены результаты опытов по воздействию на жидкость, заполнявшую модельный образец ВМЭО, ДР и струи пороховых газов (СПГ). В качестве рабочих жидкостей использовались ТМ марки ГК и вода. Так как динамические характеристики воды и ГК близки, то цель проведения опытов с водой состояла в доказательстве возможности проведения альтернативных испытаний на взрывобезопасность при заполнении корпуса изделия водой. В этом случае значительно снижается стоимость тестирования и выполняются требования пожарной и экологической безопасности.

Эксперименты с ДР проводились в типичных условиях разряда, возникающего при КЗ в промышленном ВМЭО. Ток нарастал до 5-50 кА за время 1-3 мс при общей длительности горения дуги 3-20 мс. Максимальное тепловыделение в дуге достигало 120 кДж. Источником энергии служил емкостной накопитель с максимальным рабочим напряжением 4 кВ. Измерялись электрические характеристики разряда, давление на стенках камеры и в газовой полости, заполненной азотом, при помощи скоростной кино- и видеосъемки фиксировалась динамика развития разряда и движение границы раздела «жидкость-азот».

Для получения струи пороховых газов (СПГ) использовали порох с теплотой сгорания q₀=3,8 кДж/г и удельным газообразованием 0,9 л/г. Расчетное значение энтальпии СПГ определяется из выражения Q_g=q₀m, где m – масса ВМ. Измерялось давление на стенках камеры и в газовой полости, регистрировалась динамика движения границы раздела «жидкость-азот».

В [2] были получены следующие основные результаты:

• течения исследованных жидкостей под действием ДР и СПГ являются подобными при равенстве длительности и энергии воздействия;
• характерное значение давления в расширяющемся парогазовом пузыре, образующемся в ДР, порядка 10 МПа;
• коэффициент газообразования Вд, представляющий собой отношение объема выделившихся газов при разложении ТМ к энергии разряда, равен 110 л/МДж;
• характерное значение напряженности электрического поля Е_а в столбе ДР, горящего в ТМ, составляет порядка 0,2 кВ/см.

Полученные результаты позволили разработать и изготовить бездуговой источник импульсного давления (БИИД), предназначенный для проведения испытаний на взрывобезопасность и определения эффективности работы систем защиты ВМЭО от взрыва. Для решения поставленных задач БИИД должен генерировать СПГ в течение τ =50-100 мс, энтальпия которой на входе в жидкость должна совпадать с энергией ожидаемого ДР.

Можно отметить, что есть определенные трудности при выборе вида ВМ, который бы позволил получить требуемый режим работы БИИД. При использовании ВМ типа тротила получится импульс высокого давления длительностью существенно менее 1 мс. При использовании ВМ типа пороха его сжигание необходимо проводить при высоком давлении, иначе длительность импульса будет слишком велика, а давление в СПГ – мало. Допускается применение многокомпонентных смесевых ВМ, у которых скорость горения и, как следствие, динамика роста давления адекватны динамике дугового разряда.

Конструктивно БИИД состоит из камеры сгорания и соплового аппарата. Величиной и длительностью импульса давления можно управлять, изменяя площадь сечения сопла, массу ВМ т, распределение ВМ по камере сгорания, а также способ инициирования ВМ.

Как уже отмечалось выше, силовое воздействие на корпус ВМЭО определяется энергией ДР, а не его током I. В этом состоит радикальное отличие внутреннего КЗ от внешнего, для которого масштаб повреждения оборудования определяется током. При этом различают максимальный ток термической I_т и электродинамической стойкости I_э. Ток при КЗ, внешнем и внутреннем, определяется, главным образом, характеристиками внешней цепи, т.е. приложенным напряжением и индуктивным сопротивлением.

Энергия ДР при внутреннем КЗ оценивается из соотношения

Q_a IU_aτ,(1)

где I – ток КЗ, U_a – напряжение на ДР, г- время горения ДР, которое обычно составляет 50-100 мс. Во время аварии обычно регистрируется ток КЗ, напряжение измеряется, как правило, на определенном удалении от места возникновения КЗ. Поэтому измеренное напряжение из-за падения напряжения на индуктивном сопротивлении может значительно превышать падение напряжения на ДР. Более точной является оценка величины U_a, исходя из длины дуги L_a и характерной напряженности электрического поля в столбе ДР Е_а,

U_a  L_aE_a, (2)

Обычно аварии в ВМЭО предшествует межвитковый пробой. Возникающий разряд характеризуется сравнительно малым напряжением порядка 10 В. По мере разложения ТМ и расширения проводящей области происходит пробой на корпус ВМЭО, вследствие чего напряжение резко увеличивается и может достигать значений 1-10 кВ. Для длины дуги L_a можно принять наименьшее расстояние от точки наиболее вероятного возникновения КЗ до корпуса.

Как следует из вышеизложенного, погрешность оценки возможной энергии ДР может быть велика. С другой стороны, диапазон возможных значений этой энергии также достаточно широк. На взгляд авторов, характерное значение Q_a должно выбираться таким, чтобы вероятность возникновения ДР с энергией, превышающей эту энергию, была пренебрежимо мала.

Выводы

1. Разработана методика бездуговых испытаний высоковольтного маслонаполненного электрооборудования на взрывобезопасность.

2. Работоспособность новой методики испытаний продемонстрирована на испытаниях серийных измерительных трансформаторов. Показано, что испытанные трансформаторы (ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1, ТТ типа ТФРМ 330 Б-ll У1, ТН типа НКФ-11011 Г) являются взрывобезопасными при возникновении ДР с наиболее вероятной для данных типов трансформаторов энергией.

Литература

1. Дарьян Л .А., Дементьев Ю.А., Ефремов В. П., Полищук В. П., Шурупов А.В. Альтернативный метод оценки взрывобезопасности и взрывозащищенности высоковольтного маслонаполненного электрооборудования // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 5. С.43-46.

2. Daryan L.A., KozlovA.V., LuzganovS.N., Povareshkin M.N., Polistchook V.P., Shurupov A.V., Shurupova N.R Experimental study of a flow of liquid under action of an arc discharge and jet of powder gases// Physics of Extreme States of Matter- 2010. Cher- nogolovka. 2010. P. 210.

3. Дарьян Л.А., Козлов А.В., ПазюкД.А., Поварешкин М.Н., Полищук В.П., Шурупов А.В. Испытание маслонаполненного трансформатора на взрывобезопасность с использованием бездугового источника импульсного давления //Энергетик. 2010. №6. С. 32-34.

4. Манье Ф. Устройство для предотвращения взрыва электрических трансформаторов. Патент RU 2263989.

5. Мишуев А.В., Казенное В.В., Громов Н.В. Устройство защиты электрического трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании. Патент RU 2334332.

 

Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Дарья н Л .А., докт. техн. наук, Козлов А. В.,Поварешкин М.Н., Полищук В.П., канд. физ.-мат.наук, Шурупов А.В., канд.физ.-мат.наук. Бездуговые испытания высоковольтного маслонаполненного электрооборудования на взрывоопасность. Электро, №  5,  2011.– С.23-27.
Материал размещен на www.transform.ru: 24.11.2011 г.