Технологические меры обеспечения пожарной безопасности трансформаторного оборудования. Часть 3

В прошлом номере читатель ознакомился с основными конструкционными особенностями обеспечения пожарной безопасности трансформаторного оборудования, в основном касающихся проектирования резервуаров для аппаратов. В данной статье основное внимание будет уделено другим элементам и подсистемам.

Противопожарная защита трансформатора, как уже отмечалось, в первую очередь конструируется и выбирается с учетом наиболее опасной аварийной ситуации – разрыва бака. Соответственно, помимо мероприятий, направленных на обеспечение конструктивной прочности резервуара, можно предусмотреть устройства и системы, снижающие давление в нем. Для снижения давления при его аварийном повышении из-за внутреннего пробоя изоляции в резервуарах трансформатора, резервуарах устройства РПН и маслонаполненных кабелях используются разнообразные методы. 

Некоторые из этих методов являются очень простыми, но их эффективность ограничена и, как правило, не обеспечивает достаточный сброс давления даже для относительно слабых дуговых замыканий. Другие методы являются более сложными, однако обеспечивают более быструю и надежную защиту.

Наиболее простым и часто применяемым устройством для аварийного сброса давления в трансформаторе является «выхлопная труба» – разгрузочное устройство мембранного типа, по сути, труба, имеющая форму «гусиная шея». Диаметр такой трубы предназначен для обеспечения нормативного сброса давления. Преимущество этого решения – низкая стоимость. Недостатками являются постоянный напор масла в трубе, одноразовость мембраны, возможная удаленность от места возникновения дуги.

Для обеспечения эффективного аварийного сброса давления при дуговых разрядах потребуется несколько устройств сброса давления большого диаметра, расположенных в нескольких точках на конструкционно усиленном резервуаре (который сможет выдержать рост давления до начала работы таких устройств). В теории достаточное количество подобных устройств вместе с усилением резервуара может обеспечить сброс давления при относительно высокой энергии дуги. 

В то же время большинство проектировщиков трансформаторного оборудования и представителей эксплуатирующих организаций не осознают, насколько большими должны быть «выхлопные трубы» и насколько прочными трансформаторные баки при возникновении высокоэнергичной дуги. Практика эксплуатации показывает, что использование данных устройств является неэффективным при резком возрастании давления в баке – резервуар разрывается гораздо быстрее, чем устройство сбросит давление. Причина – недостаточный размер отверстий и низкая прочность самого бака.

Более эффективными являются предохранительные клапаны сброса давления (PRV). Устройства этого типа состоят из пружинного клапана с хорошим уплотнением, устанавливаемого непосредственно на баке трансформатора. Клапан открывается при заданном перепаде давления. Преимущество по сравнению с разгрузочными устройствами типа «выхлопная труба» заключается в том, что клапан герметизируется, когда перепад давления снизится до 50-60% от заданного уровня открытия клапана. 

Данные устройства могут быть оснащены контактами для сигнализации на отключение при аварийной ситуации, а также трубопроводами для направления сброшенного масла и газов в специальную безопасную зону. Как правило, рекомендуется устанавливать один клапан на трансформатор с баком до 40 000 л и два клапана для больших резервуаров. На некоторые крупные трансформаторы устанавливают до 4 клапанов.

Недостатком по сравнению с мембранными устройствами является большее время открытия. Преимущество, как уже отмечалось, состоит в возможности использовать его много раз – клапан будет повторно герметизирован после того, как защита устранит неисправность. Также размещение данного клапана является конструктивно более удобным, часто его устанавливают у основных конвекционных потоков. В трансформаторах с газовой подушкой клапан устанавливается выше уровня масла для выхода, в первую очередь, газовых продуктов. Эффективность клапанов несколько выше мембранных устройств, но случаи разгерметизации бака также достаточно частые.

Дополнительно используются запорные клапаны между расширительным и основным баком трансформатора. Такой клапан позволяет маслу течь в обоих направлениях со скоростью потока, которая возникает при тепловом расширении и сжатии масла в пределах нормальной работы трансформатора. При возникновении аварийной ситуации данный клапан должен предотвратить выливание масла в основной резервуар и тем самым уменьшить объем пролива. 

В случае разгерметизации в верхней части бака это может стать существенным фактором снижения пожарной опасности. В то же время эксперты СИГРЭ скептически оценивают возможность тонкой настройки данного клапана, которая с одной стороны обеспечит достаточную скорость потока при нормальном движении масла, а с другой позволит быстро и эффективно прекратить вытекание масла из расширительного бака при аварии.

Более эффективным инструментом для сброса давления являются разрывные диски, встроенные непосредственно в корпус трансформатора. Данное устройство быстрее реагирует на возникновение перепада давления. Размер разрывных дисков варьируется в зависимости от конструктивных параметров бака, но обычно каждый разрывный диск имеет диаметр менее 30 см, поскольку трудно адаптировать большие диски к стандартной конструкции резервуаров. Количество таких дисков ограничивается только особенностями конструкции бака и бюджетом заказчика. В Рекомендациях Международного совета по большим системам высокого напряжения (СИГРЭ) представлена информация, что для достижения 30-процентного снижения пикового давления дуги в резервуаре потребуется установка 8 разрывных дисков.

Таблица по снижению давления дуги при установках разрывных дисков

Наиболее эффективными являются комбинированные схемы сброса давления, применяемые на больших трансформаторах. Такие системы, как правило, включают один или несколько разрывных дисков в основном резервуаре, отдельные разрывные диски для сброса давления в РПН и в каждом кабельном вводе, отсечной клапан расширительного бачка, трубопровод и резервуар для сбора/удержания/отделения отработанного масла и взрывоопасных газов, а также оборудование для впрыска азота в основной резервуар во избежание детонации. Закачка азота в резервуар перемешивает масло и тушит пожар при возможном разрыве резервуара.

NFPA (850 и 851) классифицирует такие системы как «пассивные механические, предназначенные для сброса давления в трансформаторе в течение нескольких миллисекунд после появления электрической неисправности». Автоматика включения таких систем также различается. Как правило, команду запуска для аварийного сброса давления дают датчики перепада давления или газовое реле Бухгольца. Однако возможно использование сигналов от дифференциальной защиты трансформатора. В этом случае снижается риск неоправданного сброса давления при аварийной ситуации, которая может быть отработана релейной защитой, но повышаются риски разрыва бака вследствие задержки сброса давления.

Помимо обеспечения конструктивной прочности аппарата при аварийной ситуации производители также уменьшают пожаропасность оборудования за счет выбора компонентов и материалов. Так наибольшее количество возгораний в трансформаторах вызывает пробой пропитанной маслом бумажной изоляции втулки. Считается, что изоляционная втулка с полимерной пропиткой имеет наименьший риск возгорания по сравнению с любыми другими. Использование высоковольтных втулок с полимерной пропиткой являются наиболее экономически эффективным методом снижения риска возгорания трансформатора. 

Низковольтные маслонаполненные фарфоровые втулки также пожароопасны. При разрыве втулки этого типа существует высокий риск серьезного разлива масла, которое будет выливаться из расширительного бачка и верхней части резервуара. Если авария, как это часто бывает, происходит во время образования электрической дуги, возникает высокий риск воспламенения масла с последующим серьезным пожаром. Для вводов на низкой стороне рекомендуется выбирать втулки штекерного типа.

Неисправность кабельного наконечника и разрывы ввода являются второй по значимости причиной возгорания трансформатора. Самая простая и наиболее эффективная мера снижения риска возникновения такой аварийной ситуации – это отказ от кабельных вводов и переход на ошиновку трансформатора. Неисправность кабельного наконечника в этом случае не повлияет на трансформатор. В качестве альтернативы можно использовать литые втулки со штекерными разъемами. 

При необходимости использования кабельных вводов нужны дополнительные меры защиты, в том числе, установка клапанов сброса давления на вводе и размещения вентиляционных отверстий для заполненных воздухом коробов, соединения маслонаполненных элементов с элегазовыми устройствами через специальную промежуточную камеру.

Еще одной причиной возникновения пожаров на трансформаторах (около 10% по данным СИГРЭ ) является аварии на РПН (устройство регулирования напряжения под нагрузкой) и ПБВ (устройство переключения без возбуждения). В данном случае наиболее эффективными мероприятиями по обеспечению пожарной безопасности будут:

• проверка устройств по мощности трансформатора с учетом кратковременных аварийных перегрузок по току и напряжению; проверка квалификации персонала, обслуживающего оборудование;
• своевременная диагностика устройств и их онлайн-мониторинг (вибродиагностика, контроль основных параметров работы, тепловизионная диагностика) для предиктивного выявления неисправностей;
• периодический запуск устройств по всему диапазону регулирования;
• регулярное техническое обслуживание, очистка контактных соединений.

Перечисленные мероприятия обозначают основные направления конструирования силовых электрических трансформаторов с точки зрения пожарной безопасности. За последнее время с одной стороны наблюдается снижение количества пожаров на подстанциях, а с другой возрастает степень износа основного оборудования в сетевом комплексе. Трансформаторы, созданные в середине ХХ века, на сегодняшний день обеспечены только минимальной конструкционной защитой на случай пожара. 

Не исключено, что в ближайшие годы электроэнергетическая отрасль столкнется с вопросом обеспечения пожарной безопасности трансформаторного оборудования на принципиально новом уровне, что потребует создания других, уже более сложных и эффективных систем.