TRANSFORMER PROTECTOR TRANSFORMER PROTECTOR Решение по предотвращению взрывов трансформаторов SERGI Holding, 186 av. du Général De Gaulle, 78260 Achères, France web: www.sergi-france.com, Office: (33) 1 39 22 48 67 , Fax: (33) 1 39 22 11 11 Sergi Holding – Hanoi Electricity Conference – 5th December 2007 1/32 ВЗРЫВЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Опасно : Большое количество трансформаторного масла находиться в контакте с высоковольтными элементами низкоимпедансное КЗ взрыв и пожар трансформатора ЦЕЛЬ : Предотвращение подобного взрыва TRANSFORMER PROTECTOR Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 2/51 ВЗРЫВЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Цифровое моделирование Эксперимент MTH модель (Магнито-термо-гидродинамическая) Внедрение распространения волны давления Эффект сжимаемости (ударная волна) Двухфазные потоки теплопро водность Эффект дуги Тяготение Вязкость Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 Проведено 62 испытания: 28 испытаний в EDF (2002) (Electricité de France) 34 испытания в лаборатории CEPEL (2004) (Centro de Pesquisas de Energia Eletrica) 3/51 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕЗЕНТАЦИИ 1. Описание системы TRANSFORMER PROTECTOR (TP) • Принцип • Описание компонентов TP • Срабатывание 2. Экспериментальные исследования • Конфигурация испытаний • Анализ испытаний 3. Математическое моделирование • Физическая модель • Достоверность модели • Цифр. симуляция на больших трансф-х (400 & 750 МВА) 4. Заключение Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 4/51 TRANSFORMER PROTECTOR Описание системы TRANSFORMER PROTECTOR Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 5/51 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Нарушение диэлектр. свойств масла Электрическая дуга Испарение масла Локальное увеличение давления Распространение волны давления Взаимодействие Волна давления / Структура Разрыв бака Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 6/51 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Нарушение диэлектр. свойств масла Электрическая дуга Испарение масла Локальное увеличение давления Распространение волны давления Взаимодействие Волна давления / Структура Декомпрессия бака Разрыв бака предотвращен Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 TRANSFORMER PROTECTOR 7/51 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Принцип : При возникновении КЗ, TP срабатывает в течении милисекунд под воздействием динамического пика ударной волны давления, что предотвращает взрыв трансформатора при увеличении статического давления. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 8/51 ПРЕЗЕНТАЦИЯ THE TRANSFORMER PROTECTOR : Компоненты системы TP: 7 2 6 1 3 5 4 4. 1. Модуль сброса давления 2. Модуль сброса давления РПН 5. 6. Бак отделения масла и газов 3. 7. Труба подачи азота Шкаф Удаление взрывчатых газов Отсечной клапан расширителя Для создания эвакуационного прохода прежде чем динамическое давление перейдет в статическую фазу Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 9/51 THE TRANSFORMER PROTECTOR : СРАБАТЫВАНИЕ TRANSFORMER PROTECTOR MTP-A 1/ Динамическая волна давления расспространается со скоростью звука в масляной среде 2/ Открытие диска, депрессюризация, удаление газомаслянной смеси 3/ Открытие воздушного отсечного клапана 4/ Подача азота 5/ Генерация газов прекращается после 45 мин. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 N2 10/51 TRANSFORMER PROTECTOR Экспериментальные исследования Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 11/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЗАЧЕМ ? 1. Для демонстрации эффекта что инерция срабатывания TP гораздо ниже чем время требуемое для взрыва трансформатора; 2. Для подтверждения градиентов давления внутри баков крупных трансформаторов; 3. Для измерения импедансном КЗ; объема газов образованных при низко- 4. Для демонстрации эффективности срабатывания TP на больших трансформаторах; 5. Для сбора данных позволяющих подтвердить обоснованность средства Моделирования. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 12/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ Конфигурация испытаний Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 13/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ 34 натурных испытания Трансфор. Т1 Трансфор. T3 Трансфор. T2 Модуль сброса давления • В лаборатории CEPEL (Бразилия) • Трансформаторы 3-х размеров : • Макс.дистанция между местом дуги и TP: – T1: 8.5 м – T2: 6.0 м – T3: 6.2 м БОМГ Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 14/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ 34 натурных испытания • В лаборатории CEPEL (Бразилия) • Трансформаторы 3-х размеров : Макс.дистанция между местом дуги и TP: – T1: 8.5 м – T2: 6.0 м – T3: 6.2 м • 3 расположения дуги : A – B – C Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 15/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ 34 натурных испытания • В лаборатории CEPEL (Бразилия) • Трансформаторы 3-х размеров : Макс.дистанция между местом дуги и TP: – T1: 8.5 м – T2: 6.0 м – T3: 6.2 м • 3 расположения дуги : A – B – C • Уровни токов : 5 – 15 кA • Длительность : 83 мс • Энергия дуги : до 2.5 мДж Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 16/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ВИДЕОЗАПИСЬ ИСПЫТАНИЙ Видеозапись срабатывания ТР Испытание : 30 Порядк.номер: 30_T1C_140_83_ATM Дуга: 14000 A, период 83 мс Расположение: напротив TP близко к днищу (поз. C) Вес трансфор.: 72 тонн Скорость камеры: 25 кадр/сек Испытание : 28 Порядк.номер: 28_T1A_140_83_ATM Дуга: 14800 A, период 83 мс Расположение: около крышки, на линии TP (поз. A) Вес трансфор.: 72 тонн Скорость камеры: 25 кадр/сек Ускорение: 400 g Ускорение: 400 g Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 17/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Анализ Испытаний Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 18/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Электрическая дуга создает резкий физический феномен с ускорением до 800g, где g=9.81 м/сек² т.е. 30 ft/sec². • Пузырьки газа появляются в русле дуги (1 до 2.3 м3 т.е. 35 до 80 ft3). • Газ находиться под давлением (от 100 бар/сек до 5,000 бар/сек т.е. 14,500 рsi/sec до 72,500 psi/sec) • Пик динамического давления возрастает до 14 бар (200 psi). • Видеозапись (Испытания в EDF): Испытание: 3 Номер: 2002 Значение тока: 2500 A Длительность: 79 ms Скорость камеры: 3000 frames/second Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 19/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Geração de Gás Xгаза Energia do Arco Образование / Энергия 5,0 3 Объем (м ) Volume deгаза Gás (m3) 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 V - объем газа (м3) 1,5 E - энергия дуги (Дж) 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Энергия (мДж) Energia дуги do Arco (MJ) Дальнейшее испарение масла затрудняется, т.к. дуга в большой части окружена газами логарифмическая экстраполяция Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 20/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ ИСПАРЕНИЕ МАСЛА ВОЗНИКАЕТ НА ПЕРВОЙ МИЛИСЕКУНДЕ И СТАБИЛИЗИРУЕТСЯ КОГДА ДУГА ОКРУЖЕНА ГАЗАМИ Дуга Фронт испарения Потери энергии ДУГА теплообмен дуга Трансформаторное масло Пик давления теплообмен масло газ Прямой контакт Дуга / Масло Не прямой контакт Дуга / Масло Быстрый процесс испарения Медленный процесс испарения Как только дуга окружается пузырьками, энергия дуги идет на нагрев газов, идет расщепление пузырьков на меньшие молекулы и конвертирует газ в плазму. Меньше и меньше энергии передается маслу для испарения. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 21/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Видео газового пузыря после разрыва бака Следующее видеозапись показывает газовый пузырь созданный при КЗ в баке трансформатора. Трансформатор не был оборудован системой TRANSFORMER PROTECTOR, вследствие КЗ произошел разрыв бака и выброс газа. Кромка газового пузыря вступает в контакт с воздухом и идет возгорание. Газовый пузырь распространается по цеху на 2 этажа вверх где есть приток воздуха и находяться двери. Дверь выносит на 100 м, т.к. энергия взрыва очень велика. Диаметер пузыря примерно 4.9 ft (1.5 м). Соответствует объему 62.4 ft3 (1.8 м3) газа. По кривой Энергия/Объем объем соответствует энергии дуги 0.8 мДж. И это малое КЗ. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 22/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Видео газового пузыря после разрыва бака •Температура огненного шара примерно 2700o F (1500o C ). Газовый пузырь уничтожил все станционное оборудование. •Традиционные защиты не сработали: •Пожарная дверь, предназначенная для задержки огня в бункере, закрылась после выхлопа газа. •Оборудование пожарной защиты, включая водяную систему тушения не сработало. •Двое операторов которые находились в цехе пострадали при аварии. •Станция мощностью 1,350 МВт была в ремонте в течении 4 месяцев. Поврежденный блок 450 МВт был выведен из эксплуатации более 13 месяцев. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 23/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : +10.5 бар (150 psi) 125 кДж ПИК ДАВЛЕНИЯ +13 бар (190 psi) +9 бар (130 psi) 1 мДж +13 бар (190 psi) 2.5 мДж +3 бар (40 psi) 1 мДж Предел прочности статич.давления = +1.2 бар (18 psi) • Нет ясной взаимосвязи между максимумом давления и энергией • Бак выдерживает пик динамического давления до 14 бар Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 24/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ВОЛНЫ ДАВЛЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЕ Пик при КЗ B Место образов.дуги: C Экспериментальные кривые A Датчики давления Давление (бар) C: рядом с дугой B: у крышки C A: рядом с ТР Образние дуги Пики при отражении волн от стенок Длительность Time (s) (сек) Подпитка дуги • В баке давление распространяется при конечной скорости. • Ключевой параметр это размеры трансформатора. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 25/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТР Перепады давления при сработке ТР Испытание: 32 Ток КЗ: 14,000 A Длительность: 83 мс Место образов.: у крышки на линии ТР (A) При атмосферном давлении Градиент давления 56,550 psi/s 3,900 бар/с Пиковое давление 109 psi (7.5 бар) Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 26/51 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТР Во время всех 62 испытаний (28 в EDF, 34 в Cepel), TP всегда предотвращал взрыв на трансформаторе Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 27/51 TRANSFORMER PROTECTOR Математическое моделирование Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 28/51 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ : Распростр.волны давления Поведение масла и газов Модель 2-фазных потоков с эффектами сжимаемости EM, теплообмена, вязкости, гравитации Испытания на трансф. в 2002 и 2004 гг. Большие токи КЗ ЦЕЛИ Комплексная геометрия Цифровое средство метод конечного объема на неструктур.сетке Подтверждение цифрового средства Экстраполяция на трансф. >100МВа Подтверждение TP Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 29/51 Математическое моделирование Физическое моделирование Физическое моделирование Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 30/51 Математическое моделирование u . t g div g u t 1 l div 1 l u t u div u u P t E div E P u t Уравнение состояния : Физическое моделирование Моделирование гидравлического эффекта 0 Моделирование влияния гравитации 0 0 g.u div .u E g div P 1e P Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 31/51 Моделирование переноса энергии Моделирование влияния вязкости Математическое моделирование Подтверждение правильности Подтверждение правильности процесса распространения давления Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 32/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности Моделирование распространения волны давления: Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 33/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности Подтверждение правильности измерений путем сравнения с испытаниями, проведенными в лаборатории CEPEL Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 34/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности Сравнение с графиками давления, полученными при проведении испытаний в лаборатории CEPEL Тест 23 Тест 31 Эксперименты Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 Моделирование 35/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности Тест 31 Эксперименты Моделирование Начальные условия: при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м3 газа 3 фазы: • После возникновения дуги резко ворастает давление; • Давление падает, благодаря срабатыванию TP; • Колебания давления вследствие сложной волновой динамики. Давление внутри бака = возвращается к исходному значению (благодаря TP) Характер количественных показателей является аналогичным Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 36/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности Тест 31 Эскперименты Моделирование Начальные условия: при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м3 газа • • Амплитуда пика давления: разница менее 15% Градиенты давления: эксп. : от 100 до 5000 бар/с , мод. : от 1300 до 2100 бар/с • Скорость волны давления : одинаковая • Время сброса давления: тест 31 : 73 мс / 59 мс Количественные результаты хорошо согласуются Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 37/51 Математическое моделирование Подтверждение правильности D Test 31 Эскперименты с TP Моделирование без TP Начальные условия: при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м3 газа • Давление достигает большего значения статического давления, которое превышает предел допустимого статического давления • Давление остается на этом уровне в течение длительного времени. Если бак не оборудован TP, то он взрывается. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 38/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах На трансформаторе мощностью 750 МВа Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 39/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Моделирование работы TP при 750 MВа (карта давления) : (10.1 м x 5.2 м, дуга: 3 MДж, TP диам. 0,3 м) t = 0 мс t= 18 мс t = 42 мс t = 60 мс Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 t = 102 мс 40/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Моделирование работы TP при 750 MВа (карта скоростей) : (10.1 м x 5.2 м, дуга: 3 MДж, TP диам. 0,3 м) t = 0 мс t= 18 мс t = 42 мс t = 60 мс Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 t = 102 мс 41/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Анализ • Изучение карт давлений и скоростей поясняет процесс сброса давления; • TP активируется в течение 14 миллисекунд; • Сброс давления миллисекунд; трансформатора происходит за 60 • Пик давления воздействует на корпус трансформатора, а также на вводы, вследствие влияния геометрической формы на величину давления. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 42/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах На трансформаторе мощностью 400 МВа Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 43/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Моделирование работы TP при 400 MВА: (7.8м x 4м, дуга: 11 MДж, TP диам 0,25 м) P (бар) Местоположение TP TP сбрасывает давление в баке в течение 150 мс. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 44/51 v (м/с) Математическое моделирование на крупных трансформаторах Начало работы TP P (bar) • TP активируется через 4 мс после возникновения дуги • Спустя 120 мс давление внутри бака возвращается в норму • Бак не взрывается, поскольку TP срабатывает раньше достижения порога разрушения, обусловленного инерционностью бака. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 45/51 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Моделирование работы TP при 400 MВА без ТР: (7.8 м x 4 м, дуга: 11 MДж) P (бар) • Максимальное значение давление около 15 бар возле муфты • Статическое давление стабилизируется на уровне примерно 8 бар спустя 500 мс трансформатор взрывается. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 46/51 v (м/с) Математическое моделирование на крупных трансформаторах Сравнение распределения давления после 120 мс при наличии и при отсутствии TP P (bar) без TP с TP • С TP, первый динамический пик давления ударной волны активировал TP в течение нескольких миллисекунд, до возрастания статического давления. Трансформатор невредим. • Без TP, максимальное давление 15 бар, а статическое давление возрастает примерно до 8 бар Бак взрывается. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 47/51 TRANSFORMER PROTECTOR Выдерживание статического давления баком: • Небольшое короткое замыкание 0,5 MДж приводит к образованию 1 м3 взрывоопасного газа, что приводит к возрастанию давления внутри трансформатора до 6 бар, если бак не взрывается. • Обычно толщина стенок бака составляет 4 мм. • Для того, чтобы выдержать 6 бар, толщина стенок бака должна составлять не менее 14 мм. Усиление конструкции бака нецелесообразно Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 48/51 TRANSFORMER PROTECTOR Выводы Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 49/51 Выводы Устройство Transformer protector предназначено для предотвращения взрыва трансформаторов Эксперименты Средства моделирования • проведено 62 теста (28 в лаб. EDF, 34 в лаб. Cepel) • Сжимаемый 2-х фазный поток при 3-х мерном моделировании • Исследованы физические явления • Правильность результатов моделирования подтверждена экспериментальными данными • Всякий раз TP предотвращал взрыв трансформаторов. • Подтверждена эффективность TP для крупных трансформаторов. TP активируется в течение нескольких миллисекунд под воздействием первого динамического пика давления, предотвращая взрыв трансформатора. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 50/51 TRANSFORMER PROTECTOR SERGI HOLDING Адрес: 186, Avenue du Général de Gaulle – P.O. Box 90 78260 Achères, Франция : (33) 1 39 22 48 67 @ : sales@sergi-france.com : (33) 1 39 22 11 11 web site : www.sergi-france.com Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 51/51