Применение бездугового источника иимпульсного давления для оценки взрывобезопасности высоковольтного маслонаполненного электрооборудования

Соавторами этого доклада являются Сон Э.Е., зам. директора Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН), д.ф-м.н., член-корр. РАН, Шурупов А.В., директор Шатурского филиала (ОИВТ РАН), к.ф-м.н., Полищук В.П., заведующий лабораторией(ОИВТ РАН), к.ф-м.н.

В докладе рассматривается методика испытаний высоковольтного маслонаполненного электрооборудования (ВМЭО) на взрывобезопасность с помощью бездугового источника импульсного давления (БИИД), предназначенного для моделирования воздействия на ВМЭО дугового разряда (ДР), возникающего в результате внутреннего короткого замыкания (КЗ). Приведены результаты испытаний измерительных трансформаторов с помощью БИИД.

В последнее время вопросам взрывозащищенности и взрывобезопасности высоковольтного маслонаполненного электрооборудования как в России, так и за рубежом уделяется повышенное внимание. Связано это с ростом единичной мощности электротехнического оборудования и, прежде всего, трансформаторного выход которого из строя, приводит к значительному материальному ущербу. Поэтому задача обеспечения взрывобезопасности и взрывозащищенности ВМЭО является одним из приоритетных направлений повышения надежности и безопасности эксплуатации объектов электроэнергетики. В реальных условиях эксплуатации нельзя полностью исключить возможность взрыва ВМЭО, но вполне разрешаемой является задача уменьшения его вероятности и существенного снижения материальных потерь.

Взрывы ВМЭО происходят вследствие возникновения дугового разряда при внутреннем КЗ. Начальный проводящий канал в трансформаторном масле (ТМ) образуется обычно из-за постепенной деградации внутренней изоляции при возникновении и развитии в ней частичных разрядов. Дуговой разряд горит десятки миллисекунд, пока не сработают защитные устройства. В ДР происходит интенсивное разложение ТМ с образованием большого объема газов, что вызывает резкий ударный рост давления, заканчивающийся обычно разрушением ВМЭО. Последствия взрыва усугубляются пожаром, который может вспыхнуть после попадания горячих продуктов разложения ТМ в атмосферу. Объем газов, выделившихся при разложении ТМ в ДР, пропорционален энергии ДР Qa, поэтому масштаб воздействия ДР на ВМЭО определяется, главным образом, этой энергией.

В соответствии с принятыми определениями, ВМЭО является взрывобезопасным, если после взрыва фрагменты оборудования находятся внутри нормируемой области безопасности, размер которой рассчитывается как диаметр испытуемого образца, увеличенный на две его высоты, то не происходит разрушения корпуса высоковольтного оборудования. При этом допускается разрушение внутренних элементов конструкции.

Для разработки ВМЭО нового поколения, имеющего высокий уровень взрывобезопасности, необходим эффективный метод испытаний, позволяющий выявить реакцию ВМЭО на воздействие ДР. Стандартный метод испытания основан на инициировании ДР внутри тестируемого ВМЭО. При этом может потребоваться создание ДР с энергией в десятки мегаджоулей, что можно реализовать только при использовании мощных источников энергии: ударных генераторов или трансформаторов. Подобные испытания являются весьма затратными, поэтому сегодня большой практический интерес представляет разработка альтернативных методов испытаний, в которых силовое воздействие ДР моделируется при помощи бездугового источника импульсного давления (БИИД). В этом источнике тестирующий импульс давления создается струей пороховых газов (СПГ), формирующейся при сгорании взрывчатых материалов. По оценкам, новый метод испытаний значительно дешевле стандартного. Причем чем больше энергия ДР, тем больше разница в стоимости между альтернативным и стандартным методами. Его преимущество заключается в том, что испытание может проводиться непосредственно на месте производства или установки ВМЭО.

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

В результате испытаний удалось сформировать необходимые критерии подобия путем воздействия на жидкость, заполнявшую модельный образец ВМЭО, ДР и СПГ. В качестве рабочих жидкостей использовалось ТМ марки ГК и вода. Динамические характеристики воды и ГК близки, что позволяет проводить альтернативные испытания на взрывобезопасность при заполнении корпуса изделия водой. Это снижает стоимость испытаний и обеспечивает соблюдение требований 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 превышало 120 кДж. Измерялись электрические характеристики разряда, давление на стенках камеры и в газовой полости заполненной азотом. При помощи скоростной кино и видеосъемки фиксировались динамика развития ДР и движение границы раздела «жидкость-азот».

Для получения СПГ использовался порох с теплотой сгорания q₀ = 3,8 кДж/г и удельным газообразованием 0,9 л/г. Расчетное значение энтальпии СПГ Q_g = q₀ • m, где m — масса ВМ. Измерялось давление на стенках камеры и в газовой полости, регистрировалась динамика движения границы раздела «жидкость-азот».

В результате были получены следующие основные выводы:
• 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, представляющий собой отношение объема выделившихся газов при разложении ТМ к энергии разряда, равен 110 л/МДж;
• характерное значение напряженности электрического поля E_a 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 в течение τ = 50—100 мс СПГ, энтальпия которой на входе в жидкость должна совпадать с энергией ожидаемого ДР.

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

Следует отметить, что заключение о взрывобезопасности ВМЭО, полученное в ходе одного испытания, вне зависимости от используемого метода, не является обоснованным. Энергия 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 изоляционных свойств 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, не разрушится в условиях реальной аварии. Достоверность заключения о взрывобезопасности ВМЭО может быть повышена при использовании численных методов расчета реакции ВМЭО на импульсное воздействие ДР. При этом экспериментальные данные, полученные с помощью БИИД в ходе единичного испытания, послужат для «калибровки» теоретических моделей.

Если будет установлено приемлемое согласие между расчетом и экспериментом, то апробированный численный метод может применяться для моделирования воздействия ДР в том диапазоне условий, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации ВМЭО.

Возможности современных численных методов, в принципе, достаточны, чтобы рассчитать в условиях реальной конструкции реакцию ВМЭО на импульсное воздействие. Однако, к настоящему времени есть ряд нерешенных проблем, которые препятствуют созданию полномасштабной численной модели воздействия импульсного давления на ВМЭО. В первую очередь, нет полного комплекта данных о свойствах рабочей среды, которые необходимы для расчета ударно-волнового течения ТМ и продуктов его разложения. Также пока не ясна кинетика разложения ТМ в ДР и т.д. При всех этих трудностях уже в ближайшем будущем можно рассчитывать, что будут созданы достаточно надежные численные модели, описывающие воздействие ДР на реальные конструкции ВМЭО.

Как уже отмечалось, 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.

Энергия ДР при внутреннем КЗ оценивается из соотношения:

где U_а — напряжение на ДР, τ — время горения ДР, которое составляет 50—100 мс.

Во время аварии обычно регистрируется ток КЗ, напряжение измеряется, как правило, на большом удалении от места возникновения КЗ. Поэтому измеренное напряжение из-за его падения на индуктивном сопротивлении может значительно превышать падение напряжения на ДР. Более точной является оценка величины U_а из длины дуги L_a и характерной напряженности электрического поля в столбе ДР:

При обычном сценарии развития аварии в ВМЭО дуговой разряд возникает с межвиткового пробоя. Возникающий ДР характеризуется сравнительно малым напряжением — 10 В. По мере разложения ТМ и расширения проводящей области происходит пробой на корпус ВМЭО, вследствие чего напряжение резко увеличивается и может достигать 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. При этом диапазон возможных значений этой энергии также достаточно широк. Характерное значение Q_a следует выбирать так, чтобы вероятность возникновения ДР с энергией, превышающей Q_a была пренебрежимо мала.

С помощью БИИД были проведены испытания серийных измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) производства ОАО РЭЗТ «Энергия» и ОАО «Запорожский завод высоковольтной аппаратуры». Конструкции испытанных трансформаторов значительно отличались. В ТТ производства ОАО РЭЗТ «Энергия» бак с обмотками располагается в нижней части, на которую устанавливается фарфоровый изолятор с компенсатором давления в виде сильфона, обеспечивающим компенсацию температурных изменений объема масла и защиту внутренней изоляции трансформатора от увлажнения. В трансформаторах производства ОАО «Запорожский завод высоковольтной аппаратуры» наоборот, не предусмотрено верхнее расположение бака с обмотками. При этом защитный сильфон устанавливается на бак.

Все испытуемые трансформаторы заполнялись маслом марки ГК. БИИД устанавливался так, чтобы воздействие СПГ приходилось на место наиболее вероятного возникновения ДР. Во время испытаний проводилась скоростная видеосъемка испытуемых трансформаторов с двух взаимно перпендикулярных направлений с временным разрешением не менее 3,3 мс.

Датчиками давления (ДД) измерялось давление внутри трансформатора. Один ДД был расположен на расстоянии 0,2 м от места установки БИИД, два других — на противоположной стенки трансформатора на расстоянии от 0,5 до 1 м от места установки БИИД. Время отклика ДД не превышало 0,05 мс.

Энергия ДР оценивалась с учетом конструкции трансформатора на основании данных заводов-изготовителей о реальных авариях. Расчетная энтальпия СПГ Q_g превышала ожидаемую энергию дуги Q_a на величину тепловых и гидравлических потерь в источнике, которые по оценкам и измерениям составляют 30—40%.

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА ТИПА ТБМО 110 УХЛ-1

Для этого трансформатора примерно через 0,1 мс после запуска БИИД давление в СПГ на входе в жидкость достигло 20 МПа. Из показаний ДД следует, что длительность силового воздействия, когда в корпусе трансформатора существовало избыточное давление 0,5 МПа, составила примерно 60 мс. С помощью скоростной видеосъемки было установлено, что основная деформация корпуса произошла за первые 20—25 мс после срабатывания БИИД, когда избыточное давление внутри ТТ составляло около 1 МПа.

На фото 1 приведен ТН после испытаний. Под действием импульсного давления корпус трансформатора претерпел значительные пластические деформации, при этом его объем увеличился на 8,5 л или 12%. Деформация корпуса не повлекла за собой разрушение ТТ и протечку ТМ. Таким образом, ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1 выдержал испытания и был сертифицирован как взрывобезопасный при возникновении ДР с энергией примерно 0,4 МДж.

ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НКФ-110 II Г

Для этого ТН производства ОАО «Запорожский завод высоковольтной аппаратуры» ожидаемая энергия дуги должна составлять около 1 МДж. Длительность воздействия импульса давления составила 60—70 мс. В течение этого времени внутри корпуса удерживалось избыточное давление на уровне 0,5 МПа. Через 10—15 мс после запуска БИИД стал подниматься фланец защитной мембраны, который затем оторвался. Сильфон пришел в движение примерно через 15 мс после запуска БИИД. Полностью он раскрылся примерно через 20 мс. Максимальное давление внутри бака достигало 4,5 МПа, темп роста давления был около 1 МПа/мс. Защитная мембрана порвалась, и струя ТМ поднялась вверх примерно на 10 м. В основном, масло упало внутри нормированной зоны безопасности.

На фото 2 приведен ТН после испытаний. За исключением сильфона и верхнего защитного кожуха, видимых нарушений целостности металлоконструкции и опорного изолятора трансформатора не обнаружено. Таким образом испытанный трансформатор ТН типа НКФ-110 II Г является взрывобезопасным при энергии ДР до 1 МДж.

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА ТИПА ТФРМ 330 Б-II

Этот ТТ также изготовлен ОАО «Запорожский завод высоковольтной аппаратуры». Эффективная энергия тестирующего импульса была около 1 МДж при времени выделения энергии — около 50 мс. При помощи камер слежения было установлено, что ТТ вместе с основанием оторвался от земли примерно на 0,15 м.

После эксперимента была обнаружена значительная пластическая деформация корпуса. Максимальная деформация корпуса трансформатора достигала 30 мм, прогиб краев верхнего фланца корпуса — 20 мм, вздутие верхней крышки трансформатора — 40 мм. Произошла разгерметизация корпуса по фланцевому соединению с сильфоном, так что скорость утечки ТМ составила примерно 3 л/мин. Также была значительно повреждена изоляция обмотки трансформатора. При всех этих повреждениях модифицированный ТТ типа ТФРМ 330 Б-II У1 может быть признан взрывобезопасным при энергии ДР вплоть до 1 МДж. На фото 3 приведен вид трансформатора после.

Разработанный метод испытаний на взрывобезопасность с помощью БИИД возможно применять и для более мощного ВМЭО, в котором ожидаемая энергия ДР может достигать 10 МДж и более. При этом целесообразно использовать многокамерный генератор СПГ с последовательным включением камер. Такая конструкция БИИД позволит точнее передать воздействие на корпус ВМЭО волн давления, генерируемых переменным током ДР.

Помимо оценки взрывобезопасности ВМЭО бездуговой источник импульсного давления может использоваться для проверки эффективности работы систем защиты силовых трансформаторов от взрыва.

В существующих системах защиты в том или ином виде используются разрывные мембраны, через которые в случае возникновения ДР и повышения давления в баке ВМЭО производится сброс ТМ, что должно предотвратить рост давления выше критического уровня, при котором происходит взрывное разрушение изделия.

Выполненные эксперименты по взрывобезопасности измерительных трансформаторов позволили косвенным образом оценить эффективность срабатывания системы защиты в виде разрывных мембран. С очевидными оговорками сильфон может рассматриваться как макет разрывной диафрагмы.

При испытаниях ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1 сильфон пришел в движение примерно через 10 мс после начала деформации корпуса. Максимальная скорость раскрытия сильфона была около 5 м/с. К моменту завершения деформации корпуса сильфон практически не раскрылся. Испытания показали, что деформация ТТ произошла столь быстро, что подобная система защиты просто не успела бы сбросить возросшее давление внутри ТТ. Тестируемый трансформатор уцелел вследствие значительной пластической деформации корпуса, а не благодаря наличию сильфона.

При испытаниях ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1 расстояние от места установки сильфона до области воздействия СПГ составляло около 1,5 м. При испытаниях ТТ типа ТФРМ 330 Б-II У1 и ТН типа НКФ-110 II Г расстояние от места воздействия СПГ до сильфона было менее 0,5 м. Вероятно поэтому несмотря на более высокую энергию воздействия степень пластической деформации этих трансформаторов оказалась несколько меньше, чем трансформатора ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1. Таким образом, рассмотренный метод защиты может быть эффективен, если мембрана находится в непосредственной близости от места возникновения КЗ.

В заключение можно отметить, что бездуговой источник импульсного давления может быть также применен для определения взрывобезопасности высоковольтного электротехнического оборудования с эльгазовой изоляцией.

Испытания, проведенные с помощью БИИД, показали что измерительные трансформаторы ТТ типа ТБМО 110 УХЛ-1, ТТ типа ТФРМ 330 Б-II У1, ТН типа НКФ-110 II Г являются взрывобезопасными в случае возникновении ДР с наиболее вероятной для этих трансформаторов энергией и бездуговой источник импульсного давления может использоваться для проверки эффективности работы систем защита ВМЭО от взрыва.

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