Введение
В мире ежегодно происходит десятки, если не сотни
аварий на объектах электроэнергетики, вызванные взрывами высоковольтного
маслонаполненного электрооборудования (ВМЭО). С вероятностью 10-20% после взрыва
происходит самовоспламенение парогазовой смеси, состоящей из продуктов разложения
трансформаторного масла (ТМ) и воздуха. В этом случае совокупный ущерб от
взрыва и последующего пожара может исчисляться десятками миллионов долларов
США. Поэтому обеспечение взрывобезопасности ВМЭО является серьезной проблемой,
стоящей перед электроэнергетикой. Если не будут выработаны и реализованы
надлежащие организационные и технические решения, то со временем эта проблема
будет только обостряться. Во-первых, имеется общая тенденция увеличения установленной
мощности единицы оборудования, во-вторых, далеко не всегда удается обеспечить
надлежащий темп его обновления.
ВМЭО взрывается вследствие резкого повышения
давления внутри его корпуса после возникновения дугового разряда (ДР), которому предшествует внутреннее короткое замыкание
(КЗ). В процессе эксплуатации ВМЭО происходит постепенная деградация изоляции
под действием частичных разрядов, нагрева, кавитации и других неблагоприятных
факторов, что и вызывает возникновение КЗ [1]. Начальная мощность разряда после
КЗ может быть сравнительно невелика, однако, при этом резко снижается удельное
сопротивление ТМ. В конце концов это приводит к пробою на корпус ВМЭО и
возникает ДР, мощность которого может составлять
десятки и даже сотни мегаватт. В дуговом разряде происходит интенсивное
газообразование вследствие разложения ТМ. Поскольку ТМ практически
несжимаемо, то образование газа даже в небольшом объеме вызывает значительное
увеличение давления внутри ВМЭО, и, как следствие, его взрывное разрушение. Степень
повреждения ВМЭО при взрыве определяется, главным образом, величиной энергии Qa, выделившейся
в дуговом разряде.
Необходимость повышения взрывобезопасности и взрывозащищённости ВМЭО отражена в проекте «Основные
положения (Концепция) технической политики в электроэнергетике России на период
до 2030 года» и в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС». По условиям
эксплуатации ВМЭО нельзя, по-видимому, полностью исключить возможность
возникновения ДР, но за счет совершенствования
конструкции ВМЭО и систем защиты можно добиться существенного снижения
вероятности аварии и уменьшения масштаба ущерба.
Снижение ущерба от взрыва ВМЭО может осуществляться
несколькими путями, в том числе:
- совершенствованием методов диагностики степени
деградации изоляционных свойств ТМ по результатам анализа растворенных в нем
газов и нарастания интенсивности частичных разрядов;
- уменьшением времени срабатывания защитных
устройств;
- использованием более взрывобезопасных изоляционных
жидкостей вместо минерального трансформаторного масла;
- созданием более взрывобезопасных конструкций
ВМЭО.
Для решения последней задачи необходим эффективный
метод испытания оборудования на воздействие импульса высокого давления. Такой
же метод необходим и для тестирования существующих и разрабатываемых систем
защиты ВМЭО от взрыва. В основу стандартной методики испытаний ВМЭО на
взрывобезопасность заложен метод инициирования электрической дуги во
внутреннем объеме ВМЭО. Требования к этому методу были описаны в проекте стандарта
МЭК 61869, «Измерительные трансформаторы» (редакция 2007 г.).
Однако, как отмечалось в работе [2], за последние
годы в России и в других странах бывшего СССР отраслевые испытательные стенды и
лаборатории по разным причинам фактически утратили возможность проведения
испытаний ВМЭО на взрывобезопасность и взрывозащищённость
по рекомендуемой стандартной методике. Восстановление и модернизация этих
стендов, требующая замены значительной части оборудования, связана с
существенными финансовыми затратами.
В работе [2] обсуждалась возможность разработки
альтернативного метода испытаний ВМЭО на взрывобезопасность, в котором импульс
высокого давления внутри оборудования создается за счет химической энергии
взрывчатых материалов (ВМ). В этом случае можно отказаться от дорогостоящих
испытательных установок и проводить испытания непосредственно на месте
изготовления или установки ВМЭО. Как показывают оценки, испытания по
альтернативной методике обойдутся значительно дешевле испытаний по стандартной
методике, причем, чем больше установленная мощность ВМЭО, тем более выгодным
окажется применение альтернативного метода.
В Шатурском филиале Объединенного института высоких
температур РАН по заданию ОАО «ФСК ЕЭС» был создан бездуговой
источник импульсного давления (БИИД), предназначенный для проведения испытаний
на взрывобезопасность ВМЭО. В этом источнике требуемый импульс давления
создается расширяющейся струей пороховых газов (СПГ). Реализованные к
настоящему времени конструкции БИДЦ позволяют проводить испытания на
взрывобезопасность ВМЭО с энергией воздействия до 5 МДж.
В данной работе приведены результаты исследований
дугового разряда в трансформаторном масле, на основании которых был разработан
БИИД. Описан накопившийся опыт использования этого источника для проведения
испытаний на взрывобезопасность серийных образцов измерительных трансформаторов
класса напряжений 110 и 330 кВ. Представлены результаты испытаний с помощью
БИИД макетов известных систем защиты ВМЭО от взрыва.
Дуговой
разряд в трансформаторном масле
Опыт эксплуатации ВМЭО показывает, что при
внутреннем КЗ время нарастания тока составляет 3-10 мс; продолжительность горения
ДР определяется, главным образом, эффективностью
срабатывания защитных устройств. Типичное время горения ДР - 50-100 мс. За это
время ток разряда успевает два-три раза поменять полярность. Использовавшаяся в
наших опытах электрическая схема позволяла моделировать две полуволны тока
разной полярности, но, в основном, эксперименты проводились с одной
полуволной. В ВМЭО средняя мощность ДР максимальна в
течение первого полупериода, в дальнейшем из-за снижения удельного
сопротивления ТМ напряжение на разряде и его мощность уменьшаются.
Импульс давления, создаваемый при испытаниях на
взрывобезопасность, должен быть подобен тому, что возникает при дуговом разряде,
вызывающем взрыв ВМЭО. Нами были выполнены экспериментальные исследования ДР в трансформаторном масле и других изоляционных жидкостях.
Основные результаты этих экспериментов представлены в работах [3-5].
Эксперименты проводились в условиях, весьма близких
к тем, что возникают в разряде после короткого замыкания в ВМЭО. Максимальный
ток дуги достигал 10-30 кА за время 1 -3 мс. Общая продолжительность горения ДР была 3-20 мс. Максимальное тепловыделение в дуге Qa достигало 0,1 МДж. Источником энергии служил
емкостной накопитель (ЕНЭ) с максимальным напряжением 5 кВ. В наших
экспериментах ДР зажигался между двумя параллельными
электродами диаметром около 20 мм, расстояние между которыми изменялось от 17
до 30 мм. Электроды располагались в камере с внутренним диаметром 310 мм и
объемом 61 л. Объем испытуемой жидкости составлял 35 л. Оставшийся объем (26 л)
заполнялся азотом при атмосферном давлении. Электроды находились вблизи оси
камеры. Расстояние от места возникновения разряда до границы раздела
«жидкость-газ» составляло 100 мм.
Выводы
1. Приведены результаты исследования течения
трансформаторного масла и воды под действием дугового разряда и струи пороховых
газов. Показано, что характеристики ДР в воде и в ТМ
качественно и количественно близки. Установлено, что при одинаковой энергии
СПГ имеет место такое же подобие реакция воды и ТМ на внешнее воздействие.
Показано, что течения исследованных жидкостей под действием дугового разряда и
струи пороховых газов являются подобными при одинаковых значениях длительности
и энергии воздействия.
2. Разработан бездуговой
источник импульсного давления, позволяющий проводить испытания ВМЭО на
взрывобезопасность и взрывозащищенность при энергии
воздействия до 5 МДж.
3. Разработана методика испытания ВМЭО с
использованием бездугового источника импульсного
давления. При этом значительно снижается стоимость этих испытаний. 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.
4. Описан опыт испытаний на взрывобезопасность
серийных измерительных трансформаторов класса напряжений 110 и 330 кВ.
5. Экспериментально показано, что метод защиты ВМЭО,
заключающийся в покрытии внутренней стенки пористым материалом, который может
сжиматься под действием высокого давления расширяющегося парогазового пузыря,
- неэффективен.
6. Испытания макетов защиты ВМЭО в виде «разрушаемой
мембраны» показали, что они не предохраняют его корпус от разрушения.
Представленные в данной статье результаты получены,
в основном, в рамках договоров между Объединенным институтом высоких температур
РАН и ОАО «ФСК ЕЭС». Авторы выражают искреннюю признательность академику В.Е.
Фортову за интерес к работе и постоянную поддержку.
Литература
1. Дарьян Л.А, В.Г.
Аракелян. Стойкость изоляционных жидкостей к газообразованию //
Электротехника.-1997,- № 2,- С. 45-49.
2. 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. 2009. № 5.
с.43-46.
3.
Daryan L.A., Kozlov A.V., Luzganov S.N., Povareshkin M.N., Polistchook V.P., Shurupov A.V., Shurupova N.P 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. Chernogolovka. 2010. P. 112.
4.
L.A. Daryan, A.V. Kozlov,
A.V. Kotov, M.N. Povareshkin,
V.R Polistchook, A.V. Shurupov,
N.P. Shurupova, Pulse arc discharge in mineral and
organic oils// Proceedings of Int. Conf. on Physics of Extreme States of
Matter-2012. 1-6 March, Russia, Elbrus.
Institute of Problems of Chemical Physics. Chernogolovka.
2012. P. 168.
5. Дарьян Л.А., Козлов
А.В., Лузганов C.H., Поварешкин М.Н., Полищук В.П., Шурупов А.В., Шурупова Н.П. Импульсный дуговой разряд в минеральном и
органическом масле // Труды конференции Физика низкотемпературной плазмы -
2011. Петрозаводск. 2011. Издательство ПГУ. Том 1. с. 106 -111.
6. Физические величины. Справочник по ред. И.С.
Григорьева и Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат.
1991. 1260 с.
7. Дарьян Л.А., Козлов
А.В., Поварешкин М.Н., Полищук В.П., Сон Э.Е., Фортов
В.Е., Шурупов А.В. Бездуговой метод испытания
высоковольтного маслонаполненного оборудования на взрывобезопасность //
Известия РАН. Энергетика. 2011. №5. с. 74.
8. Дарьян Л.А., Козлов
А.В., Поварешкин М.Н., Полищук В.П., Шурупов А.В. Бездуговые испытания высоковольтного маслонаполненного
электрооборудования на взрывобезопасность //ЭЛЕКТРО. 2011. №5. с. 23.
|
|
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник: © Дарьян Л.А., Полищук В.П., Шурупов А.В.Испытания высоковольтного маслонаполненного электрооборудования на взрывобезопасность бездуговым методом. ЭнергоInfo, № 9, 2012.– С.54-60.
Материал размещен на www.transform.ru: 20.11.2012 г.
|
|
|