Автор: Ярослав МИРОНЕНКО, эксперт
Технологические меры обеспечения пожарной безопасности трансформаторного оборудования. Часть 1
В предыдущих номерах журнала был представлен обзор активных и пассивных систем обеспечения пожарной безопасности трансформаторного оборудования в соответствии с рекомендациями Международного совета по большим системам высокого напряжения (СИГРЭ). Но, помимо рассмотренных ранее систем, существуют также технологические мероприятия, позволяющие уменьшить вероятность рисков возникновения пожаров в силовом трансформаторе. Капитальные затраты на них, как правило, выше, чем на рассмотренные ранее системы. Однако они приемлемы для крупных подстанций, расположенных рядом с ответственными и опасными промышленными объектами. В данной статье мы рассмотрим организационные технологические мероприятия, а также конструктивные особенности изоляции трансформаторов с точки зрения обеспечения пожарной безопасности. СИГРЭ настоятельно рекомендует, чтобы организация, эксплуатирующая силовые трансформаторы, самостоятельно анализировала возможности возникновения возгораний и меры по уменьшению рисков. Первым и очень важным шагом является сведение к минимуму рисков возгорания. Этот анализ включает целый комплекс мероприятий: от рассмотрения специфики конкретной модели трансформатора до создания регламентов эксплуатации и технического обслуживания, предотвращающих воспламенение. Второй и не менее важный шаг – отказ от устаревших силовых маслонаполненных трансформаторов и замена их на более безопасное оборудование. Начнем с рассмотрения возможностей сведения к минимуму риска возникновения пожаров. Вначале необходимо минимизировать риски отказов, которые могут вызвать пожароопасную ситуацию, в том числе обеспечить электрическую защиту, предназначенную для быстрого устранения неисправностей и защиту трансформатора при внешней или внутренней неисправности, а также не допустить возгорания масла. Некоторые производители трансформаторов уделяют особое внимание требованиям пожарной безопасности. Трансформаторы таких производителей, как правило, отвечают дополнительным требованиям, перечисленным в МЭК 60076, IEEEC 57 или эквивалентным национальным стандартам по допустимой плотности потока и прочности резервуара, выраженной либо в термической способности удерживания электрической дуги, либо способности выдерживать давление газов в баке. Отдельное внимание уделяется другим ключевым элементам аппаратов, таким как медные проводники обмоток, изоляционные материалы, газовое реле и реле перенапряжения, температурные индикаторы, устройства для сброса давления и прочее. Производители проводят соответствующие тесты и испытания, ими выдвигаются строгие требования в отношении допустимых уровней частичных разрядов в изоляции при перенапряжении, пределов повышения температуры во время испытаний с перегрузкой по току. Отдельно нормируются пределы допустимого увеличения количества газов, растворенных в масле. Мониторинг данных характеристик позволяет уменьшить вероятность сбоев в работе и, следовательно, снизить вероятность возникновения пожароопасной ситуации. Наиболее важными областями для мониторинга являются такие характеристики, как: уровень газов, растворенных в масле, качество трансформаторного масла, уровень влажности масла, состояние литой изоляции, состояние изоляции высоковольтных вводов. Именно повреждения высоковольтных вводов часто приводят к возникновению пожара в трансформаторе. Отдельное внимание надо уделить обслуживанию электрооборудования, которое должно производиться в соответствии с рекомендацией производителей и опытом эксплуатирующей организации. Мониторинг и своевременное техническое обслуживание может гарантировать обнаружение и устранение начальных дефектов и предупреждение аварий. Дополнительные риски с точки зрения пожарной безопасности несет эксплуатация оборудования при повышенных нагрузках. Сетевые организации, которые намерены использовать свои трансформаторы под нагрузкой, выходящей за пределы номинальных значений, должны обеспечить их способность выдерживать подобные нагрузки. В идеале трансформаторы, рассчитанные на увеличенную нагрузку, должны быть протестированы заводом-изготовителем. Если этого произведено не было, эксплуатирующая организация в качестве минимальной меры предосторожности должна проверить изоляцию аппарата и убедиться в ее достаточном ресурсе. Если трансформатор находится внутри помещения или в частично или полностью закрытой оболочке, необходимо обеспечить, чтобы поток воздуха был достаточным для его охлаждения, когда он работает с более высокой нагрузкой. Анализ растворенного газа также должен выполняться на образцах масла до начала перегрузки, в течение 24 часов после начала перегрузки и через неделю, если перегрузка превышает 20% от номинального значения или если температура обмоток больше 115°C. Для проверки температуры соединений и бака может использоваться тепловизионное обследование. Надежная резервируемая автоматика вместе с быстродействующим выключателем нагрузки является наиболее важной защитой в ограничении рисков возникновения потенциальных отказов трансформаторов. Быстрая защита минимизирует риск неисправности, в случае отказа ограничивает энергию электрической дуги в корпусе трансформатора. Таким образом снижается риск пробоя изоляции в баке. Надежная защита вместе с быстродействующим автоматическим выключателем может добиться прерывания дуги в течение 50-70 мс для электроэнергетических систем с частотой 50 и 60 Гц. Энергия дуги прямо пропорциональна длительности горения, поэтому минимизация времени горения дуги уменьшает риск пробоя изоляции бака и, соответственно, риск розлива и воспламенения масла. Отдельный комплекс мероприятий направлен на защиту от перенапряжений. Удары молний и напряжения, возникающие при переходных процессах, могут вызывать пробой изоляции и электрическую дугу. Таким образом, ограничители перенапряжений являются важной частью защиты трансформатора в снижении риска возникновения пожара. Все линейные клеммы трансформатора должны быть защищены от перенапряжений. Это особенно важно, если трансформатор подключен непосредственно к воздушным линиям, открытой системе шин. Важно, чтобы ограничители перенапряжений были предусмотрены как на воздушной или кабельной линии, так и на клеммах трансформатора для защиты от более высокого волнового импеданса обмотки трансформатора. Рассмотренные выше мероприятия обеспечат минимальную технологическую защиту трансформатора, входящую в контур пожарной безопасности. Однако наиболее эффективными являются меры по уменьшению количества огнеопасных изоляционных материалов в трансформаторе. Можно практически полностью исключить пожарную опасность, связанную с возгоранием трансформаторного масла, выбрав трансформаторы сухого типа или трансформаторы с газовой изоляцией. Трансформаторы сухого типа с литой изоляцией практически не имеют рисков возникновения пожара. Однако данный тип трансформаторов применяется только в линиях напряжением до 66 кВ. Трансформаторы с использованием инертного газа гексафторид серы (SF6 или элегаз) в качестве охлаждающей и изоляционной среды обладают отличными характеристиками в части пожаро- и взрывобезопасности. Элегазовые трансформаторы широко используются на крупных закрытых городских подстанциях в Японии и других азиатских странах, а также в Австралии. Элегазовая изоляция полностью исключает риск возгорания. Однако SF6 является мощным парниковым газом, и его возможная утечка в атмосферу грозит экологическими проблемами. Стоимость трансформаторов с газовой изоляцией значительно выше, чем маслонаполненных трансформаторов, и по этой причине их редко применяют в Европе и Америке на уровне напряжения 66-220 кВ. В соответствии с внутренними стандартами Японии, если максимальное давление в газоизоляционном трансформаторе в ходе работы превышает 0,2 МПа, то трансформаторный бак должен быть сконструирован специально как сосуд высокого давления. Данные требования также увеличивают стоимость оборудования. Все достоинства элегазовых трансформаторов перечеркиваются их высокой ценой. Поэтому многие производители в Европе и Северной Америке пытаются уменьшить количество горючих изоляционных жидкостей в трансформаторе, заменив их на жидкости с температурой возгорания более 300°C. Такие жидкости получают на основе синтетических или природных эфиров и силикона. Использование такой изоляции не устраняет полностью риск пожара, но может значительно уменьшить опасность возгорания. В настоящее время используются следующие типы жидкой изоляции К- класса в соответствии с положениями СИГРЭ: • Высокомолекулярные углеводородные соединения. • Синтетические эфирные соединения. • Натуральные эфирные соединения. • Силиконовое масло. Сравнение рабочих характеристик изоляционных жидкостей можно найти в таблице 3 стандарта IEC 60076-14. Созданные в конце 1970-х годов высокомолекулярные углеводородные жидкости основаны на нефтяных маслах. Чтобы увеличить температуру возгорания жидкости, масло очищается от наиболее легких фракций. Таким образом, получается продукт с высокой температурой воспламенения (> 300 °C), но имеющим более высокую вязкость. Он также имеет относительно высокую температуру застывания, что делает его менее подходящим для использования в холодных широтах. Такие жидкости, представляющие из себя чистое углеводородное соединение, можно смешивать с трансформаторным маслом для заполнения существующих типов маслонаполненных трансформаторов. Несмотря на очевидные плюсы такого решения в разрезе пожарной безопасности такой подход не получил широкого распространения. Синтетические эфирные соединения были также созданы в конце 1970-х годов. Эти жидкости имеют высокую температуру возгорания в сочетании с низкой температурой застывания (обычно <-55 °C). Синтетические эфиры являются биоразлагаемым веществом, что благоприятно для окружающей среды. На сегодняшний день эти жидкости в основном нашли применение в трансформаторах в распределительных сетях и на специальных производственных объектах, таких как тяговые подстанции, где используется их отличная высокая температурная стабильность. Хотя синтетические сложные эфиры обычно имеют более высокую вязкость, чем обычное трансформаторное минеральное масло, более высокая теплопроводность этих жидкостей приближает их охлаждающие характеристики к характеристикам минеральных масел. Эти жидкости также можно смешивать с минеральным маслом для повышения пожарной безопасности существующих аппаратов. В 1990-х годах, помимо синтетических эфирных соединений, начали использовать растительные жидкости. Однако до сих пор количество примеров трансформаторов с такой изоляцией невелико. Естественные сложные эфиры производятся из масел различных семян, таких как соевые, бобы или рапс. Они обычно нетоксичны и легко разлагаются. Природные эфиры имеют более высокую вязкость, чем минеральное масло. Стоит учитывать, что натуральные сложные эфиры гигроскопичны, очень легко окисляются и поэтому требуют герметичной конструкции резервуаров трансформаторов. Эти жидкости также смешиваются с минеральными маслами для повышения пожарной безопасности трансформаторов. Силиконовое масло также является синтетическим продуктом, полученным в конце 1970-х годов. Оно изготовлено из химически промежуточных продуктов, полученных главным образом из песка и метанола. Эта жидкость имеет высокую температуру воспламенения (> 350°C) и отличную термическую и окислительную стабильность. Силиконовое масло имеет также более высокую вязкость, чем синтетические и натуральные сложные эфиры. Огонь силиконового масла в тестах с открытой чашей меньше, чем у других масел, потому что слой кремнезема (остаток от сгорания) покрывает поверхность жидкости по мере сгорания и не пропускает кислород, пресекая горение. Это отличное свойство, однако, нивелируется при механическом нарушении слоя кремнезема или при стекании жидкости по вертикальной поверхности. Силиконовые жидкости имеют более низкое тепловыделение, чем все типы эфирных масел, при одинаковой скорости распространения пламени. Силикон обладает более высокой охлаждающей способностью, чем сложные эфиры. Низковязкое силиконовое масло в общем имеет лучшие технологические характеристики по сравнению с эфирами, но имеет и ряд недостатков. Во-первых, оно не является биоразлагаемым материалом, а во-вторых, не смешивается с минеральными маслами.
Рис. 1. Тест горения в открытой чаше Технологические меры по повышению безопасности трансформаторного оборудования не исчерпываются представленными в статье, и в следующих номерах журнала будет рассмотрены другие мероприятия. Однако следует помнить, что даже элементарное соблюдение эксплуатационных требований к оборудованию может существенно повысить пожарную безопасность на электроэнергетическом объекте.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru