Sistemes d'alleujament de pressió del transformador i de detecció de fallades

​​​​​​​

1. Introducció

En els transformadors-immersos en oli, els canvis de pressió interna són una part normal del funcionament. A mesura que l'oli del transformador s'escalfa i es refreda durant els cicles de càrrega, l'espai de gas segellat dins del dipòsit s'expandeix i es contrau, provocant fluctuacions graduals de pressió dins del recinte del transformador. En condicions normals de funcionament, aquests canvis de pressió es produeixen lentament i estan associats principalment a la variació de la temperatura ambient i la càrrega del transformador.

Tanmateix, les fallades elèctriques internes creen un comportament de pressió completament diferent. Esdeveniments com ara fallades de bobinatge o arc intern poden descompondre ràpidament el petroli aïllant en gas, produint una ona de pressió sobtada dins del dipòsit. Com que aquests augments de pressió-generats per errors es produeixen en mil·lisegons, els transformadors requereixen no només dispositius d'alleujament de pressió, sinó també sistemes dedicats de detecció d'errors capaços d'identificar un comportament anormal de pressió abans que es produeixi una fallada catastròfica del tanc.

Per aquest motiu, els sistemes moderns de protecció de transformadors es divideixen generalment en dues grans categories:

• Sistemes d'alleujament de pressió
• Sistemes de detecció d'avaries

Aquesta filosofia de protecció en capes es reflecteix àmpliament en els estàndards IEEE C57 i les pràctiques de disseny de transformadors IEC 60076.

2. Alleujament de pressió vs detecció de fallades

Encara que els termes "alleujament de pressió" i "detecció de fallades" de vegades s'utilitzen indistintament a la indústria del transformador, compleixen funcions fonamentalment diferents.

Un dispositiu d'alleujament de pressió del transformador està dissenyat per alliberar físicament una pressió excessiva del tanc per evitar la deformació mecànica o la ruptura del dipòsit del transformador. Aquests dispositius responen principalment a la magnitud de la pressió i formen la base dels sistemes de protecció de pressió del transformador.

Els dispositius de detecció d'avaries, en canvi, controlen la velocitat o les característiques del canvi de pressió associades a les avaries elèctriques internes. En lloc d'alliberar pressió, generen senyals d'alarma o d'encesa per aïllar el transformador del sistema d'alimentació.

Aquesta distinció és cada cop més important a mesura que augmenten la mida del transformador i el nivell d'energia de falla.

Taula 1 - Diferència entre l'alleujament de la pressió i la detecció de fallades

3. Dispositius d'alleujament de pressió del transformador

3.1 Vàlvula d'alleujament de pressió (PRV)​​​​​​​

Transformador monofàsic muntat en pols

Transformador muntat en pal PRV

PRV

Transformador trifàsic muntat en coixinet

Transformador trifàsic muntat en coixinet PRV

Transformador muntat en coixinet monofàsic​​​​​​ PRV

 

 

La vàlvula d'alliberament de pressió està dissenyada per protegir el dipòsit del transformador contra una pressió excessiva a l'interior. Una vegada que la pressió del dipòsit arriba a la pressió d'alliberament, la vàlvula s'obrirà automàticament per alliberar el gas fins que la pressió cau a la pressió segura. A més, sempre que sigui necessari, els usuaris poden accionar manualment la vàlvula d'alleujament de pressió en aplicacions de transformador estirant l'anell de funcionament per reduir la pressió interna.

Sota la pràctica IEEE, la pressió de trencament típica per a un disseny de transformador PRV és d'aproximadament 10 PSIG ± 2 PSIG, mentre que les aplicacions CSA sovint utilitzen configuracions de pressió més baixes. Després d'alleugerir la pressió, la vàlvula d'alleujament de pressió dels sistemes de transformació es torna a tancar automàticament per mantenir la integritat del dipòsit del transformador.

A causa de la seva construcció senzilla i el seu funcionament fiable, PRV s'utilitza àmpliament en:

• Transformadors-muntats a pal
• Transformadors-muntats
• Transformadors de distribució-immersos en oli
• Subestacions petites unitats

En comparació amb els sistemes PRD de transformadors més grans, els PRV són generalment preferits per als transformadors de kVA més baixos on l'augment de pressió és relativament moderat i previsible. En moltes aplicacions de transformadors de distribució, la vàlvula PRV dels tancs del transformador segueix sent la forma més comuna de protecció bàsica de pressió mecànica.

3.2 Dispositiu d'alleujament de pressió (PRD)

Transformador trifàsic muntat en coixinet PRD

PRD

Transformador gsu de 133 MVA PRD

PRD

Els dispositius d'alleujament de pressió (PRD) tenen essencialment el mateix propòsit que les vàlvules d'alleujament de pressió (PRV): protegeixen el dipòsit del transformador d'una pressió interna excessiva. A la pràctica, però, els PRD s'associen més habitualment amb potències més grans. Normalment no veieu cap PRD instal·lat en transformadors per sota d'uns 1.500 kVA, tot i que no hi ha res de dolent tècnicament en utilitzar-ne un en unitats més petites si l'aplicació ho requereix.

La majoria dels PRD es munten a la part superior del dipòsit del transformador, on el gas intern o l'acumulació de pressió es pot alliberar ràpidament durant una condició de falla.

La terminologia pot ser confusa perquè el "dispositiu d'alleujament de pressió" s'utilitza sovint com a terme general de la indústria tant per a PRV com per a PRD. En la majoria dels casos, els PRV s'utilitzen en transformadors de distribució més petits, mentre que els PRD són més comuns en unitats més grans o aplicacions que requereixen una resposta de pressió més ràpida i una indicació de fallada.

Un dispositiu d'alleujament de pressió d'un transformador realitza la mateixa funció fonamental que un PRV - per alleujar una pressió interna excessiva -, però normalment està dissenyat amb una capacitat de flux més alta, un temps de resposta ràpid, un rendiment de resegellat fiable i funcions d'alarma o monitorització opcionals. Els dissenys avançats de PRD proporcionen una pressió d'obertura precisa, un temps de funcionament curt, un rendiment exterior fiable a llarg termini- i un segellat eficaç contra la humitat, la pols i l'entrada d'aire, ajudant a mantenir la pressió positiva del tanc i millorar la fiabilitat operativa del transformador.

Un dels principals avantatges dels PRD-cobertes és la capacitat de supervisió. Molts conjunts de dispositius d'alleujament de pressió del transformador inclouen:

• Semàfors visuals o indicadors de funcionament
• Contactes d'alarma a distància
• Sortides de monitorització compatibles-SCADA

Això fa que els PRD siguin especialment adequats per a subestacions de serveis públics i sistemes d'alimentació industrial on es requereix un control remot.

Els PRD s'apliquen habitualment en:

• Transformadors de subestació d'unitat
• Transformadors de mitja potència
• Transformadors de gran potència
• Transformadors de subestació de serveis públics

Per a aplicacions de serveis públics més grans, els enginyers solen seleccionar una disposició del transformador del dispositiu d'alleujament de pressió en lloc d'una PRV més petita a causa de l'energia de falla interna i el volum d'oli més elevats.

3.3 Disc de ruptura

Els discos de ruptura s'utilitzen normalment com a dispositius d'alleujament de pressió d'emergència finals en aplicacions de transformadors d'alta-energia.

A diferència dels PRV o dels PRD estàndard, els discs de ruptura són dispositius no-reiniciables dissenyats per esclatar a l'instant quan la pressió interna arriba a un límit crític. El seu objectiu principal és proporcionar una ventilació ràpida-de l'àrea completa durant esdeveniments catastròfics d'error intern.

Com que els discs de ruptura s'han de substituir després de l'operació, normalment es reserven per a:

• Transformadors de gran potència
• Transformadors de forn
• Transformadors de tracció
• Sistemes industrials d'alt{0}}nivell d'error

En la pràctica de l'enginyeria, els discs de ruptura representen el nivell més alt de protecció contra la pressió mecànica.

4. Dispositius de detecció d'avaries del transformador

4.1 Detector de fallades internes (IFD)

Transformador monofàsic muntat en pols IFD

IFD

Els detectors de fallades internes (IFD) s'utilitzen àmpliament en transformadors muntats en pals-muntats-com a un dispositiu de seguretat de camp senzill però molt eficaç.

Un IFD detecta un augment sobtat de pressió interna causat per falles d'arc dins del dipòsit del transformador. Quan s'activa, apareix un indicador visual de colors brillants que permet als serveis públics identificar immediatament que el transformador ha experimentat una fallada interna i que no s'ha de tornar a-energitzar.

Un dels principals avantatges dels sistemes IFD moderns és que molts dissenys integren un PRV estàndard IEEE o CSA en conjunts de transformadors en el mateix dispositiu, combinant:

• Alleujament de pressió
• Indicació d'avaria

en una única estructura compacta.

Els IFD s'utilitzen habitualment en:

• Transformadors de-pols-monofàsics
• Transformadors de-pols-trifàsics
• Transformadors-muntats
• Petits transformadors de subestació

En comparació amb els sistemes SPR, els IFD són més senzills, més econòmics i especialment adequats per a aplicacions de nivell{0}}distribució.

4.2 Relé de pressió sobtada (SPR / RPR)

Relés de pressió sobtada (SPR), també coneguts com a relés de pressió ràpida (RPR) o sistemes de relés d'augment ràpid de pressió, són dispositius de detecció d'errors d'alta-velocitat que s'utilitzen principalment en transformadors de potència més grans.

A diferència dels IFD, que proporcionen principalment una indicació visual d'errors, els sistemes de relés de pressió sobtada s'integren en els circuits de protecció del transformador i proporcionen funcions d'alarma i de disparament.

Els dispositius SPR controlen la velocitat d'augment de pressió dins del dipòsit del transformador i responen molt ràpidament als esdeveniments d'arc intern que poden no activar immediatament els relés de protecció elèctrica convencionals.

Aquests sistemes s'utilitzen habitualment en:

• Transformadors de mitja potència
• Transformadors de gran potència
• Transformadors rectificadors
• Transformadors de forn
• Transformadors de tracció

En comparació amb els IFD, els sistemes de protecció de relés d'augment ràpid de pressió proporcionen una integració elèctrica més ràpida i són més adequats per a aplicacions industrials i de serveis crítics.

4.3 Relleu de Buchholz

Transformador de potència 100MVA 132-22kV Relé Buchholz

Transformador de potència 20(22)MVA 33-11kV Relé Buchholz

Transformador de potència 20MVA 33-6,65KV Relé Buchholz

El relé Buchholz és un dispositiu de detecció d'avaries que funciona amb gas- i oli-flux-que s'utilitza en transformadors de tipus conservador-.

A diferència dels sistemes SPR i IFD, que responen principalment als canvis de pressió, els relés Buchholz detecten fallades internes mitjançant:

• Acumulació de gasos
• Moviment d'onada d'oli

El relé funciona normalment en dues etapes:

• Alarma per avaries incipients
• Disparació per avaries internes greus

Els relés Buchholz s'utilitzen àmpliament en:

• Subestacions d'unitat de tipus conservador-
• Transformadors de mitja potència
• Transformadors de gran potència

A causa de la seva capacitat per detectar falles d'aïllament que es desenvolupen lentament, els relés Buchholz segueixen sent un dels dispositius de detecció d'errors més importants en transformadors grans-omples d'oli.

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Jerarquia de protecció en la pràctica de l'enginyeria

En aplicacions de transformadors reals, aquests dispositius no s'utilitzen per igual a totes les classes de transformadors. En canvi, els sistemes de protecció es tornen progressivament més avançats a mesura que augmenten la mida del transformador i l'energia de falla.

Taula 2 – Aplicació típica del dispositiu de protecció per classe de transformador

Aquesta configuració en capes reflecteix el principi d'enginyeria que la protecció del transformador evoluciona des de l'alleujament de la pressió mecànica bàsica cap als sistemes integrats de protecció de fallades mecàniques i elèctriques.

6. Conclusió

El disseny modern de seguretat del transformador es basa en la coordinació dels sistemes d'alleujament de pressió i de detecció de fallades en lloc de dependre d'un únic dispositiu.

Els PRV i els PRD proporcionen un alleujament de pressió mecànic controlat durant condicions de funcionament normals i anormals. Els discs de ruptura proporcionen la màxima protecció d'emergència durant avaries catastròfiques. Els IFD i els sistemes de relés de pressió sobtada detecten un augment sobtat de pressió causat per fallades elèctriques internes, mentre que els relés Buchholz controlen la generació de gas i el moviment del petroli associats al desenvolupament de fallades d'aïllament.

En conjunt, aquests dispositius formen una arquitectura de protecció de transformadors multi-capes que millora la fiabilitat operativa, la seguretat del personal i la capacitat d'aïllament d'errors en els sistemes d'alimentació, industrials i de distribució.