RU2334332C1

RU2334332C1 - Short-circuited trasnformer anti-fire and anti-explosion protection device

Info

Publication number: RU2334332C1
Application number: RU2007114787/09A
Authority: RU
Inventors: Адольф Владимирович Мишуев (RU); Адольф Владимирович Мишуев; В чеслав Васильевич Казеннов (RU); Вячеслав Васильевич Казеннов; Николай Викторович Громов (RU); Николай Викторович Громов
Original assignee: Адольф Владимирович Мишуев; Вячеслав Васильевич Казеннов; Николай Викторович Громов
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-09-20

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: protection device incorporates a protective tank connected to the main tank via a pressure relief line with a gate valve and a membrane-type decoupling element. The protective tank top accommodates a screen with metal balls arranged thereon. The protective tank communicates with atmosphere by a pipe in front of which a collapsible protective film is arranged just above the metal balls. Given a short-circuit condition, the main tank pressure rapidly ups to break down the aforesaid membrane, to reduce pressure and to blow out explosive gases and oil vapors into the protective tank at high temperature of the transformer oil. Nitrogen available in the protective tank eliminates a possibility of fire and explosion of the said gases and vapors. A heat-accumulating layer of metal balls reduces the temperature to 70°C thus preventing fire and explosion of gases passing through the pipe into atmosphere with the membrane broken down. A damping layer arranged along the transformer tank walls prevents high-rate vibrations, pressure increase rate and its magnitude.

EFFECT: higher efficiency.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для предупреждения взрыва и пожара на электрических трансформаторах, охлаждаемых горючей жидкостью.The invention relates to electrical engineering and can be used to prevent explosion and fire on electrical transformers cooled by a combustible liquid.

Электрические трансформаторы при работе выделяют тепло в обмотках и сердечнике и требуют рассеяния производимого тепла. Трансформаторы обычно охлаждаются маслом. Основной причиной разрушения трансформаторов является недопустимо большое повышение давления в масляном баке, вызванное вскипанием трансформаторного масла при коротком замыкании. Образующийся при кипении объем паров масла создает в баке давление, которое приводит к разрушению трансформатора. Короткое замыкание приводит также к воспламенению трансформаторного масла и пожару на силовых трансформаторах.Electric transformers during operation emit heat in the windings and core and require dissipation of the generated heat. Transformers are usually oil cooled. The main reason for the destruction of transformers is an unacceptably large increase in pressure in the oil tank caused by boiling of transformer oil during a short circuit. The volume of oil vapor generated during boiling creates pressure in the tank, which leads to the destruction of the transformer. Short circuit also leads to ignition of transformer oil and fire on power transformers.

Поскольку трансформаторы являются дорогостоящим оборудованием, их защите следует уделять тщательное внимание.Since transformers are expensive equipment, careful attention should be paid to their protection.

Известно устройство защиты электрического трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании, включающего основной бак, заполненный трансформаторным маслом и соединенный посредством трубопровода с клапаном с резервной емкостью с маслом, датчик давления в баке, электрические вводы и трубопровод сброса давления с затвором (см. RU 2215352, 2003). Однако такое устройство защиты трансформатора недостаточно эффективно вследствие своей инерционности, т.к. нарастание давления в баке при коротком замыкании происходит с высокой скоростью за чрезвычайно малое время. Это время не позволяет привести в действие средства, способные предотвратить взрыв.A device is known for protecting an electric transformer from explosion and fire during a short circuit, including a main tank filled with transformer oil and connected via a pipe to a valve with a reserve oil tank, a pressure sensor in the tank, electrical inputs and a pressure relief pipe with a shutter (see RU 2215352 , 2003). However, such a transformer protection device is not effective enough due to its inertia, because the increase in pressure in the tank during a short circuit occurs at high speed in an extremely short time. This time does not allow to actuate means that can prevent an explosion.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство защиты электрического трансформатора для предотвращения взрыва и пожара при коротком замыкании, содержащего основной бак, заполненный трансформаторным маслом и соединенный с защитным баком трубопроводом сброса давления с затвором и разрывным элементом, резервную емкость, сообщающуюся с основным баком посредством трубопровода с клапаном, датчик давления в баке и электрические вводы со средствами их защиты (см. RU 2263989, 2005). Недостатками данного устройства защиты трансформатора являются сложность конструкции и недостаточная эффективность защиты.The closest in technical essence and the achieved result is an electric transformer protection device to prevent explosion and fire during a short circuit, containing a main tank filled with transformer oil and connected to the protective tank by a pressure relief pipe with a shutter and a bursting element, a reserve tank communicating with the main tank by means of a pipeline with a valve, a pressure sensor in the tank and electrical inputs with their means of protection (see RU 2263989, 2005). The disadvantages of this transformer protection device are the complexity of the design and the lack of protection efficiency.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности защиты электрических трансформаторов от взрыва и пожара при коротком замыкании.The objective of the present invention is to increase the efficiency of protection of electric transformers from explosion and fire during short circuit.

Поставленный технический результат достигается в устройстве защиты электрического трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании, содержащего основной бак, заполненный трансформаторным маслом и соединенный с защитным баком посредством трубопровода сброса давления с затвором и разрывным элементом, резервную емкость, сообщающуюся с основным баком трансформатора через трубопровод с клапаном, датчики давления в основном баке и электрические вводы со средствами их защиты. Защитный бак заполнен инертным газом, снабжен датчиком давления скоростного напора и имеет в своей верхней части решетку с расположенным на ней нейтральным по отношению к трансформаторному маслу материалом в виде металлических шаров и разрушаемую пленку, расположенную над металлическими шарами перед входом в трубу, соединяющую защитный бак с атмосферой. Датчик давления скоростного напора размещен в защитном баке на уровне входа в него трубопровода сброса давления, а датчики давления размещены на корпусе основного бака трансформатора и сообщаются с трансформаторным маслом. Решетка расположена выше места соединения защитного бака с трубопроводом сброса давления. Стенки основного бака с внутренней стороны своей поверхности имеют защитный элемент, а промежуток между защитным элементом и стенкой основного бака заполнен инертным газом или пористым эластичным материалом. Средство защиты вводов электрического трансформатора выполнено в виде эластичной пленки, соединенной снаружи со стенкой основного бака, охватывающей нижнюю часть ввода и заполненной внутри инертным газом.The technical result achieved is achieved in a device for protecting an electric transformer from explosion and fire during a short circuit, comprising a main tank filled with transformer oil and connected to the protective tank by means of a pressure relief pipe with a shutter and a bursting element, a reserve tank communicating with the main tank of the transformer through a pipeline with valve, pressure sensors in the main tank and electrical inputs with their means of protection. The protective tank is filled with inert gas, equipped with a pressure sensor for high-pressure head and has in its upper part a grate with material in the form of metal balls located on it that is neutral with respect to transformer oil and a destructible film located above the metal balls before entering the pipe connecting the protective tank with the atmosphere. The pressure sensor of the high-pressure head is placed in the protective tank at the level of the inlet of the pressure-relief pipeline into it, and pressure sensors are placed on the body of the main tank of the transformer and communicate with transformer oil. The grill is located above the junction of the protective tank with the pressure relief pipe. The walls of the main tank on the inner side of its surface have a protective element, and the gap between the protective element and the wall of the main tank is filled with an inert gas or porous elastic material. The protective means of the inputs of the electric transformer are made in the form of an elastic film connected externally to the wall of the main tank, covering the lower part of the input and filled inside with an inert gas.

Защитный элемент стенок основного бака может быть выполнен из плоской или гофрированной жести, а в качестве инертного газа используется азот.The protective element of the walls of the main tank can be made of flat or corrugated sheet metal, and nitrogen is used as an inert gas.

Во втором варианте защитный элемент может представлять собой маслонепроницаемую пленку при заполнении промежутка между защитным элементом и стенкой основного бака пористым эластичным материаломIn the second embodiment, the protective element may be an oil-tight film when filling the gap between the protective element and the wall of the main tank with a porous elastic material

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство защиты электрического трансформатора, на фиг.2 - сечение а-а на фиг.1 (вариант 1), на фиг.3 - сечение а-а на фиг.1 (вариант 2).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the protection device of an electric transformer, figure 2 - section aa in figure 1 (option 1), figure 3 - section aa in figure 1 (option 2 )

Электрический трансформатор включает основной бак 1, заполненный охлаждающим трансформаторным маслом и соединенный с защитным баком 2 посредством трубопровода 3 сброса давления с затвором 4 и разрывным элементом 5, например, разрывной мембраной или пленкой. Защитный бак 2 в своей верхней части имеет решетку 6 с расположенным на ней нейтральным по отношению к охлаждающему трансформаторному маслу материалом в виде металлических шаров 7. Над металлическими шарами 7 перед входом в трубу 8, соединяющую защитный бак 2 с атмосферой, расположена разрушаемая защитная пленка 9. Решетка 6 расположена в защитном баке 2 выше его места соединения с трубопроводом 3 сброса давления. Датчик 10 давления скоростного напора размещен в защитном баке 2 на уровне входа в него трубопровода 3 сброса давления и фиксирует повышение давления при вытекании трансформаторного масла из основного бака 1 в защитный бак 2. На корпусе основного бака 1 размещены датчики 11 давления, сообщающиеся с трансформаторным маслом и фиксирующие повышение давления в основном баке 1 при коротком замыкании. Для присоединения трансформатора к внешним линиям в верхней части основного бака 1 расположены электрические вводы 12. Средство защиты каждого электрического ввода 12 выполнено в виде эластичной пленки 13, соединенной снаружи со стенкой основного бака 1 и охватывающей нижнюю часть ввода 12.The electric transformer includes a main tank 1 filled with cooling transformer oil and connected to the protective tank 2 via a pressure relief pipe 3 with a shutter 4 and a bursting element 5, for example, a bursting disc or film. The protective tank 2 in its upper part has a grating 6 with the material in the form of metal balls 7, which is neutral with respect to the transformer oil cooling on it, above the metal balls 7, before entering the pipe 8 connecting the protective tank 2 to the atmosphere, a destructible protective film 9 is located The grill 6 is located in the protective tank 2 above its connection with the pressure relief pipe 3. The pressure head pressure sensor 10 is located in the protective tank 2 at the level of the inlet of the pressure relief pipe 3 and detects a pressure increase when the transformer oil flows from the main tank 1 into the protective tank 2. On the main tank 1 body, pressure sensors 11 are connected to the transformer oil and fixing the increase in pressure in the main tank 1 during a short circuit. To connect the transformer to external lines, electrical inputs 12 are located in the upper part of the main tank 1. The protective device for each electric input 12 is made in the form of an elastic film 13 connected externally to the wall of the main tank 1 and covering the lower part of the input 12.

Для поддержания в баке 1 постоянного давления трансформаторы оборудуются резервной емкостью 14, сообщающейся с баком 1 посредством трубопровода 15 с клапаном 16. Стенки 17 основного бака 1 с внутренней стороны своей поверхности имеют защитный элемент 18 из плоской или перфорированной жести (вариант 1). Промежуток между защитным элементом 18 и стенкой 17 основного бака 1 представляет собой демпфирующий слой 19, заполненный инертным газом, например азотом. Инертным газом (азотом) заполнены также защитный бак 2 и внутренний объем эластичных пленок 13.To maintain constant pressure in the tank 1, the transformers are equipped with a reserve tank 14, which communicates with the tank 1 through a pipe 15 with a valve 16. The walls 17 of the main tank 1 have a protective element 18 made of flat or perforated sheet metal on the inside of their surface (option 1). The gap between the protective element 18 and the wall 17 of the main tank 1 is a damping layer 19 filled with an inert gas, for example nitrogen. Inert gas (nitrogen) also filled the protective tank 2 and the internal volume of the elastic films 13.

Во втором варианте демпфирующий слой 19 представляет собой пористую эластичную среду типа поролона, изолированную от масла маслонепроницаемой пленкой.In the second embodiment, the damping layer 19 is a porous elastic medium such as foam rubber, isolated from oil by an oil-tight film.

Трубопровод 3 сброса давления имеет диаметр d₁=0,3...0,6 м и в нем располагается дисковый затвор 4, позволяющий при его закрытии создавать вакуум, при котором происходит заполнение бака 1 трансформаторным маслом. Поперечное сечение трубопровода 3 перекрывается разрывным элементом 5 в виде мембраны (пленки), разрушающейся при избыточном давлении 0,35...0,45 атм, возникающем в масляном баке 1 при коротком замыкании, и позволяющей трансформаторному маслу и образовавшимся газам поступить в защитный бак 2.The pressure relief pipe 3 has a diameter d ₁ = 0.3 ... 0.6 m and a disk shutter 4 is located in it, which, when closed, creates a vacuum at which the tank 1 is filled with transformer oil. The cross section of the pipeline 3 is blocked by a bursting element 5 in the form of a membrane (film), which collapses at an overpressure of 0.35 ... 0.45 atm, which occurs in the oil tank 1 during a short circuit and allows transformer oil and the resulting gases to enter the protective tank 2.

При необходимости можно установить два или несколько трубопроводов 3 сброса давления с дисковыми затворами 4 и разрывными элементами 5.If necessary, you can install two or more pipelines 3 pressure relief with disk valves 4 and explosive elements 5.

Защитный бак 2 заполнен азотом для предотвращения взрыва истекающих в него паров масла и взрывоопасных газов, образующихся в результате разложения паров масла при высокой температуре. Высота Н защитного бака 2 выбирается из конструктивных соображений и может быть равной высоте основного бака 1 в случае защиты трансформатора, когда не срабатывает система отключения напряжения после возникновения короткого замыкания. В этом случае объем защитного бака 2 рассчитывается на объем поступающего в него масла и газов за время, равное нескольким секундам.The protective tank 2 is filled with nitrogen to prevent the explosion of oil vapors and explosive gases flowing into it, resulting from the decomposition of oil vapors at high temperature. The height H of the protective tank 2 is selected from design considerations and may be equal to the height of the main tank 1 in the case of transformer protection, when the voltage disconnection system does not work after a short circuit occurs. In this case, the volume of the protective tank 2 is calculated on the volume of oil and gases entering it for a time equal to several seconds.

На решетке 6 защитного бака 2 располагается нейтральный по отношению к трансформаторному маслу материал, например металлические шары 7, снижающие температуру выброшенного масла и газов до безопасного уровня (приблизительно 70°С), что предотвращает взрыв газа и паров масла на выходе их в атмосферу. Высота слоя расположенных на решетке 6 металлических шаров 7 составляет h=0,15...0,25 м.On the grate 6 of the protective tank 2 there is a material neutral with respect to transformer oil, for example metal balls 7, which reduce the temperature of the ejected oil and gases to a safe level (approximately 70 ° C), which prevents the explosion of gas and oil vapors at the outlet to the atmosphere. The height of the layer located on the lattice 6 of metal balls 7 is h = 0.15 ... 0.25 m.

В случае выполнения защитного бака 2 круглого поперечного сечения его диаметр может быть равен d₂=(2,5...3,0)·d₁, где d₁ - диаметр трубопровода 3 сброса давления.In the case of a protective tank 2 of circular cross section, its diameter may be equal to d ₂ = (2.5 ... 3.0) · d ₁ , where d ₁ is the diameter of the pressure relief pipe 3.

Верхняя часть защитного бака 2 заканчивается трубой 8, имеющей диаметр d₃=(0,25...0,3)·d₁ и сообщающейся с атмосферой.The upper part of the protective tank 2 ends with a pipe 8 having a diameter d ₃ = (0.25 ... 0.3) · d ₁ and communicating with the atmosphere.

Разрушаемая защитная пленка 9, отделяющая защитный бак от атмосферы, должна быть рассчитана на значительные изменения ее прогиба, связанные с изменением объема азота при изменении естественной температуры местности, где установлен трансформатор. Прочность защитной пленки 9 должна быть такой, чтобы обеспечить ее разрушение при повышении давления на ΔР=0,03...0,05 атм при срабатывании системы защиты.Destructible protective film 9, which separates the protective tank from the atmosphere, should be designed for significant changes in its deflection associated with a change in the volume of nitrogen with a change in the natural temperature of the area where the transformer is installed. The strength of the protective film 9 should be such as to ensure its destruction with increasing pressure by ΔР = 0.03 ... 0.05 atm when the protection system is triggered.

Датчики 11 давления необходимы для подачи сигнала при определенном избыточном давлении для отключения напряжения на трансформаторе при возникновении короткого замыкания.Pressure sensors 11 are needed to signal at a certain overpressure to turn off the voltage on the transformer when a short circuit occurs.

Датчик 10 давления скоростного напора дублирует датчики 11 давления. От него поступает сигнал на отключение системы электропитания трансформатора после разрыва элемента 5 в виде мембраны.The pressure head pressure sensor 10 duplicates the pressure sensors 11. A signal is sent from it to turn off the power supply system of the transformer after breaking the element 5 in the form of a membrane.

Для защиты электрических вводов 12 при коротком замыкании используется герметично закрепленная на крышке бака 1 и нижней части корпуса ввода 12 эластичная пленка 13, заполненная азотом. В случае разгерметизации и истечения из масляной полости ввода масла, паров и газов не происходит возникновения пожара, т.к. эластичная пленка 13 с азотом обеспечивает гашение пламени.To protect the electrical inputs 12 during a short circuit, an elastic film 13 filled with nitrogen is used which is hermetically fixed on the lid of the tank 1 and the bottom of the input housing 12. In case of depressurization and outflow of oil, vapors and gases from the oil cavity, a fire does not occur, because an elastic film 13 with nitrogen provides extinguishing of the flame.

При коротком замыкании обмоток трансформатора и резком повышении давления в баке 1 наблюдается резкое увеличение давление масла и значительная вибрация стенок бака 1 трансформатора. Для снижения скорости нарастания давления и его величины, а также гашения вибрации стенок трансформатора предлагается вдоль стенок бака создать демпфирующий слой 19 (фиг.2). Демпфирующий слой 19 создается путем установки вдоль стенок бака с его внутренней стороны плоской или гофрированной жести. Полость между жестью и стенкой бака заполняется азотом. Толщина полости равна b=20...30 мм. Во втором варианте (фиг.3) на внутренних стенках бака предлагается размещать демпфирующий слой 19 толщиной е=15...45 мм из пористого эластичного материала. Жесткость материала должна быть такой, чтобы его объем не уменьшался более чем на 20% от воздействия гидростатического давления при нормальной работе трансформатора. Для сохранения способности масла отдавать тепло окружающей среде через стенки основного бака демпфирующий слой размещается на части внутренней поверхности стенок основного бака в зависимости от объема основного бака и силе тока короткого замыкания.With a short circuit of the transformer windings and a sharp increase in pressure in the tank 1, there is a sharp increase in oil pressure and a significant vibration of the walls of the tank 1 of the transformer. To reduce the rate of increase in pressure and its magnitude, as well as damping the vibration of the walls of the transformer, it is proposed to create a damping layer 19 along the walls of the tank (Fig. 2). The damping layer 19 is created by installing a flat or corrugated sheet along the walls of the tank on its inside. The cavity between the sheet and the tank wall is filled with nitrogen. The thickness of the cavity is b = 20 ... 30 mm. In the second embodiment (Fig. 3), it is proposed to place a damping layer 19 with a thickness e = 15 ... 45 mm of porous elastic material on the inner walls of the tank. The rigidity of the material should be such that its volume does not decrease by more than 20% from the effects of hydrostatic pressure during normal operation of the transformer. To maintain the ability of the oil to transfer heat to the environment through the walls of the main tank, a damping layer is placed on a part of the inner surface of the walls of the main tank, depending on the volume of the main tank and the strength of the short circuit current.

Предлагаемое устройство защиты трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании обладает надежной конструкцией и обеспечивает эффективную защиту трансформатора.The proposed device for protecting the transformer from explosion and fire during short circuit has a reliable design and provides effective protection of the transformer.

Claims

1. Устройство защиты электрического трансформатора от взрыва и пожара при коротком замыкании, содержащего основной бак, заполненный трансформаторным маслом и соединенный с защитным баком посредством трубопровода сброса давления с затвором и разрывным элементом, резервную емкость, сообщающуюся с основным баком трансформатора через трубопровод с клапаном, датчики давления в основном баке и электрические вводы со средствами для их защиты, отличающееся тем, что защитный бак заполнен инертным газом, снабжен датчиком давления скоростного напора и имеет в своей верхней части решетку с расположенным на ней нейтральным по отношению к трансформаторному маслу материалом в виде металлических шаров и разрушаемую пленку, расположенную над металлическими шарами перед входом в трубу, соединяющую защитный бак с атмосферой, причем датчик давления скоростного напора размещен в защитном баке на уровне входа в него трубопровода сброса давления, а решетка расположена выше места соединения защитного бака с трубопроводом сброса давления, при этом датчики давления размещены на корпусе основного бака трансформатора и сообщаются с трансформаторным маслом, а стенки бака трансформатора с внутренней стороны своей поверхности имеют защитный элемент, причем промежуток между защитным элементом и стенкой основного бака трансформатора заполнен инертным газом или пористым эластичным материалом, а средство защиты электрического ввода выполнено в виде эластичной пленки, охватывающей нижнюю часть ввода, соединенной снаружи со стенкой основного бака трансформатора и заполненной внутри инертным газом.1. Device for protecting an electric transformer from explosion and fire during a short circuit, containing a main tank filled with transformer oil and connected to the protective tank via a pressure relief pipe with a shutter and a bursting element, a reserve tank communicating with the main tank of the transformer through a pipeline with a valve, sensors pressure in the main tank and electrical inputs with means for their protection, characterized in that the protective tank is filled with inert gas, equipped with a pressure sensor apora and has in its upper part a grate with material in the form of metal balls located on it that is neutral with respect to transformer oil and a destructible film located above metal balls in front of the pipe entrance, connecting the protective tank with the atmosphere, and the pressure head pressure sensor is placed in the protective tank at the inlet level of the pressure relief pipe, and the grill is located above the junction of the protective tank with the pressure relief pipe, while the pressure sensors are located on the housing of the new transformer tank and communicate with transformer oil, and the walls of the transformer tank on the inside of their surface have a protective element, the gap between the protective element and the wall of the transformer main tank is filled with inert gas or porous elastic material, and the protective device for the electrical input is made in the form of an elastic film covering the lower part of the input connected externally to the wall of the main tank of the transformer and filled inside with inert gas.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитный элемент стенок основного бака трансформатора выполнен из плоской или гофрированной жести при заполнении промежутка между защитным элементом и стенкой основного бака инертным газом.2. The device according to claim 1, characterized in that the protective element of the walls of the main tank of the transformer is made of flat or corrugated sheet when filling the gap between the protective element and the wall of the main tank with inert gas.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве инертного газа использован азот.3. The device according to claim 1, characterized in that nitrogen is used as an inert gas.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитный элемент стенок основного бака трансформатора выполнен в виде маслонепроницаемой пленки при заполнении промежутка между защитным элементом и стенкой основного бака пористым эластичным материалом.4. The device according to claim 1, characterized in that the protective element of the walls of the main tank of the transformer is made in the form of an oil-tight film when filling the gap between the protective element and the wall of the main tank with a porous elastic material.