Transformatordrukontlastings- en foutdetectiesystemen

​​​​​​​

 

1. Inleiding

 

Bij olie--ondergedompelde transformatoren zijn interne drukveranderingen een normaal onderdeel van de werking. Terwijl transformatorolie tijdens laadcycli opwarmt en afkoelt, zet de afgesloten gasruimte in de tank uit en krimpt deze in, waardoor geleidelijke drukschommelingen in de transformatorbehuizing ontstaan. Onder normale bedrijfsomstandigheden treden deze drukveranderingen langzaam op en houden ze voornamelijk verband met variaties in de omgevingstemperatuur en belasting van de transformator.

Interne elektrische storingen zorgen echter voor een heel ander drukgedrag. Gebeurtenissen zoals wikkelstoringen of interne vonkoverslag kunnen isolerende olie snel in gas ontbinden, waardoor een plotselinge drukgolf in de tank ontstaat. Omdat deze door fouten-gegenereerde drukstijgingen binnen milliseconden plaatsvinden, hebben transformatoren niet alleen drukontlastingsapparatuur nodig, maar ook speciale foutdetectiesystemen die abnormaal drukgedrag kunnen identificeren voordat catastrofale tankstoringen optreden.

Om deze reden zijn moderne transformatorbeveiligingssystemen over het algemeen onderverdeeld in twee hoofdcategorieën:

• Drukontlastingssystemen
• Foutdetectiesystemen

Deze gelaagde beschermingsfilosofie wordt breed weerspiegeld in de IEEE C57-normen en de IEC 60076-ontwerppraktijken voor transformatoren.

 

2. Drukontlasting versus foutdetectie

 

Hoewel de termen "drukontlasting" en "foutdetectie" soms door elkaar worden gebruikt in de transformatorindustrie, dienen ze fundamenteel verschillende functies.

Een transformatordrukontlastingsapparaat is ontworpen om overmatige tankdruk fysiek te laten ontsnappen om mechanische vervorming of breuk van de transformatortank te voorkomen. Deze apparaten reageren primair op de drukgrootte en vormen de basis van transformatordrukbeveiligingssystemen.

Foutdetectieapparaten bewaken daarentegen de snelheid of kenmerken van drukveranderingen die verband houden met interne elektrische fouten. In plaats van de druk af te laten, genereren ze alarm- of uitschakelsignalen om de transformator te isoleren van het voedingssysteem.

Dit onderscheid wordt steeds belangrijker naarmate de omvang van de transformator en het foutenergieniveau toenemen.

 

Tabel 1 – Verschil tussen drukontlasting en foutdetectie

3. Transformatordrukontlastingsapparaten

 

3.1 Overdrukventiel (PRV)​​​​​​​

De drukontlastklep is ontworpen om de transformatortank te beschermen tegen overmatige druk binnenin. Zodra de druk in de tank de vrijgavedruk bereikt, gaat de klep automatisch open om het gas vrij te geven totdat de druk daalt tot de veilige druk. Bovendien mogen gebruikers, wanneer nodig, de overdrukklep in transformatortoepassingen handmatig bedienen door aan de bedieningsring te trekken om de interne druk te verminderen.

Volgens de IEEE-praktijk bedraagt ​​de typische kraakdruk voor een PRV-transformatorontwerp ongeveer 10 PSIG ±2 PSIG, terwijl CSA-toepassingen vaak lagere drukinstellingen gebruiken. Nadat de druk is ontlast, sluit de overdrukklep in transformatorsystemen automatisch opnieuw om de integriteit van de transformatortank te behouden.

 

Vanwege de eenvoudige constructie en betrouwbare werking wordt PRV veel gebruikt in:

• Op palen-gemonteerde transformatoren
• Pad-gemonteerde transformatoren
• In olie-ondergedompelde distributietransformatoren
• Onderstations voor kleine eenheden

 

Vergeleken met PRD-systemen met grotere transformatoren, hebben PRV's over het algemeen de voorkeur voor transformatoren met een lagere kVA, waarbij de drukstijging relatief gematigd en voorspelbaar is. In veel distributietransformatortoepassingen blijft de PRV-klep in transformatortanks de meest voorkomende vorm van mechanische basisdrukbeveiliging.

3.2 Drukontlastingsapparaat (PRD)

Overdrukventielen (PRD's) hebben in wezen hetzelfde doel als overdrukventielen (PRV's): ze beschermen de transformatortank tegen overmatige interne druk. In de praktijk worden PRD's echter vaker geassocieerd met grotere vermogens. Normaal gesproken zie je geen PRD geïnstalleerd op transformatoren onder de 1.500 kVA, hoewel er technisch niets mis is met het gebruik ervan op kleinere eenheden als de toepassing dit vereist.

De meeste PRD's worden bovenop de transformatortank gemonteerd, waar interne gas- of drukopbouw tijdens een storingstoestand snel kan worden vrijgegeven.

De terminologie kan verwarrend zijn omdat "overdrukapparaat" vaak wordt gebruikt als algemene industriële term voor zowel PRV's als PRD's. In de meeste gevallen worden PRV's gebruikt op kleinere distributietransformatoren, terwijl PRD's vaker voorkomen op grotere eenheden of toepassingen die een snellere drukreactie en foutindicatie vereisen.

Een transformatordrukontlastingsapparaat vervult dezelfde fundamentele functie als een PRV - die overmatige interne druk verlicht -, maar is doorgaans ontworpen met een hoger stroomvermogen, een snelle responstijd, betrouwbare hersluitingsprestaties en optionele alarm- of bewakingsfuncties. Geavanceerde PRD-ontwerpen zorgen voor een nauwkeurige openingsdruk, een korte bedrijfstijd, betrouwbare -buitenprestaties op lange termijn en een effectieve afdichting tegen het binnendringen van vocht, stof en lucht, waardoor een positieve tankdruk wordt gehandhaafd en de operationele betrouwbaarheid van de transformator wordt verbeterd.

 

Een groot voordeel van op de dekking-gemonteerde PRD's is de bewakingsmogelijkheid. Veel transformator-overdrukontlastingsinrichtingen omvatten:

• Visuele semaforen of werkingsindicatoren
• Alarmcontacten op afstand
• SCADA-compatibele bewakingsuitgangen

 

Dit maakt PRD's bijzonder geschikt voor onderstations van nutsvoorzieningen en industriële energiesystemen waar bewaking op afstand vereist is.

PRD's worden vaak toegepast bij:

• Eenheidstransformatoren voor onderstations
• Middelgrote vermogenstransformatoren
• Grote stroomtransformatoren
• Transformatoren voor nutsvoorzieningen

 

Voor grotere nutstoepassingen kiezen ingenieurs vaak voor een transformatoropstelling voor een drukontlastingsapparaat in plaats van een kleinere PRV vanwege de hogere interne foutenergie en het olievolume.

3.3 Breekschijf

Breekplaten worden doorgaans gebruikt als ultieme drukontlastingsinrichting voor noodgevallen in transformatortoepassingen met hoge- energie.

In tegenstelling tot PRV's of standaard PRD's zijn breekschijven niet-resetbare apparaten die zijn ontworpen om onmiddellijk te barsten wanneer de interne druk een kritische limiet bereikt. Hun voornaamste doel is het bieden van snelle ventilatie van het hele-gebied tijdens catastrofale interne foutgebeurtenissen.

 

Omdat breekplaten na gebruik vervangen moeten worden, zijn ze doorgaans gereserveerd voor:

• Grote stroomtransformatoren
• Transformatoren van ovens
• Tractietransformatoren
• Industriële systemen met een hoog foutniveau-

In de technische praktijk vertegenwoordigen breekplaten het hoogste niveau van mechanische drukbescherming.

4. Apparaten voor detectie van transformatorstoringen

 

4.1 Interne foutdetector (IFD)

Internal Fault Detectors (IFD's) worden veel gebruikt op transformatoren op palen- en pad- gemonteerd als een eenvoudig maar zeer effectief veldveiligheidsapparaat.

Een IFD detecteert een plotselinge interne drukstijging veroorzaakt door boogfouten in de transformatortank. Wanneer deze wordt geactiveerd, komt er een felgekleurde visuele indicator tevoorschijn, waardoor nutsbedrijven onmiddellijk kunnen vaststellen dat de transformator een interne fout heeft ondervonden en niet opnieuw moet worden ingeschakeld-.

 

Een groot voordeel van moderne IFD-systemen is dat veel ontwerpen een standaard IEEE- of CSA-compatibele PRV in transformatorsamenstellen in hetzelfde apparaat integreren, waarbij het volgende wordt gecombineerd:

• Drukverlichting
• Storingsindicatie

in één compacte structuur.

 

IFD's worden vaak gebruikt bij:

• Enkel-fasige pool-gemonteerde transformatoren
• Drie-pooltransformatoren-gemonteerd
• Pad-gemonteerde transformatoren
• Kleine onderstationtransformatoren

Vergeleken met SPR-systemen zijn IFD's eenvoudiger, zuiniger en bijzonder geschikt voor toepassingen op distributie-niveau.

4.2 Plotselinge drukrelais (SPR / RPR)

 

Deze systemen worden vaak gebruikt in:

• Middelgrote vermogenstransformatoren
• Grote stroomtransformatoren
• Gelijkrichtertransformatoren
• Transformatoren van ovens
• Tractietransformatoren

 

Vergeleken met IFD's bieden relaisbeveiligingssystemen voor snelle drukstijging een snellere elektrische integratie en zijn ze geschikter voor kritische nuts- en industriële toepassingen.

4.3 Buchholz-estafette

Het Buchholz-relais is een door gas- en olie-stroom-aangedreven foutdetectieapparaat dat wordt gebruikt in transformatoren van het conservator--type.

In tegenstelling tot SPR- en IFD-systemen, die primair reageren op drukveranderingen, detecteren Buchholz-relais interne fouten door:

• Ophoping van gas
• Beweging van de oliegolf

 

Het relais werkt doorgaans in twee fasen:

• Alarm voor beginnende fouten
• Trip voor ernstige interne fouten

 

Buchholz-relais worden veel gebruikt in:

• Conservator-type onderstations
• Middelgrote vermogenstransformatoren
• Grote stroomtransformatoren

 

Vanwege hun vermogen om zich langzaam ontwikkelende isolatiefouten te detecteren, blijven Buchholz-relais een van de belangrijkste foutdetectieapparaten in grote olie-gevulde transformatoren.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Beschermingshiërarchie in de techniekpraktijk

 

In echte transformatortoepassingen worden deze apparaten niet in alle transformatorklassen op gelijke wijze gebruikt. In plaats daarvan worden beveiligingssystemen steeds geavanceerder naarmate de omvang van de transformator en de foutenergie toenemen.

 

Tabel 2 – Typische toepassing van beveiligingsapparatuur per transformatorklasse

Deze gelaagde configuratie weerspiegelt het technische principe dat transformatorbeveiliging evolueert van eenvoudige mechanische drukontlasting naar geïntegreerde mechanische en elektrische foutbeveiligingssystemen.

6. Conclusie

 

Het moderne veiligheidsontwerp van transformatoren is gebaseerd op de coördinatie van drukontlastings- en foutdetectiesystemen in plaats van op een enkel apparaat.

PRV's en PRD's zorgen voor gecontroleerde mechanische drukontlasting tijdens normale en abnormale bedrijfsomstandigheden. Breekplaten bieden ultieme noodbescherming tijdens catastrofale fouten. IFD's en plotselinge drukrelaissystemen detecteren plotselinge drukstijgingen veroorzaakt door interne elektrische fouten, terwijl Buchholz-relais de gasopwekking en oliebewegingen monitoren die gepaard gaan met het ontwikkelen van isolatiefouten.

Samen vormen deze apparaten een meerlaagse architectuur voor transformatorbeveiliging die de operationele betrouwbaarheid, de personeelsveiligheid en de foutisolatie verbetert in distributie-, industriële en nutsvoorzieningen.