Sergi Holding – Hanoi Electricity Conference – 5th December 2007 1/32 TRANSFORMER PROTECTOR SERGI Holding, 186 av. du Général De Gaulle, 78260 Achères, - презентация

1 Sergi Holding – Hanoi Electricity Conference – 5th December /32 TRANSFORMER PROTECTOR SERGI Holding, 186 av. du Général De Gaulle, Achères, France web: (33) , Fax: (33) web: Office: (33) , Fax: (33) www.sergi-france.com TRANSFORMER PROTECTOR Решение по предотвращению взрывов трансформаторов

2 2/51 ВЗРЫВЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Опасно : Большое количество трансформаторного масла находиться в контакте с высоковольтными элементами низкоимпедансное КЗ взрыв и пожар трансформатора ЦЕЛЬ : Предотвращение подобного взрыва TRANSFORMER PROTECTOR Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008

3 ВЗРЫВЫ МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Цифровое моделирование MTH модель (Магнито-термо-гидродинамическая) Внедрение распространения волны давления Эффект сжимаемости ( ударная волна ) Вязкость Тяготение теплопро водность Двух- фазные потоки Эффект дуги Эксперимент 28 испытаний в EDF (2002) (Electricité de France) 34 испытания в лаборатории CEPEL (2004) (Centro de Pesquisas de Energia Eletrica) Проведено 62 испытания: Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

4 Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕЗЕНТАЦИИ 1.Описание системы TRANSFORMER PROTECTOR (TP)Описание системы TRANSFORMER PROTECTOR (TP) Принцип Описание компонентов TPОписание компонентов TP Срабатывание 2. Экспериментальные исследованияЭкспериментальные исследования Конфигурация испытаний Анализ испытаний 3.Математическое моделированиеМатематическое моделирование Физическая модель Достоверность модели Цифр. симуляция на больших трансф-х (400 & 750 МВА)Цифр. симуляция на больших трансф-х (400 & 750 МВА) 4. ЗаключениеЗаключение 4/51

5 TRANSFORMER PROTECTOR Описание системы TRANSFORMER PROTECTOR Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

6 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Разрыв бака Взаимодействие Волна давления / Структура Нарушение диэлектр. свойств масла Электрическая дуга Испарение масла Распространение волны давления Локальное увеличение давления Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

7 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Разрыв бака предотвращен Декомпрессия бака Взаимодействие Волна давления / Структура Нарушение диэлектр. свойств масла Электрическая дуга Испарение масла Распространение волны давления Локальное увеличение давления TRANSFORMER PROTECTOR Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

8 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРИНЦИП Принцип : При возникновении КЗ, TP срабатывает в течении милисекунд под воздействием динамического пика ударной волны давления, что предотвращает взрыв трансформатора при увеличении статического давления. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

9 THE TRANSFORMER PROTECTOR : ПРЕЗЕНТАЦИЯ Компоненты системы TP: 1.Модуль сброса давления 2.Модуль сброса давления РПН 3.Бак отделения масла и газов 4. Труба подачи азота 5.Шкаф 6.Удаление взрывчатых газов 7.Отсечной клапан расширителя Для создания эвакуационного прохода прежде чем динамическое давление перейдет в статическую фазу Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

10 THE TRANSFORMER PROTECTOR : СРАБАТЫВАНИЕ 1/ Динамическая волна давления расспространается со скоростью звука в масляной среде 2/ Открытие диска, депрессюризация, удаление газомаслянной смеси 4/ Подача азота N2N2 TRANSFORMER PROTECTOR MTP-A 3/ Открытие воздушного отсечного клапана 5/ Генерация газов прекращается после 45 мин. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

11 TRANSFORMER PROTECTOR Экспериментальные исследования Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

12 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЗАЧЕМ ? 1.Для демонстрации эффекта что инерция срабатывания TP гораздо ниже чем время требуемое для взрыва трансформатора; 2.Для подтверждения градиентов давления внутри баков крупных трансформаторов; 3.Для измерения объема газов образованных при низко- импедансном КЗ; 4.Для демонстрации эффективности срабатывания TP на больших трансформаторах; 5.Для сбора данных позволяющих подтвердить обоснованность средства Моделирования. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

13 Конфигурация испытаний ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

14 34 натурных испытания В лаборатории CEPEL (Бразилия) Трансформаторы 3-х размеров : Макс.дистанция между местом дуги и TP: –T1: 8.5 м –T2: 6.0 м –T3: 6.2 м ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ Трансфор. T2 Трансфор. Т1 Трансфор. T3 БОМГ Модуль сброса давления Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

15 3 расположения дуги : A – B – C 34 натурных испытания В лаборатории CEPEL (Бразилия) Трансформаторы 3-х размеров : Макс.дистанция между местом дуги и TP: –T1: 8.5 м –T2: 6.0 м –T3: 6.2 м ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

16 Уровни токов : 5 – 15 кA Длительность : 83 мс Энергия дуги : до 2.5 мДж 3 расположения дуги : A – B – C ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ИСПЫТАНИЯ Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51 34 натурных испытания В лаборатории CEPEL (Бразилия) Трансформаторы 3-х размеров : Макс.дистанция между местом дуги и TP: –T1: 8.5 м –T2: 6.0 м –T3: 6.2 м

17 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ВИДЕОЗАПИСЬ ИСПЫТАНИЙ Видеозапись срабатывания ТР Испытание : 30 Порядк.номер: 30_T1C_140_83_ATM Дуга: A, период 83 мс Расположение: напротив TP близко к днищу (поз. C) Вес трансфор.: 72 тонн Скорость камеры: 25 кадр/сек Ускорение: 400 g Испытание : 28 Порядк.номер: 28_T1A_140_83_ATM Дуга: A, период 83 мс Расположение: около крышки, на линии TP (поз. A) Вес трансфор.: 72 тонн Скорость камеры: 25 кадр/сек Ускорение: 400 g Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

18 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Анализ Испытаний Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

19 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Испытание:3 Номер:2002 Значение тока:2500 A Длительность:79 ms Скорость камеры: 3000 frames/second Пузырьки газа появляются в русле дуги (1 до 2.3 м 3 т.е. 35 до 80 ft 3 ). Газ находиться под давлением (от 100 бар/сек до 5,000 бар/сек т.е. 14,500 рsi/sec до 72,500 psi/sec) Пик динамического давления возрастает до 14 бар (200 psi). Видеозапись (Испытания в EDF): Электрическая дуга создает резкий физический феномен с ускорением до 800g, где g=9.81 м/сек² т.е. 30 ft/sec². Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

20 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Дальнейшее испарение масла затрудняется, т.к. дуга в большой части окружена газами логарифмическая экстраполяция V - объем газа (м 3 ) E - энергия дуги (Дж) Образование газа / Энергия Энергия дуги (мДж) Объем газа (м 3 ) Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

21 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ ИСПАРЕНИЕ МАСЛА ВОЗНИКАЕТ НА ПЕРВОЙ МИЛИСЕКУНДЕ И СТАБИЛИЗИРУЕТСЯ КОГДА ДУГА ОКРУЖЕНА ГАЗАМИ Как только дуга окружается пузырьками, энергия дуги идет на нагрев газов, идет расщепление пузырьков на меньшие молекулы и конвертирует газ в плазму. Меньше и меньше энергии передается маслу для испарения. теплообмен Трансформаторное масло дуга теплообмен Потери энергии масло Фронт испарения ДУГА газ Пик давления Прямой контакт Дуга / Масло Быстрый процесс испарения Не прямой контакт Дуга / Масло Медленный процесс испарения Дуга Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

22 Газовый пузырь распространается по цеху на 2 этажа вверх где есть приток воздуха и находяться двери. Дверь выносит на 100 м, т.к. энергия взрыва очень велика. Диаметер пузыря примерно 4.9 ft (1.5 м). Соответствует объему 62.4 ft 3 (1.8 м 3 ) газа. По кривой Энергия/Объем объем соответствует энергии дуги 0.8 мДж. И это малое КЗ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Видео газового пузыря после разрыва бака Следующее видеозапись показывает газовый пузырь созданный при КЗ в баке трансформатора. Трансформатор не был оборудован системой TRANSFORMER PROTECTOR, вследствие КЗ произошел разрыв бака и выброс газа. Кромка газового пузыря вступает в контакт с воздухом и идет возгорание. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

23 Температура огненного шара примерно 2700 o F (1500 o C ). Газовый пузырь уничтожил все станционное оборудование. Традиционные защиты не сработали: Пожарная дверь, предназначенная для задержки огня в бункере, закрылась после выхлопа газа. Оборудование пожарной защиты, включая водяную систему тушения не сработало. Двое операторов которые находились в цехе пострадали при аварии. Станция мощностью 1,350 МВт была в ремонте в течении 4 месяцев. Поврежденный блок 450 МВт был выведен из эксплуатации более 13 месяцев. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВ Видео газового пузыря после разрыва бака Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

24 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ПИК ДАВЛЕНИЯ Предел прочности статич.давления = +1.2 бар (18 psi) Бак выдерживает пик динамического давления до 14 бар Нет ясной взаимосвязи между максимумом давления и энергией +13 бар (190 psi) 2.5 мДж бар (150 psi) 125 кДж +13 бар (190 psi) +9 бар (130 psi) 1 мДж +3 бар (40 psi) 1 мДж Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

25 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛНЫ ДАВЛЕНИЯ Образ- ние дуги AB C C: рядом с дугой B: у крышки A: рядом с ТР Time (s) Давление (бар) Подпитка дуги Пик при КЗ Пики при отражении волн от стенок Экспериментальные кривые Длительность (сек) Место образов.дуги: C Датчики давления В баке давление распространяется при конечной скорости. Ключевой параметр это размеры трансформатора. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

26 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТР Испытание: 32 Ток КЗ: 14,000 A Длительность: 83 мс Место образов.: у крышки на линии ТР (A) При атмосферном давлении Пиковое давление 109 psi (7.5 бар) Градиент давления 56,550 psi/s 3,900 бар/с Перепады давления при сработке ТР Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

27 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ : ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТР Во время всех 62 испытаний (28 в EDF, 34 в Cepel), TP всегда предотвращал взрыв на трансформаторе Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

28 TRANSFORMER PROTECTOR Математическое моделирование Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

29 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ : ЦЕЛИ Распростр.волны давления Поведение масла и газов Комплексная геометрия Модель 2-фазных потоков с эффектами сжимаемости EM, теплообмена, вязкости, гравитации Цифровое средство метод конечного объема на неструктур.сетке Подтверждение цифрового средства Испытания на трансф. в 2002 и 2004 гг. Экстраполяция на трансф. >100МВа Подтверждение TP Большие токи КЗ Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

30 Математическое моделирование Физическое моделирование Физическое моделирование Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

31 Математическое моделирование Физическое моделирование Моделирование переноса энергии Моделирование влияния гравитации Моделирование гидравлического эффекта Моделирование влияния вязкости Уравнение состояния : Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

32 Математическое моделирование Подтверждение правильности Подтверждение правильности процесса распространения давления Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

33 Математическое моделирование Подтверждение правильности Моделирование распространения волны давления : Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

34 Подтверждение правильности измерений путем сравнения с испытаниями, проведенными в лаборатории CEPEL Математическое моделирование Подтверждение правильности Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

35 Сравнение с графиками давления, полученными при проведении испытаний в лаборатории CEPEL МоделированиеЭксперименты Тест 23 Тест 31 Математическое моделирование Подтверждение правильности Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

36 МоделированиеЭксперименты Тест 31 Начальные условия : при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м 3 газа 3 фазы : После возникновения дуги резко ворастает давление ; Давление падает, благодаря срабатыванию TP; Колебания давления вследствие сложной волновой динамики. Давление внутри бака = возвращается к исходному значению (благодаря TP) Характер количественных показателей является аналогичным Математическое моделирование Подтверждение правильности Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

37 Амплитуда пика давления: разница менее 15% Градиенты давления: эксп. : от 100 до 5000 бар/с, мод. : от 1300 до 2100 бар/с Скорость волны давления : одинаковая Время сброса давления: тест 31 : 73 мс / 59 мс Количественные результаты хорошо согласуются МоделированиеЭскперименты Тест 31 Начальные условия : при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м 3 газа Математическое моделирование Подтверждение правильности Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

38 Моделирование без TP Эскперименты с TP Test 31 D Начальные условия: при дуге мощностью 450 кДж образуется 1,9 м 3 газа Давление достигает большего значения статического давления, которое превышает предел допустимого статического давления Давление остается на этом уровне в течение длительного времени. Если бак не оборудован TP, то он взрывается. Математическое моделирование Подтверждение правильности Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

39 Математическое моделирование на крупных трансформаторах На трансформаторе мощностью 750 МВа Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

40 Математическое моделирование на крупных трансформаторах t = 0 мс t = 42 мс t= 18 мс t = 60 мс t = 102 мс Моделирование работы TP при 750 MВа (карта давления) : (10.1 м x 5.2 м, дуга: 3 MДж, TP диам. 0,3 м) Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

41 Математическое моделирование на крупных трансформаторах t = 0 мс t = 42 мс t= 18 мс t = 60 мс t = 102 мс Моделирование работы TP при 750 MВа (карта скоростей) : (10.1 м x 5.2 м, дуга: 3 MДж, TP диам. 0,3 м) Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

42 Анализ Изучение карт давлений и скоростей поясняет процесс сброса давления; TP активируется в течение 14 миллисекунд; Сброс давления трансформатора происходит за 60 миллисекунд; Пик давления воздействует на корпус трансформатора, а также на вводы, вследствие влияния геометрической формы на величину давления. Математическое моделирование на крупных трансформаторах Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

43 На трансформаторе мощностью 400 МВа Математическое моделирование на крупных трансформаторах Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

44 Моделирование работы TP при 400 MВА: (7.8м x 4м, дуга: 11 MДж, TP диам 0,25 м) Местополо- жение TP TP сбрасывает давление в баке в течение 150 мс. P ( бар )v ( м/с) Математическое моделирование на крупных трансформаторах Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

45 P (bar) TP активируется через 4 мс после возникновения дуги Спустя 120 мс давление внутри бака возвращается в норму Бак не взрывается, поскольку TP срабатывает раньше достижения порога разрушения, обусловленного инерционностью бака. Начало работы TP Математическое моделирование на крупных трансформаторах Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

46 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Моделирование работы TP при 400 MВА без ТР: (7.8 м x 4 м, дуга: 11 MДж) Максимальное значение давление около 15 бар возле муфты Статическое давление стабилизируется на уровне примерно 8 бар спустя 500 мс трансформатор взрывается. P (бар)v (м/с) Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

47 Математическое моделирование на крупных трансформаторах Сравнение распределения давления после 120 мс при наличии и при отсутствии TP P (bar) без TPс TP С TP, первый динамический пик давления ударной волны активировал TP в течение нескольких миллисекунд, до возрастания статического давления. Трансформатор невредим. Без TP, максимальное давление 15 бар, а статическое давление возрастает примерно до 8 бар Бак взрывается. Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, /51

48 48/51 TRANSFORMER PROTECTOR Небольшое короткое замыкание 0,5 MДж приводит к образованию 1 м 3 взрывоопасного газа, что приводит к возрастанию давления внутри трансформатора до 6 бар, если бак не взрывается. Обычно толщина стенок бака составляет 4 мм. Для того, чтобы выдержать 6 бар, толщина стенок бака должна составлять не менее 14 мм. Выдерживание статического давления баком: Усиление конструкции бака нецелесообразно Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008

49 49/51 TRANSFORMER PROTECTOR Выводы Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008

50 50/51 Выводы Эксперименты проведено 62 теста (28 в лаб. EDF, 34 в лаб. Cepel) Исследованы физические явления Всякий раз TP предотвращал взрыв трансформаторов. Средства моделирования Сжимаемый 2-х фазный поток при 3-х мерном моделировании Правильность результатов моделирования подтверждена экспериментальными данными Подтверждена эффективность TP для крупных трансформаторов. TP активируется в течение нескольких миллисекунд под воздействием первого динамического пика давления, предотвращая взрыв трансформатора. Устройство Transformer protector предназначено для предотвращения взрыва трансформаторов Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008

51 51/51 TRANSFORMER PROTECTOR SERGI HOLDING Адрес: 186, Avenue du Général de Gaulle – P.O. Box Achères, Франция : (33) : (33) : web site : Sergi Holding – Research Approach for TP Validation – TP Tests in Russia – Februrary, 8th, 2008