Principio, struttura, funzionamento e manutenzione della protezione del gas del trasformatore

1. Cos'è il gas?

Il gas si forma dalla decomposizione della cellulosa e della materia organica ad opera di batteri anaerobici nelle prime fasi dell'accumulo di carbone da parte di antiche piante. In un ambiente ad alta temperatura e alta pressione, la produzione di gas continua a essere determinata da effetti fisici e chimici durante la formazione del carbone. Il gas è un gas incolore e inodore, ma a volte si può percepire un aroma simile a quello di una mela, dovuto alla contemporanea emissione di idrocarburi aromatici e gas. La densità relativa del gas rispetto all'aria è di 0,554, mentre la densità del gas allo stato standard è di 0,716 kg/m³. La permeabilità del gas è 1,6 volte superiore a quella dell'aria. È insolubile in acqua, non alimenta la combustione e non permette la respirazione. Può causare soffocamento per mancanza di ossigeno e può incendiarsi o esplodere.

I componenti principali del gas sono gli alcani, di cui il metano costituisce la stragrande maggioranza, e piccole quantità di etano, propano e butano. Inoltre, generalmente contiene acido solfidrico, anidride carbonica, azoto e umidità, nonché tracce di gas inerti come elio e argon. Attenzione. In condizioni normali, il metano, il butano e il pentano si trovano allo stato gassoso, mentre il pentano e i composti con un numero di atomi di carbonio superiore sono liquidi. In caso di incendio, possono bruciare e provocare un'esplosione di gas, che rappresenta una minaccia diretta per la sicurezza dei minatori.

2. Definizione di protezione dai gas

Nel relè di protezione a gas, la parte superiore è costituita da un galleggiante sigillato, mentre la parte inferiore è un deflettore metallico, ed entrambi sono dotati di contatti a mercurio sigillati. I galleggianti e i deflettori sono ruotabili attorno ai rispettivi assi. Durante il normale funzionamento, il relè è riempito d'olio, il galleggiante è immerso nell'olio, in posizione di galleggiamento, e il contatto a mercurio è disconnesso; il deflettore si abbassa a causa del proprio peso e anche il suo contatto a mercurio è disconnesso. Quando si verifica un piccolo guasto all'interno del trasformatore, il gas viene generato lentamente e si accumula inizialmente nello spazio superiore del relè a gas prima di raggiungere il serbatoio dell'olio, causando un abbassamento del livello dell'olio e l'abbassamento del galleggiante che chiude il contatto a mercurio, con conseguente ritardo nell'attivazione del segnale: questo è il cosiddetto "gas leggero". Quando si verifica un grave guasto all'interno del trasformatore, si genera un forte flusso di gas e la pressione nel serbatoio dell'olio aumenta istantaneamente, provocando un grande flusso di olio che impatta contro il cuscinetto d'olio. Poiché il flusso d'olio impatta contro il deflettore, quest'ultimo vince la resistenza della molla, spingendo il magnete verso il contatto della molla, chiudendo il contatto di mercurio, attivando il circuito di sgancio e facendo scattare l'interruttore automatico. Questo è il cosiddetto "gas pesante". L'azione del gas pesante interrompe immediatamente tutta l'alimentazione collegata al trasformatore, in modo da evitare l'espansione dell'incidente e svolgere la funzione di protezione del trasformatore.

Esistono diversi tipi di relè per gas, come quelli a galleggiante, a deflettore e a coppa aperta. La maggior parte utilizza relè QJ-80: il circuito di segnalazione è collegato alla coppa aperta, mentre il circuito di intervento è collegato al deflettore. La cosiddetta azione di segnalazione di protezione gas indica che il contatto del circuito di segnalazione della coppa aperta superiore del relè si chiude per vari motivi, e la spia luminosa si accende.

Le normative stabiliscono: per i trasformatori immersi in olio con una potenza pari o superiore a 800 kVA e per i trasformatori immersi in olio con una potenza pari o superiore a 400 kVA, deve essere installata una protezione contro i gas.

3. Classificazione della protezione dai gas

La protezione dai gas si divide generalmente in due categorie: gas leggeri e gas pesanti.

1. Protezione contro i gas leggeri: Il trasformatore si surriscalda o si scarica parzialmente, causando un aumento della temperatura dell'olio del trasformatore e la formazione di una certa quantità di gas, che viene raccolta dal relè. Quando viene raggiunta una determinata quantità, il relè si attiva e viene inviato un segnale.

2. Protezione da gas pesanti: in seguito a un grave cortocircuito nel trasformatore, l'olio del trasformatore subirà un impatto, provocando un flusso di olio verso il deflettore del relè e il suo conseguente intervento.

4. Ambito di protezione della protezione del gas

La protezione a gas è il principale sistema di protezione del trasformatore e può rilevare tutti i guasti presenti nel serbatoio. Tra questi: cortocircuiti multifase nel serbatoio del combustibile, cortocircuiti tra le spire dell'avvolgimento, cortocircuiti tra l'avvolgimento e il nucleo di ferro o l'involucro, guasti al nucleo di ferro, calo o perdita di livello dell'olio, cattivo contatto del commutatore di prese o saldature dei fili difettose, ecc. L'intervento della protezione a gas è rapido, sensibile e affidabile, e la sua struttura è semplice. Tuttavia, non è in grado di rilevare guasti al circuito esterno del serbatoio dell'olio (come ad esempio i cavi di collegamento), pertanto non può essere utilizzata come unico dispositivo di protezione per i guasti interni del trasformatore. Inoltre, la protezione a gas è soggetta a malfunzionamenti in presenza di fattori esterni (come i terremoti).

Il relè Buchholz dell'interruttore di regolazione della tensione sotto carico del trasformatore ha la stessa funzione del relè Buchholz del trasformatore principale, ma con posizioni di installazione e modelli differenti.

Cinque, il metodo di installazione della protezione

Il relè Buchholz viene installato sulla tubazione di collegamento tra il trasformatore e il serbatoio dell'olio. Durante l'installazione, è necessario prestare attenzione a:

1. Innanzitutto, chiudere ermeticamente la valvola a farfalla sulla tubazione di rilancio del gas. Se la valvola a farfalla non è chiusa correttamente o in presenza di altre condizioni, è possibile drenare l'olio presente nel serbatoio di raccolta, se necessario, per evitare una fuoriuscita eccessiva di olio durante l'intervento.

2. Prima di installare il nuovo relè del gas, verificare la presenza del certificato di collaudo, la correttezza del calibro e della portata, l'assenza di danni alle parti interne ed esterne; in caso di bloccaggio temporaneo all'interno, smontarlo; infine, verificare il funzionamento del galleggiante, del deflettore, del segnale e del contatto di intervento. Assicurarsi che siano affidabili e, in caso affermativo, chiudere la valvola di spurgo.

3. Il relè del gas deve essere installato orizzontalmente e la direzione della freccia contrassegnata sul coperchio superiore deve puntare verso il cuscino d'olio. Nel progetto, l'asse di direzione del relè può essere leggermente più alto all'estremità del cuscino d'olio, ma l'inclinazione rispetto al piano orizzontale non deve superare il 4%.

4. Aprire la valvola a farfalla per riempire il relè del gas con olio, quindi rilasciare l'aria dalla valvola di sfiato dopo il riempimento con olio. Se il cuscino d'olio ha una capsula, prestare attenzione al metodo di riempimento e svuotamento dell'olio per ridurre al minimo ed evitare l'ingresso di gas nel cuscino d'olio.

5. Durante l'esecuzione del cablaggio di protezione, è necessario prevenire collegamenti errati e cortocircuiti, evitare il funzionamento sotto tensione e, allo stesso tempo, impedire la rotazione dell'asta conduttrice e la fuoriuscita di olio dalla piccola testina in porcellana.

6. Prima della messa in funzione, è necessario effettuare la prova di vibrazione dell'isolamento e la prova di trasmissione.

6. Elementi di prova dei relè del gas

Prima dell'installazione e dell'utilizzo del relè del gas, è necessario eseguire le seguenti verifiche e prove:

1. Elementi di ispezione generali:

La finestra di vetro, la valvola di sfiato, l'ago di controllo e il terminale di uscita sono completamente privi di perdite d'olio, e il galleggiante, la coppa aperta, la finestra di vetro, ecc. sono completamente privi di crepe.

2. Elementi di prova

2.1. Test di tenuta: test di tenuta con pressione dell'olio totale (pressione di 20 mPa, durata di 1 ora), non devono esserci perdite.

2.2. Test di rigidità dielettrica dei terminali: La tensione a frequenza di rete tra il terminale di uscita e il terminale di uscita è di 2000 V per 1 minuto. La resistenza di isolamento può essere misurata anche con un megohmmetro da 2500 V. La resistenza di isolamento dovrebbe essere superiore a 300 mΩ.

2.3. Test del volume di azione del gas leggero: quando nel guscio si accumulano 250∽300 cm³ di aria, il gas leggero dovrebbe agire in modo affidabile.

2.4. Prova della velocità di flusso dell'azione dei gas pesanti.

7. Ispezione giornaliera

La norma DL/T572-95 (di seguito denominata "normativa") relativa al funzionamento dei trasformatori di potenza stabilisce che, durante l'ispezione giornaliera dei trasformatori, la prima cosa da verificare è la presenza di gas nel relè del gas, e che durante tale verifica è necessario prestare attenzione ai seguenti punti:

1. La valvola sul tubo di collegamento del relè del gas deve essere in posizione aperta.

2. Il respiratore del trasformatore deve essere in normali condizioni di funzionamento.

3. Il raccordo di collegamento per la protezione dal gas deve essere inserito correttamente.

4. Il livello dell'olio del cuscinetto dell'olio deve essere nella posizione corretta e il relè deve essere pieno d'olio.

5. Il coperchio impermeabile del relè del gas deve essere ben saldo.

6. I terminali del relè non devono perdere olio e devono essere in grado di impedire l'ingresso di pioggia, neve e polvere. L'alimentatore e il suo circuito secondario devono essere impermeabili, resistenti all'olio e al gelo, e devono essere sottoposti a controlli antigelo e impermeabili all'olio in primavera e in autunno.

Otto, il funzionamento della protezione del gas

Quando il trasformatore è in normale funzionamento, il relè Buchholz funziona senza alcuna anomalia. Per quanto riguarda lo stato di funzionamento del relè Buchholz, le normative prevedono le seguenti disposizioni:

1. Quando il trasformatore è in funzione, la protezione gas deve essere collegata al segnale e allo sgancio, e la protezione gas del commutatore di prese sotto carico deve essere collegata allo sgancio.

2. Quando il trasformatore esegue le seguenti operazioni durante il funzionamento, la protezione contro i gas pesanti deve essere ricollegata al segnale:

2.1. Quando si utilizza un interruttore automatico per controllare due trasformatori, se uno di essi viene commutato in modalità standby, il trasformatore di standby deve essere ricollegato al segnale.

2.2. Quando si filtra l'olio, si rabbocca l'olio, si sostituisce la pompa sommersa dell'olio o si sostituisce l'adsorbente del depuratore d'olio e si apre e si chiude la valvola sul tubo di collegamento del relè del gas.

2.3. Quando si lavora sulla protezione del gas e sul relativo circuito secondario.

2.4. Ad eccezione del prelievo del campione d'olio e della valvola di sfiato dell'aria nella parte superiore del relè Buchholz, aprire le valvole di sfiato dell'aria, di scarico dell'olio e di ingresso dell'olio in tutti gli altri punti.

2.5. Quando il livello dell'olio nell'indicatore di livello dell'olio aumenta in modo anomalo o il sistema di aspirazione presenta fenomeni anomali, è necessario aprire la valvola di sfiato dell'aria o la valvola di scarico dell'olio.

3. Durante il periodo di previsione sismica, la modalità operativa della protezione con gas pesante deve essere determinata in base alle condizioni specifiche del trasformatore e alle prestazioni sismiche del relè del gas. I trasformatori fuori servizio a causa dell'intervento della protezione con gas pesante dovuto ai terremoti devono essere controllati e testati prima di essere rimessi in funzione, e possono essere rimessi in funzione solo dopo aver verificato l'assenza di anomalie.

9. Motivi di intervento per la protezione dal gas

1. Motivi per l'azione del gas leggero

1.1. L'aria penetra nel trasformatore a causa di un filtro dell'olio difettoso, di un rifornimento di carburante inadeguato o di un sistema di raffreddamento inefficiente.

1.2. Il livello dell'olio è inferiore a quello della boa del relè del gas a causa di un calo di temperatura o di una perdita di olio.

1.3. Una piccola quantità di gas viene prodotta dal guasto del trasformatore.

1.4. Il trasformatore presenta un guasto di cortocircuito passante. Sotto l'azione della corrente di guasto passante, la velocità del flusso d'olio tra gli intercapedini aumenta. Quando la differenza di pressione tra l'intercapedine d'olio e l'esterno dell'avvolgimento cambia notevolmente, il relè a gas potrebbe non funzionare correttamente. La corrente di guasto passante provoca il riscaldamento dell'avvolgimento. Quando il fattore di potenza della corrente di guasto è elevato, la temperatura dell'avvolgimento aumenta rapidamente, causando l'espansione del volume dell'olio e, di conseguenza, il malfunzionamento del relè a gas.

1.5, guasto del relè del gas o del circuito secondario.

I fattori sopracitati possono provocare l'attivazione del segnale di protezione dal gas.

10. Trattamento successivo all'intervento di protezione dai gas

1. Dopo l'intervento del dispositivo di protezione del gas del trasformatore, è necessario controllarlo attentamente, analizzarlo con cura e valutarlo correttamente, adottando immediatamente le misure necessarie.

A. Quando si attiva il segnale di protezione gas, controllare immediatamente il trasformatore per individuare la causa dell'intervento, ovvero se è dovuto all'accumulo di aria, alla riduzione del livello dell'olio, a un guasto del circuito secondario o a un guasto interno del trasformatore superiore. Se è presente gas nel relè del gas, registrarne la quantità, osservarne il colore e verificarne l'infiammabilità, quindi prelevare campioni di gas e olio per l'analisi cromatografica. La natura del guasto del trasformatore può essere determinata in base alle normative e alle linee guida pertinenti. L'analisi cromatografica consiste nell'analisi qualitativa e quantitativa di idrogeno, ossigeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, metano, etano, etilene, acetilene e altri gas contenuti nel gas raccolto, utilizzando un cromatografo. Ciò consente di determinare con precisione la natura, l'andamento e la gravità dei guasti.

B. Se il gas nel relè del gas è incolore, inodore e non infiammabile, e l'analisi cromatografica determina che si tratta di aria, il trasformatore può continuare a funzionare ed eliminare tempestivamente il difetto di aspirazione dell'aria.

Se il gas presente nel relè del gas è infiammabile e l'analisi cromatografica del gas disciolto nell'olio risulta anomala, è necessario effettuare una valutazione completa per determinare se il trasformatore è fuori servizio.

2. Quando il relè Buchholz scatta, il trasformatore non deve essere messo in funzione finché non sia stata identificata la causa e il guasto non sia stato eliminato. Per individuare le cause, occorre considerare principalmente i seguenti fattori ed effettuare una valutazione complessiva.

a. Se la respirazione è scarsa o affannosa;

b. Verificare se i circuiti secondari, come quelli di protezione e di alimentazione in corrente continua, funzionano correttamente;

c. Se l'aspetto del trasformatore presenta fenomeni anomali che riflettano chiaramente la natura del guasto;

d. Se il gas accumulato nel relè del gas è infiammabile;

e. I risultati dell'analisi cromatografica del gas nel relè del gas e del gas disciolto nell'olio;

f. Risultati necessari dei test elettrici;

g. L'azione di altri dispositivi di protezione a relè del trasformatore.

11. Misure di sicurezza relative alla protezione dai gas

Il sistema di protezione contro le fughe di gas, nella sua forma lieve, invia un segnale di allarme per avvisare il personale addetto alla manutenzione di intervenire immediatamente sul trasformatore; nella forma grave, invece, fa scattare l'interruttore del trasformatore, provocandone l'arresto immediato e compromettendo l'affidabilità dell'alimentazione elettrica. Vengono inoltre presentate le misure di prevenzione degli incidenti per la protezione contro le fughe di gas.

1. Sostituire la boa inferiore del relè del gas con un modello a deflettore e il contatto con un modello verticale per migliorare l'affidabilità in presenza di gas pesanti.

2. Per evitare che il relè del gas vada in cortocircuito a causa di perdite d'acqua, è necessario adottare misure impermeabilizzanti sui suoi terminali e sulle scatole di derivazione dei cavi.

3. Il filo di collegamento del relè del gas deve essere un filo a prova di olio.

4. I fili e i cavi di collegamento del relè del gas devono essere collegati rispettivamente ai terminali nella scatola di derivazione dei cavi.