Esta web usa cookies

Este sitio web www.transproco.com utiliza cookies propias y de terceros para recopilar información que ayuda a optimizar su visita a sus páginas web. No se utilizarán las cookies para recoger información de carácter personal. Encontrará más información en nuestra Política de Cookies.

Idiomas

  

Iniciar sesión

Registrar



Estudio de la prevención de explosiones de transformador con protección en las torretas de boquillas

f1

Los transformadores de potencia inmersos en líquido usualmente contienen miles de litros de aislante inflamable. Cuando el aislante tiene una deficiencia, hay un riesgo elevado de falla de transformador que podría poner en peligro vida humana, generar riesgos afectando el medio ambiente, y destruir bienes valiosos.

Debido a que las pruebas de arco en vivo son costosas y potencialmente peligrosas, las simulaciones numéricas son una alternativa útil para estudiar las fallas de una amplia gama de transformadores. Ya que las boquillas son una fuente común de fallas de transformadores, examinamos la función que cumple el sistema de despresurización rápida del transformador en simulaciones de dos diseños de transformador, con protecciones localizadas en la región de la torreta de boquillas, para asegurar que el transformador sea resistente a los arcos internos.

1. Introducción

Los transformadores de potencia inmersos en líquido usualmente contienen miles de litros aislante dialéctrico inflamable. Cuando el aislamiento falla, el corto circuito ocasiona una cadena de reacciones químicas que producen una mezcla de gases combustibles cómo el hidrogeno de acetileno. La repentina formación de gases puede presurizar rápidamente el tanque del transformador más allá de su capacidad de resistencia, y provocar condiciones estructuralmente catastróficas donde la falla es inminente.

La explosión del trans-formador no solo provoca pérdidas financieras a la industria eléctrica, si no también pone en riesgo la vida humana y seguridad ambiental. Una encuesta realizada por CIGRE en el 2015 acerca de fiabilidad de transformadores, reveló que la tasa anual de fallas de transformadores es en promedio de 1% con índices de 1.3% por año debido a los elevados tipos de riesgos de transformadores de potencia [1]. Entre las diferentes causas reportadas, las fallas relacionadas con boquillas son causas frecuentes de incendios y explosiones en transformadores.

En el mismo documento realizado por CIGRE se concluyó, sobre la base de una encuesta de 675 fallas significativas de transformadores con tipos de voltaje de al menos 100Kv, que las boquillas fueron la causa del 48.5% de las fallas cuyo origen es conocido y que tuvieron como resultado explosiones o incendios.

2. Sistema de Despresurización Rápida del Transformador

f2
Figura 1. Sistema de despresurización rápida incluyendo protección de torretas de boquillas.

En la figura 1 se muestra, la tecnología de protección estudiada el TRANSFORMER PROTECTOR(TP), Esta tecnología es consistente con la recomendación NFPA 850 publicada en el 2015[2] para los Sistema de despresurización rápida, cuyo objetivo es mitigar fallas de transformador ocasionadas por un arco eléctrico interno.

El sistema de despresurización rápida en transformadores incluye:

  1. Conjuntode Tanque de despresurización incluyendo una cámara de descompresión.
  2. Torreta de transformador o conjunto de despresurización de boquillas.
  3. Tanque de separación de aceite y gases explosivos y evacuación de gases explosivos a un área remota.
  4. Inyección de gas inerte para evacuar gases explosivos contenidos en el tanque del transformador antes de apertura por reparaciones de transformador..

La figura 2 muestra una Instalación del sistema de despresurización rápida

El conjunto de despresurización para torreta de boquilla, marcada como la segunda parte en la Figura 1, está señalada con una circunferencia verde. Debido a que las boquillas son una causa común de falla de transformador, y considerando que las torretas de boquillas incluyen elementos de alto voltaje en una región geométrica restringida, examinamos la función que cumple la utilización de conjuntos de despresurización estratégicamente localizados en las torretas de boquillas para mitigar daños al tanque de transformador durante arcos internos. Dos diseños de transformador son estudiados para asegurar que los resultados presentados sean suficientemente generales

f3

Figura 2. Instalación del sistema de despresurización rápida, incluyendo protección de torretas de boquillas

"Un corto circuito es un transformador genera una formación de gas repentina, la cual puede presurizar el tanque rápidamente más allá de su capacidad de resistencia, a condiciones en donde una falla estructural catastrófica es inminente. La explosión del transformador no solo provoca pérdidas financieras a la industria eléctrica, si no también pone en riesgo la vida humana y seguridad ambiental."

3. Modelos de transformador estudiados

Usamos dos transformadores de potencia de gran tamaño cómo modelos para entender el comportamiento típico asociado con la despresurización de tanques. El primer transformador es trifásico tipo núcleo de 166.7 MVA – el cual llamaremos Modelo A, el segundo es un transformado trifásico tipo núcleo de 363 MVA— el cual llamaremos Modelo B. La geometría y malla tetraédrica realizada en diseño asistido por computadora (CAD) son mostrados en la Figura 3, representando el Modelo A y en la Figura 4, representando el Modelo B. La ubicación de la simulación de los arcos están resaltadas en las mismas imágenes.

El Modelo A tiene una configuración de protección de un conjunto de despresurización vertical de 250 mm de diámetro en el tanque principal y tres conjuntos de despresurización para torretas de boquillas de 200 mm de diámetro por cada torreta de boquilla de alto voltaje.

 f4

Examinamos la función que cumple la utilización de conjuntos de despresurización estratégicamente localizados en las torretas de boquillas para mitigar daños al tanque de transformador durante arcos internos.

f5

"La activación del TP, se despresurizó rápidamente dentro de los 9 ms de la iniciación de los arcos y están con seguridad por debajo del límite de resistencia de 1 a 2 bar."

4. Método numérico

Las presiones de fluidos después de un corto circuito son estudiados en estos modelos de transformadores, usando el software definido y validado en [3] y [4]. Este software de simulación resuelve ecuaciones de Navier-Stokes acerca del sistema compresible de fluidos de dos fases usando una metodología de volumen finito con un solucionador Godunov para calcular las soluciones de problemas de Riemann.

Las soluciones están basadas en un conjunto reducido de cinco ecuaciones, representando la advección de la fracción de la fase gaseosa, y ecuaciones de conservación para las densidades de ambas fases, la dinámica de la mezcla liquido-gaseosa y la energía total de la mezcla. [5].

En este modelo, tanto fases líquidas y gaseosas dentro de una célula tetraédrica se relajan infinitamente rápido a una presión local y equilibrio de velocidad. [6] Las relaciones termodinámicas entre energía interna, densidad y presión son calculadas asumiendo que la ecuación de gas ideal se sostiene para la fase de vapor y la ecuación de gas rígido se mantiene para la fase liquida. La ecuación de gas rígido es una ecuación de estado, comúnmente usada en investigaciones de explosiones para considerar la compresibilidad de líquidos en presiones extremas. [7].

Un arco de 10 MJ fue simulado en ambos tanques, ya que generalmente se considera como una energía de arco suficiente para la ruptura de un tanque de transformador en ausencia de un sistema de despresurización rápida. [9] La duración del arco está programada en cinco ciclos, una escala de tiempo común para que el interruptor actué, lo cual es aproximadamente 83 ms para el transformador A y 100 ms para el transformador B.

5.Resultados

El promedio de las presiones espaciales calculadas en estos tanques de transformadores es mostrado en las Figuras 5 y 6; las presiones localizadas en las torretas de boquillas se muestran en las Figuras 7 y 8; y los contornos de presión en tercera dimensión en las Figuras 9 y 10

Observamos que debido a la temprana activación del TP, el transformador se despresurizó rápidamente dentro de los 9 ms de la iniciación de los arcos y están con seguridad por debajo del límite de resistencia estática del tanque en una escala de tiempo de aproximadamente 200 ms. En contraste, el transformador desprotegido alcanzó presiones superiores a 1 bar, el límite estático aproximado que usualmente los tanques de transformadores están diseñados para resistir. Este límite de resistencia estática de 1 bar para tanques de transformadores está basado en la Guía CIGRE A2.33, de Prácticas para la Protección Contra Incendios en Subestaciones, el cual señala que, “los límites de presión estática que soporta el tanque […] están usualmente dentro de 1.0 —2.0 bar (en la base del tanque) a menos de que el diseño del tanque especifique mayor fuerza.” Para el transformador A, la presión continua fue aproximadamente 45 bars, y para el transformador B, las presiones continuas alcanzaron casi 70 bars. Estas presiones son lo suficientemente altas para causar una ruptura en el tanque del transformador.

Basados en la evidencia circunstancial observada en el campo, consideramos que la tecnología de protección que despresurice un transformador dentro de una escala de tiempo de 200 ms prevendrá rupturas catastróficas del tanque e incendios subsecuentes. Por consiguiente, usando este criterio, las soluciones de protección simuladas serían suficientes para asegurar que el transformador no experimente una explosión e incendio.

 

Debido a que la presión en la torreta de boquillas alcanza valores más altos — aproximadamente 50 bars para el transformador A y alrededor de 80 bars para el transformador B, estas ubicaciones están en alto riesgo de sufrir una falla del tanque. Esto puede ser atribuido a la región geométrica restringida, permitiendo la concentración de las presiones. A pesar de que la simulación de los arcos se realizó relativamente distante al conjunto de despresurización de torretas de boquillas, la proximidad de los conductores de alto voltaje con el suelo en estas regiones, hacen que estás sean zonas muy probables para arcos, además, las fallas en la región de la torreta de boquilla muy probablemente provocaría falla en las boquillas.

f6

f7

Figura 7. Presión en torretas de boquillas para transformador Modelo A de 166.7 MVA, arco de 10 MJ

f8

Figura 8- Presión en torretas de boquillas para el transformador Modelo B DE 363 MVA, Arco 10 MJ

Debido a que la salida del aceite no llevara a una despresurización rápida del tanque del transformador, el DAP no es suficiente para prevenir rupturas en los tanques de transformador, teniendo en cuenta un arco de 10 MJ

5.4Resultados: Comparación con el dispositivo de alivio de presión:

Debido a que no hay estándares para el desempeño de la despresurización liquida de un DAP en transformadores de potencia, el desempeño de gas es usado como un aproximado. Específicamente, podemos relacionar el principio de conservación de energía con el cambio de energía cinética del aceite a la diferencia de presión a través del DAP, ya que las fuerzas viscosas son insignificantes comparadas con la gradiente de presión y las fuerzas de inercia en este espacio del parámetro. Esto implica que la velocidad del flujo exterior de las escalas son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de la densidad

f9

El estándar de IEEE C57.156 [8] tiene mediciones de velocidades para la salida de gasas que consideremos como como limites superiores e inferiores para el desempeño del DAP. para trasladar estas medidas a un transformador inmerso en líquido, multiplicamos las velocidades especificas con la proporción de la raíz cuadrada de la densidad del aire, a una temperatura de 298 K y a una presión de 1.01 bars, a la densidad del aceite, 850 kg/m3. Debido a que estas medidas están hechas para las diferencias de presiones limitadas, esto debe ser considerado solo un análisis preliminar.

Los resultados en la Figura 11 y 12 muestran que el flujo externo asociado con el TP es por lo menos varias veces más grande que el flujo externo asociado a todos los (DAPs) para cada tanque de trasformador. Notamos que, solo los primeros 50 ms de flujo externo son representados para el transformador de mayor tamaño, ya que el tiempo subsecuente transcurrido podría no contribuirse al flujo externo ingresado al tanque. El bajo desempeño puede ser atribuido a la inercia asociada con el resorte del DAP, y a un área de flujo externo más reducida.

Concluimos que debido a que la salida del aceite no llevara a una despresurización rápida del tanque del transformador, el DAP no es suficiente para prevenir rupturas en los tanques de transformador, teniendo en cuenta un arco de 10 MJ.

f10

Conclusión

Las simulaciones de aumento de presión dentro de un transformador trifásicos de 166.7 MVA, y en un transformador trifásicos de 363 MVA han sido usadas para evaluar la efectividad de las estrategias de mitigación de ruptura de tanque, teniendo en cuenta un típico arco de alta energía de una magnitud de 10 MJ. Como estas simulaciones tienen un alcance limitado, en otras palabras, no muestran todos los posibles escenarios de arcos eléctricos ni consideran la energía absorbida por la estructura del tanque de transformador a través de las deformaciones de paredes y vibraciones, estas conclusiones deberían ser consideradas como una guía representativa de una situación típica de arco eléctrico y de una demostración cualitativa de las diferencias marcadas entre un tanque sellado sin una protección contra explosiones de transformadores y un tanque equipado con un sistema de despresurización rápida

Basados en estas simulaciones, podríamos concluir que los transformadores que no cuentan con un sistema de despresurización rápida mostraron un incremento sustancial por encima del límite de seguridad de 1 bar en la presión del tanque.

El estado estable final de las presiones calculadas para el tanque sin dispositivos de prevención contra incendios fueron mucho mayores a 10 bar, estas presiones son lo suficientemente altas para ocasionar una ruptura en el tanque, ya que los tanques están diseñados a resistir presiones estables de 1 bar. Las presiones fueron más altas en la región de torreta de boquilla que en el tanque principal, indicando posible falla de boquillas.

Para los mismos modelos de arco, los tanques de transformador que fueron simulados con el sistema de despresurización rápida mostraron que los conjuntos de despresurización se activaron a los 9 ms, mucho antes que la duración del arco. Durante el transcurso de despresurización, la máxima presión transitoria del tanque disminuyo al menos a la mitad. Finalmente, el sistema de despresurización rápida logró despresurizar los tanques a niveles seguros aproximadamente en 200 ms, una escala de tiempo consistente para prevenir una ruptura de tanque basada en experiencia del fabricante.

En resumen, el sistema de despresurización rápida, incluyendo conjuntos de despresurización hechos a la medida apropiada e instalados próximos a torretas de boquillas de alto voltaje, son instrumento efectivo para reducir riesgos de explosiones e incendios en los tanques de transformadores.

References

[1] CIGRE A2.37, Transformer Reliability Survey, 2015

[2] National Fire Protection Association, NFPA 850, 2015

[3] S. Muller, R. Brady, G. de Bressy, P. Magnier and G. Pergaud, “Prevention of Transformer Tank Explosion, Part 1: Experimental Tests on Large Transformers,” in ASME PVP, Chicago, USA, 2008

[4] B. Landis, O. Ahmed, S. Yoon, A. Goj and G. Perigaud, “Development of a TwoWay Fluid Structure Coupling for Studying Power Transformers Subjected to Internal Dynamic Overpressures,” in ASME PVP, Paris, France, 2013

[5] H. Guillard and A. Murrone, “A five equation reduced Model for compressible two phase flow problems,” INRIA, Vol. 4778, 2003

[6] R. Saurel, F. Petitpas and R. Abgrall, “Modelling phase transition in metastable liquids: Application to cavitating and flashing flows,” J. Fluid Mech., Vol. 607, pp. 313-350, 2008

[7] R. Menikoff, “Empirical EOS for Solids,” in Shock Wave Science and Technology Reference Library Vol. 2, Berlin, Springer-Verlag, 2007, pp. 143-188

[8] IEEE C57.156, Guide for Tank Rupture Mitigation of Liquid-Immersed Power Transformers and Reactors, 2016

[9] CIGRE A2.33, Guide for Transformer Fire Safety Practices, 2013

 

 © Copyright Transformer Protector Corp. (TPC) 2006-2019 - Todos los derechos reservados