Wichtige Aspekte der explosionsgeschützten Konstruktion von ölgekühlten Transformatoren: Wie funktionieren Druckentlastungseinrichtungen und Gasrelais zusammen?

Öltransformatoren sind aufgrund ihrer hervorragenden Isolations- und Wärmeableitungseigenschaften in der globalen Energieinfrastruktur weit verbreitet. Interne Fehler können jedoch zu einem raschen Druckanstieg und zur Zersetzung des Isolieröls führen und somit ein erhebliches Explosionsrisiko darstellen. Die Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und des IEEE unterstreichen die Bedeutung explosionsgeschützter Systeme für die Sicherheit von Transformatoren. Dieser Artikel erläutert die Funktionsprinzipien, die Zusammenspielmechanismen und die Konstruktionsüberlegungen zweier zentraler explosionsgeschützter Komponenten – des Druckentlastungsventils (PRD) und des Gasrelais (Buchholz-Relais) –, um Energieingenieuren und Wartungspersonal ein umfassendes Verständnis dieses kritischen Sicherheitssystems zu ermöglichen.

1. Interne Fehler in ölgefüllten Transformatoren und Anforderungen an den Explosionsschutz

● Arten und Folgen von internen Fehlern

Interne Fehler in ölgekühlten Transformatoren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: elektrische und thermische Fehler. Zu den elektrischen Fehlern zählen Windungsschlüsse, Schichtkurzschlüsse und Erdschlüsse, während thermische Fehler lokale Kernüberhitzung und unzureichende Wärmeabfuhr aufgrund von Ölflussblockaden umfassen. Gemäß IEEE C57.12.00 lösen diese Fehler die folgenden Kettenreaktionen aus:

Tabelle 1: Arten von internen Transformatorfehlern und ihre physikalischen Auswirkungen

● Dynamik der Gaserzeugung

Die Zersetzung von Isolieröl (typischerweise Mineralöl) unter Störungsbedingungen folgt der Arrhenius-Gleichung:

k = A·e^(-Ea/RT)

Kennzahlen:

k: Reaktionsgeschwindigkeitskonstante
A: Frequenzfaktor (ölabhängig, typischerweise)        10^12~10^14 s^-1)
Ea: Aktivierungsenergie (~210 kJ/mol für Mineralöl)
R: Ideale Gaskonstante (8.314 J/mol·K)
T: Absolute Temperatur (K)

Diese Gleichung zeigt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C verdoppelt. Übersteigt die Fehlertemperatur 500 °C, können innerhalb weniger Minuten mehrere Kubikmeter Gas entstehen.

2. Druckentlastungseinrichtung (PRD): Die erste Verteidigungslinie gegen vorübergehenden Überdruck

● Funktionsprinzip und mechanische Konstruktion

Der PRD verwendet einen Federmembranmechanismus. Sein Öffnungsdruck (P_open) wird bestimmt durch:

P_open = (F_spring - F_preload)/A_seal

Kennzahlen:
F_spring: Federkraft (N)
F_preload: Vorspannkraft bei der Installation (N)
A_seal: Dichtungsfläche (m²)

Die typische Einstellung beträgt 70±5 kPa (gemäß IEC 60076), unterhalb der Druckfestigkeitsgrenze des Tanks (üblicherweise 140 kPa), aber oberhalb des normalen Betriebsdrucks (<35 kPa).

● Wichtigste Leistungsparameter und Auswahl

Tabelle 2: Vergleich der PRD-Leistung (basierend auf IEEE Std C57.12.10)

Hinweis:Der Cv-Wert ist definiert als die Durchflussrate (in Gallonen pro Minute) von Wasser bei 60°F und einem Druckabfall von 1 psi, die die Entlüftungskapazität widerspiegelt.

3. Gasrelais: Der präzise Wächter für die Gasüberwachung

● Doppelschwimmermechanismus

Moderne Gasrelais verwenden magnetisch gekoppelte Schwimmer:
(1)Oberer Schwimmer:Reagiert auf die Ölflussgeschwindigkeit (Alarm) Auslöser, typischerweise 0.6-1.2 m/s)
(2) Unterer Schwimmer:Reagiert auf Gasansammlungen (Auslösung)              Auslöser, üblicherweise 250±50 ml)

Die Gasanstiegsrate (dv/dt) korreliert mit dem Schweregrad des Fehlers. Eine Rate von >12 %/h erfordert eine sofortige Abschaltung (gemäß IEC 60599).

● Gaschromatographie und Fehlerdiagnose

Die gesammelten Gase werden mithilfe der Duval-Dreieck-Methode analysiert:

%CH4 = [CH4]/([H2]+[CH4]+[C2H4]) × 100%
%C2H4 = [C2H4]/([H2]+[CH4]+[C2H4]) × 100%

Typische Verwerfungszonen:
(1) Teilentladung (PD): CH4 >70%
(2) T1 (Überhitzung bei niedriger Temperatur): CH4 30-70%, C2H4   <15%
(3)T2 (Überhitzung bei mittlerer Temperatur): C2H4 15-50%
(4)T3 (Überhitzung bei hohen Temperaturen): C2H4 >50%

4. Kollaborativer Mechanismus und Systemintegration

Die explosionsgeschützte Sicherheit ölgekühlter Transformatoren beruht auf dem zeitlich synchronisierten und räumlich komplementären Zusammenwirken von Druckbegrenzungseinrichtung (PRD) und Gasrelais. Gemeinsam bilden sie eine vollständige Schutzkette von der Frühwarnung bis zur Notdruckentlastung. Im Folgenden ist ihr gemeinsamer Arbeitsablauf dargestellt:

● Zeitlicher Ablauf der Fehlerbehebung

Grundprinzip: PRD bewältigt Druckspitzen (physikalisch), während das Relais Gase (chemisch) überwacht.

● Räumliche Anordnung (gemäß IEC 60296 und IEEE C57.12.00)

(1) Höhe:Das Gasrelais muss an der Rohrleitung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Tank mit einer Neigung von ≥5° (≥7° in Europa) installiert werden, um den Gasfluss zum Relais zu gewährleisten.

(2) Druckisolierung:Die PRD-Entlüftung muss mindestens 1.8 m vom Relais entfernt und in einem Winkel von mindestens 45° angeordnet sein, um Störungen zu vermeiden.

(3) Ölströmungsdynamik:Der Mindestdurchfluss Qmin=0.26×D^2.5 (L/min) (D = Rohrdurchmesser in cm) gewährleistet eine zuverlässige Schwimmerbewegung.

● Fallsimulation (Turbinenkurzschluss)

(1)t=0s: Durch einen Kurzschluss wird das Öl auf >1000°C erhitzt, wodurch H₂ und C₂H₂ entstehen.

(2)t=15s: Die Gasansammlungsrate erreicht 50 ml/s → Relais löst aus.

(3)t=18s: Wenn der Leistungsschalter versagt, steigt der Druck sprunghaft auf 70 kPa an → PRD-Entlüftungsventile.

(4)t=30s: PRD gibt heißes Öl-Gas-Gemisch ab und verhindert so eine Explosion.

(5)t=5min: Gasanalyse bestätigt Fehlertyp.

Zusammenfassend

Moderne explosionsgeschützte Systeme für ölgekühlte Transformatoren integrieren Mehrparameterüberwachung und mehrstufigen Schutz. Zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit sollten die Betreiber Folgendes beachten:

(1) PRDs jährlich prüfen (einschließlich Siegelprüfung).

(2) Überprüfen Sie die Funktion des Gasrelais alle 6 Monate.

(3) Alle zwei Jahre eine vollständige Systemsimulation durchführen.

Diese Maßnahmen entsprechen den Normen IEC 60599 und IEEE C57.104 und verlängern die Lebensdauer und Betriebssicherheit des Transformators.

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