СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПОДАЧИ ВОЗДУХА ИЗ АТМОСФЕРЫ В РАСШИРИТЕЛЬНУЮ ЕМКОCТЬ НАПОЛНЕННЫХ ИЗОЛЯЦИОННОЙ ЖИДКОСТЬЮ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТАНОВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD FOR REDUCTION OF AIR SUPPLY FROM ATMOSPHERE TO EXPANSION VESSEL OF HIGH-VOLTAGE INSTALLATIONS FILLED WITH INSULATING LIQUID AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

Изобретение касается способа уменьшения подачи воздуха из атмосферы в расширительную емкость наполненных изоляционной жидкостью высоковольтных установок. Кроме того, изобретение касается устройства для осуществления этого способа, конструкция которого при первичном запуске в эксплуатацию трансформаторов отличается от конструкции для трансформаторов с уже начавшимся термическим старением.
Высоковольтные установки, например, трансформаторы, для охлаждения наполняются изоляционными жидкостями, например, минеральным маслом. Изменения нагрузки, а также колебания мощностей охлаждающих установок и наружных температур приводят к значительным изменениям температуры и одновременно изменениям объема заливаемого масла. Последние воспринимаются расширительными емкостями, расположенными над трансформаторными баками. В них имеет место непосредственный контакт поверхности масла с атмосферным воздухом. Выравнивание давления относительно атмосферы осуществляется через трубопровод, который на своем конце замкнут осушителем воздуха и масляным затвором. Дополнительно происходит подача воздуха из атмосферы, когда с начавшимся термическим старением в активной части трансформатора расходуется кислород, а также в дегазированных изоляционных жидкостях во время обратного насыщения (первичная подготовка к эксплуатации, ремонтные работы). Хотя эта классическая система перекрытия доступа к атмосфере хорошо зарекомендовала себя в Европе, разработки уходят от нее и приводят к системам перекрытия с перекрытием воздуха, главным образом, для исключения кислорода, но также для того, чтобы избежать затрат на осушение воздуха. Кислород рассматривается в непосредственной взаимосвязи со сроком службы изоляционной системы. Критерии этого отсутствуют, также как и надежные способы анализа для их контроля.
Известные технические решения заменяют непосредственный контакт воздуха разделительными мембранами или включают находящийся в расширительной емкости азот или вакуум. Эти решения обладают следующими недостатками:
- высокие затраты, в частности, при дооснащении;
- дооснащение в отключенном состоянии;
- отсутствие критериев эффективности;
- преднамеренное полное удаление кислорода ограничено пределами технических возможностей.
Так как полная роль кислорода еще недостаточно выяснена, до сих пор обоснованным считается только требование понижения.
Известны технологии, в которых в самом масле предпринимается сепарация активной части. Так, в DE 102005054812 A1 описан расположенный параллельно котлу полый корпус трубчатой формы, который гидравлически соединен с котлом. Внутри него перемещается находящийся в плавающем состоянии уплотнительный поршень, который нагружается, с одной стороны, изоляционной жидкостью заданной электрической прочности залитого в котел изоляционного масла, а с другой стороны, находящимся под действием атмосферного давления изоляционным маслом с любой электрической прочностью, при этом служащее запирающей жидкостью изоляционное масло находится в расположенной над полым корпусом расширительной емкости.
В DE 10035947 B4 описано устройство для сокращения загрязнения жидкостей смесью воздуха и воды. Это устройство состоит из основной емкости, в которой находится источник тепла, который в своей нижней области соединен с расширительной емкостью трубой, которая свободно впадает в окружающую атмосферу. Между чистой и теплой жидкостью образуется стабильный слой тепловой стратификации, который возникает спонтанно под источником тепла у слоя, граничащего с находящейся под ним холодной потенциально загрязненной жидкостью, которая находится в нижней области основной емкости, соединительной трубе и расширительной емкости.
Вышеназванные недостатки относятся и к этим технологиям.
Целью настоящего изобретения является усовершенствовать расширительную емкость, в частности, с непосредственным контактом с воздухом, чтобы добиться продолжительного понижения содержания кислорода и снизить поступление влаги из атмосферы.
Задачей изобретения является создание соединенного с расширительной емкостью высоковольтной установки, не запираемого воздушного буферного пространства, которое ограничит в заданных пределах обусловленное газовым хозяйством системы изоляционной жидкости поступление воздуха из атмосферы, и использовать то, что с начавшимся термическим старением изоляционной системы одновременно расходуется растворенный в жидкости кислород, чтобы таким образом обеспечить понижение содержания кислорода воздуха в расширительной емкости и вместе с тем путем постоянной обратной связи понижать расход кислорода, а также уменьшать поступление влаги.
Для решения этой задачи используются следующие знания о расширительных емкостях, в частности, с непосредственным контактом с воздухом:
- после первичного запуска в эксплуатацию трансформаторов масло в котле за период времени от 6 недель до 18 месяцев достигает насыщения воздухом (критерий NIS),
- концентрация насыщения кислородом воздуха приблизительно 32000 ppm сохраняется в течение многих лет, до тех пор, пока не наступит термический распад изоляционной системы и не начнутся реакции окисления,
- понижение концентрации кислорода в масле не влияет на содержание кислорода в воздушном пространстве расширительной емкости (констатируется только при термических аномалиях), так как происходит быстрое дополнительное поступление из атмосферы.
Задача решается с помощью признаков, представленных в пунктах формулы изобретения. При этом основная идея заключается в том, чтобы использовать внешний дыхательный буфер, на выбор, в комбинации с применением инертного газа.
Предлагаемый изобретением способ отличается тем, что
- до заданного избыточного относительно атмосферного давления газ из расширительной емкости поступает во внешнее буферное пространство,
- до заданного пониженного относительно атмосферного давления газ из внешнего буферного пространства поступает в расширительную емкость,
u
o
- при этом объем буфера определяется одновременно нижней и верхней рабочей температурой (T, T) изоляционной жидкости в высоковольтной установке.
При превышении избыточного относительно атмосферного давления газ из буферного пространства отдается через отверстие трубы в боковой стенке внутреннего бака меньшего размера.
При опускании давления ниже пониженного относительно атмосферного давления воздух поступает из атмосферы через перепускную трубу и отверстие трубы в корпусе внутреннего бака меньшего размера.
В одном из вариантов осуществления для более быстрого и более интенсивного уменьшения подачи воздуха из атмосферы при опускании давления ниже избыточного относительно атмосферного давления в буферное пространство подается инертный газ.
В другом варианте осуществления стабильность газового хозяйства может быть улучшена за счет того, что в буферном пространстве установлены верхний и нижний предел абсолютного давления, вне которых происходит выравнивание давления с атмосферой.
Особое преимущество обеспечивается, когда непосредственно при осуществлении способа расширительная емкость и буферное пространство промываются инертным газом. В качестве инертного газа используется азот.
При уменьшении заливаемого в баки объема изоляционной жидкости сокращается уменьшение подачи воздуха из атмосферы. С другой стороны, при подсоединении нескольких баков через магистральный трубопровод к осушителю воздуха расширительной емкости уменьшение подачи воздуха из атмосферы в расширительную емкость возрастает. То же самое может быть достигнуто, если буферное пространство бака будет увеличено воздухонепроницаемым буферным карманом.
Для подтверждения эффективности уменьшения подачи воздуха из атмосферы измеряется абсолютное содержание кислорода в расширительной емкости.
Способ может применяться как для расширительных емкостей с непосредственным контактом между изоляционной жидкостью и газовым пространством, так и для расширительных емкостей с разделительной мембраной.
Предлагаемое изобретением устройство состоит из наружного закрытого цилиндрического бака, в крышку которого вставлен второй, меньшего размера цилиндрический внутренний бак с крышкой. Этот бак открыт снизу и находится на расстоянии от дна наружного бака. В нижней области боковой стенки находится отверстие трубы, ведущее в верхнюю область компенсационного пространства внутреннего бака. Наружный бак через патрубок соединен с осушителем воздуха расширительной емкости. От компенсационного пространства внутреннего бака горизонтальная труба, которая заканчивается открытым снизу коленом, ведет через боковую стенку наружного бака наружу. В наружном и внутреннем баке содержится изоляционная жидкость в точно рассчитанном заливаемом объеме, так что в наружном баке образуется буферное пространство, а во внутреннем баке компенсационное пространство. На наружном баке предпочтительно в верхней области боковой стенки расположен одноходовой кран. На корпусе наружного бака может быть также расположен поплавковый выключатель, который через клапан соединен с напорной емкостью с инертным газом.
Размер обоих баков, а также заливаемый объем изоляционной жидкости зависят от выбранных рабочих температур, заданных давлений и свойств изоляционной жидкости.
Для увеличения рабочего объема буферного пространства и компенсационного пространства несколько устройств через магистральный трубопровод совместно подсоединены к осушителю воздуха расширительной емкости. Для увеличения буферного пространства оно может быть соединено с буферным карманом переменного объема. В магистральном трубопроводе может быть расположен сенсор давления в комбинации со свободно открывающимся в атмосферу клапаном.
В качестве возможного варианта осуществления наружный и внутренний бак могут быть кубическими или прямоугольными.
В другом варианте осуществления внутренний бак снабжен дном и расположен рядом с наружным баком, таким образом, что одна стенка, в нижней области которой на заданной высоте расположено соединение труб, является общей.
От внешних погодных условий предусмотрена защита от солнечного излучения, а от экстремальных минусовых температур - обогрев.
Устройство в целом не запирается.
Предлагаемый изобретением способ и устройство для осуществления способа обеспечивают следующие преимущества:
- разрушение изоляционной системы вследствие ускоряющих факторов влажности и кислорода может быть ограничено, а срок службы высоковольтной установки увеличен;
- растворенный в жидкости кислород попадает путем конвекции в высоковольтную установку и расходуется с начавшимся термическим старением изоляционной системы, без подачи нового кислорода снаружи;
- при периодическом контроле может быть определен момент инсталляции устройства, который должен наступить не позднее начала термического старения изоляционной системы;
- приобретение и инсталляция очень недороги, не требуется прерывать эксплуатацию для инсталляции;
- эффективность уменьшения количества кислорода может отслеживаться путем анализа газа в расширительной емкости;
- с помощью уровня заполнения устройства изоляционной жидкостью можно изменять эффективность уменьшения количества кислорода;
- совместное подсоединение нескольких устройств и/или соединение устройства с буферным карманом позволяет осуществлять адаптацию к длине расширительной емкости, а также к эффективности уменьшения количества кислорода;
- при применении устройства не требуется технического обслуживания, а также снижается рабочая нагрузка осушителя воздуха на расширительной емкости;
- дозирование инертного газа при снижении давления ниже пониженного относительно атмосферного давления позволяет быстрее и интенсивнее уменьшать подачу воздуха из атмосферы;
- открытая система затвора трансформатора как бы преобразуется в закрытую, при этом в расширительной емкости практически образуется равновесный газ в режиме настоящего времени, что очень интересно для аналитического контроля.
Изобретение поясняется с помощью чертежей. На них показано:
Фиг.1 - схематичное изображение предлагаемого изобретением устройства, подсоединенного к расширительной емкости,
Фиг.2 - вариант осуществления с дополнительными поплавками, а также патрубками для буферного кармана,
Фиг.3 - схематичное изображение нескольких установленных штабелем друг над другом и рядом друг с другом устройств.
На фиг.1 показано схематичное изображение предлагаемого изобретением устройства на расширительной емкости трансформатора, которое подсоединено без возможности запирания. Устройство состоит из наружного закрытого, цилиндрического бака 1, в крышку 2 которого по центру вставлен второй, меньшего размера цилиндрический бак 3. Баки 1 и 3 могут с тем же успехом быть кубическими или прямоугольными. Внутренний бак 3 не имеет дна, находится на расстоянии от на наружного бака 1 и в нижней части боковой стенки снабжен отверстием 4 трубы, которое через трубу 5 ведет в верхнюю часть бака 3. Внутренний бак 3 снабжен собственной крышкой 6.
Боковая стенка бака 1 ниже верхнего края снабжена патрубком 7, а также одноходовым краном 11. На боковой стенке наружного бака 1 в нижней части расположен поплавковый выключатель 12, который через клапан 13 соединен с напорной емкостью с инертным газом. В верхней части боковой стенки внутреннего бака 3 имеется перепускная труба 8, которая ведет горизонтально сквозь корпус наружного бака 1 наружу и открыта вниз.
Крышка 6 бака 3 удаляется, и баки 1 и 3 частично заполняются точно определенным объемом изоляционной жидкости 14, например, трансформаторным маслом, которое может быть выбрано без требований к качеству. При этом в наружном баке 1 над изоляционной жидкостью 14 образуется буферное пространство 15, которое соединено через осушитель 9 воздуха с воздушным пространством расширительной емкости 10 и образует с ней одно целое. В баке 3 над изоляционной жидкостью 14 находится компенсационное пространство 16. Изоляционная жидкость 14 выполняет задачу диффузионного барьера для кислорода между воздухом, находящимся в расширительной емкости 10, и атмосферой. Отверстие 4 трубы 5 служит для осуществления свободного газообмена между буферным пространством 15 и атмосферой, чтобы изоляционная жидкость 14, являющаяся диффузионным барьером, не двигалась. Для увеличения этого эффекта в бак 3 и трубу 5 могут быть помещены покрывающие поверхность изоляционной жидкости поплавки 17. Для усиления диффузионного барьера труба 5 может представлять собой также U-образную трубу 20, которая внизу имеет отверстия 21, а также проходит сквозь бак 1, причем в этом случае там также помещаются поплавки 17 (фиг. 2). Эти поплавки 17 загружаются в бак 1, например, через две крышки 22 в крышке 2. В верхней части корпуса наружного бака 1 расположен патрубок с затвором 25 для подсоединения буферного кармана.
Размеры обоих баков 1 и 3, а также заливаемый объем изоляционной жидкости 14 зависят от выбранных рабочих температур, заданных давлений и свойств изоляционной жидкости.
Наружный бак 1 предпочтительно защищен снаружи от солнечного излучения для уменьшения разности температур в изоляционной жидкости 14. При экстремальных минусовых температурах, кроме того, необходима возможность обогрева. Установка предлагаемого изобретением устройства должна осуществляться горизонтально.
Инсталлированный таким образом бак 1 имеет следующий принцип действия.
u
o
u
o
u
o
Подсоединение наружного бака 1 к осушителю 9 воздуха осуществляется через магистральный трубопровод 18 при установившемся атмосферном давлении и уровне масла в расширительной емкости 10 между воображаемыми отметками U и O, которым соответствуют рабочие температуры T и T, и которые лежат в пределах минимальных/максимальных значений. Магистральный трубопровод 18 включает сенсор 23 давления и клапан 24, который соединен с атмосферой. При изменениях уровня масла в расширительной емкости 10 уровень масла в наружном баке 1 повышается при уменьшении температуры масла в котле в сторону T, или во внутреннем баке 3 при возрастании температуры масла в котле в сторону T. Размеры бака 1 и бака 3, а также заливаемый объем изоляционной жидкости 14 рассчитаны так, что в пределах выбранных рабочих температур T и T давление воздуха в расширительной емкости 10 находится в пределах заданных давлений, которые в оптимальном случае могут лежать в естественном диапазоне колебаний атмосферного давления.
u
o
При температурах, лежащих вне рабочих температур T и T, происходит поступление атмосферного воздуха в наружный бак 1 или, соответственно, отдача воздуха из расширительной емкости 10 через бак 1. Колебания атмосферного давления легко гасятся посредством наружного бака 1.
u
o
u
Для выбора рабочих температур T и T часто достаточно взять за базу наиболее высокую летнюю температуру и наиболее низкую зимнюю температуру масла в котле. При температурах ниже T ограниченная подача воздуха из атмосферы может быть также приемлемой. Поступающий только в небольшом количестве кислород в растворенном состоянии расходуется снова.
o
При нагреве выше температуры T воздух отдается в атмосферу. В соответствии с изобретением при этом в установленных пределах давления имеется саморегулирующаяся естественная система, которая не требует никакого технического обслуживания. Чтобы перекрытие экстремальных значений атмосферного давления с возможными рабочими условиями не привело к увеличению задаваемого только колебаниями атмосферного давления диапазона давлений, давление измеряется сенсором 23. При отклонениях от заданного диапазона давлений выравнивание с атмосферой происходит своевременно через клапан 24.
Суммарная высота масляного столба в наружном баке 1 и внутреннем баке 3 является изменяющимся во времени диффузионным барьером для газов, в частности, для кислорода. Параллельно накоплению воздуха в наружном баке 1 в расширительной емкости 10 происходит постоянный газообмен между воздухом и участвующим в конвекции маслом в котле. Растворенный кислород расходуется с начавшимся термическим старением изоляционной системы в активной части. Благодаря постоянной обратной связи этих процессов содержание кислорода воздуха в расширительной емкости 10 или, соответственно, также в буферном пространстве 15 все более понижается. В результате дополнительное поступление кислорода из расширительной емкости 10 в котел прекращается. Максимальный предел понижения количества кислорода определяется качеством диффузионного барьера.
При более высоких требованиях к быстрому, или, соответственно, более интенсивному понижению содержания кислорода воздуха в расширительной емкости 10 непосредственно с применением способа возможна также промывка расширительной емкости 10 и наружного бака 1 инертным газом, вводимым в заливной трубопровод 19 расширительной емкости 10 через одноходовой кран 11.
Контроль эффективности понижения содержания кислорода может происходить путем проб воздуха из одноходового крана 11.
Критерием эффективности понижения содержания кислорода в расширительной емкости 10 может быть только само абсолютное содержание кислорода в воздушном пространстве. По нему можно делать заключение о содержании растворенного кислорода, не наоборот.
В другом варианте осуществления, в котором при снижении давления ниже заданного пониженного относительно атмосферного давления должно предотвращаться попадание воздуха из атмосферы в буферное пространство 15, инертный газ через клапан 13, который управляется поплавковым выключателем 12 на боковой стенке наружного бака 1, подается в наружный бак 1. При этом подача инертного газа может осуществляться не более чем до достижения избыточного относительно атмосферного давления, что в простейшем случае расчета возможно путем временного ограничения. Так как при этом воздух в систему снаружи не проникает, в частности, сберегается осушитель воздуха.
Этот вариант осуществления предпочтителен для первичной подготовки к эксплуатации и рабочих состояний, при которых имеется дегазированная изоляционная жидкость.
В другом варианте осуществления при понижении давления ниже контролируемого сенсором 23 пониженного относительно атмосферного давления клапан 13 может включаться вместо клапана 24.
Для размера предлагаемого изобретением устройства, показанного на фиг.1, предпочтительно установить оптимизированные стандартные величины. Для расширительных емкостей 10 большего размера возможно совместное подсоединение нескольких устройств, как показано на фиг.1, горизонтально и/или вертикально через патрубки 7 к магистральному трубопроводу 18 перед осушителем воздуха 9 (фиг.3). Альтернативно или дополнительно через патрубок 25 может быть также подсоединен буферный карман.
Возможный, здесь более не показанный вариант осуществления заключается в том, что большего размера закрытый бак через патрубок соединен с осушителем воздуха 9 расширительной емкости 10, а второй, меньшего размера бак, снабжен дном и расположен рядом с наружным баком, так что одна стенка является общей. В общей стенке в нижней области на заданной высоте расположено соединение труб. Изоляционная жидкость в заданном заливаемом объеме содержится в обоих баках, так что в баке большего размера образуется буферное пространство, а в баке меньшего размера компенсационное пространство. В верхней части корпуса или в крышке меньшего бака выполнена перепускная труба, которая согнута и открыта снизу.
Предлагаемый изобретением способ может также применяться для расширительных емкостей с разделительной мембраной.
Перечень ссылочных позиций
1 Наружный бак
2 Крышка
3 Внутренний бак
4 Отверстие трубы
5 Труба
6 Крышка
7 Патрубок
8 Перепускная труба
9 Осушитель воздуха
10 Расширительная емкость
11 Одноходовой кран
12 Поплавковый выключатель
13 Клапан
14 Изоляционная жидкость
15 Буферное пространство
16 Компенсационное пространство
17 Поплавок
18 Магистральный трубопровод
19 Заливной трубопровод
20 U-образная труба
21 Отверстия
22 Крышка
23 Сенсор давления
24 Клапан
25 Патрубок с затвором