rendszerrel felszerelt transzformátor meghibásodásának elemzése

Átírás

1 SERGI TP robbanás és tűzmegelőző ő rendszerrel felszerelt transzformátor meghibásodásának elemzése Csépes Gusztáv Diagnostics Kft. XIII. Szigetelésdiagnosztikai Konferencia Mórahalom, október

2 Tartalomjegyzék 1. Bemutató előadás célja 2. Trafó robbanás és tűzvédelem SERGI TP vel 3. TP vel felszerelt trafó meghibásodása 3.1. Háttér információk 3.2. Meghibásodás folyamatának leírása 3.3. Meghibásodás előtti vizsgálati eredmények 3.4. Meghibásodás, TP működésének eredménye 4. Konklúziók 2

3 Bemutató előadás célja Röviden bemutatni a TP (TRANSFORMER PROTECTOR) trafó robbanás és tűzvédelmi berendezés hatékonyságát egy trafó meghibásodáson keresztül. Az előadás alapján látható, hogy a TP betöltette a feladatát, mert egy igen nagy ívenergiával járó belső zárlat esetén is teljesen lecsökkentette a belső nyomást, a trafó nem robbant fel, az esemény nem járt tűzzel, ígyelkerülhető volt a környező berendezések sérülése, ill. emberélet veszélyeztetése. 3

4 Transzformátor robbanások 4

5 Trafó robbanáson és kiégésen túlmenően a környező berendezések is károsodnak. 5

6 Hagyományos transzformátor tűzvédelem: tűzfal, tűzoltó rendszer, stb. 6

7 Röviden a SERGI Transformer Protector (TP) rendszerről Gyors nyomáscsökkentő rendszer: egy passzív mechanikai rendszer, amelyet a transzformátorban fellépő villamos zárlat okozta nagy nyomás néhány ms múlva történő té ő csökkentésére é terveztek. t A TP néhány milliszekundum alatt csökkenti a nyomást, ezáltal elkerülhető a robbanás és az azt követő tűz. 7

8 STANDARD TRANSFORMER PROTECTOR (TP) TP The Components 1. Vertical Depressurization Set (VDS) 2. OLTC Depressurization Set (OLTC DS) 3. Slice Oil-Gas Separation Tank (SOGST) 6 4. Explosive Gases Evacuation Pipe (EGEP) 5. Air Isolation Shutter 6. TP Cabinet 7 7. Inert Gas Injection Pipe (IGIP) 8

9 Villamos ív Túlnyomásos gázbuborék Dinamikus nyomáscsúcs tovaterjedése 9

10 Villamos ív Túlnyomásos gázbuborék Dinamikus nyomáscsúcs tovaterjedése 1 TP működés Gyors olajkiürítés a tankban gyors nyomáscsökkenést okoz (milliszekundumokon belül) 10

11 Villamos ív Túlnyomásos gázbuborék Dinamikus nyomáscsúcs tovaterjedése TPműködés Gyors olajkiürítés a tankban gyors nyomáscsökkenést okoz (milliszekundumokon belül) Robbanó gázok visszamaradnak A tekercsek olvadó részei még gázokat fejlesztenek Inert gáz befecskendezés Robbanógázok kiürülnek, a megolvadt részek lehűlnek (~ 45 perc) A transzformátor biztonságos és kész a javításra 11

12 TP néhány ms alatt csökkenti a nyomást, így elkerülhető a robbanás és az azt követő tűz. 120 ms múlva TP nélkül TP vel Pressure (gauge) (psi) (bar) 120 ms múlva TP nélkül, max. nyomás 14 bar TP nélkül, max. nyomás 14 bar és a sztatikus nyomás 7 bar körül alakul ki. a tank felrobban felrobban a tank 120 ms múlva TP vel, az első dinamikus nyomás csúcs aktiválta a TP t ms on belül, mielőtt a sztatikus nyomás kialakult volna a tank ép maradt 12

13 TP esetén a dinamikus nyomásnak a tank ellenáll, majd TP működése után néhány ms alatt a nyomás lecsökken, így elkerülhető a robbanás és az azt követő tűz. 13

14 Transzformátor üzemzavar helye: Hőerőmű alalállomás, Mexikó, Mazatlan C.T. Jose Aceves Pozos (tengerpart) 14

15 Esemény: TP vel felszerelt transzformátor belső zárlata A meghibásodott trafó főbb adatai: Hőerőmű alalállomás: Mexikó, Mazatlan (tengerparti) Trafó neve: U1 főtrafó (generátor set up trafó) Gyártó: Jeumont Schneider Névleges feszültségek: 15kV/230kV (60Hz) Névleges teljesítmény: 180MVA (meghibásodáskor 153MW) Trafó gyártási átáiszáma/éve: / 1974 TP felszerelés időpontja: augusztus 3. Földzárlat az U1 főtrafó NF 230kV B B fázis Meghibásodás időpontja: június 16 án (35 éves) 15

16 Trafó főbb adatai 16

17 Trafó főbb adatai 17

18 Meghibásodás rövid leírása - A trafó 153 MW teljesítménnyel üzemelt, amikor a trafó belsejében a 230kV os oldalon a B fázisú átvezetőnél földzárlat lépett fel. A védelem megfelelően működött, 5 perióduson belül (60Hz, 1 periódus 16, ms, 5 periódus 83,33 ms) lekapcsolta a hálózati oldalt. Nem volt generátor oldali megszakító, a maradék mágnesség miatt a generátor rátáplált a zárlatra, a zárlati áram a zárlat kezdete után 1.2 s múlva még A volt. A szigetelőolajban lévő ív okozta belső túlnyomás miatt az átvezető kilőtt a tartályból. A robbanás és tűzvédelmi rendszer (TP) sikeresen működött, ezáltal nem keletkezett tűz és nem okozott további sérüléseket az átvezető hiba. A jelentős zárlati áram következtében fellépő nagy nyomás mechanikai sérülést és belső elmozdulást okozott a szerkezetben, a tekercsekben és az átvezetőkben, valamint jelentős szennyezéssel járt. 18

19 Az események időrendi sorrendje: 17:14: Operates protection 87GT Ge Tr Group Differential. 17:14: Trip (G1B2). 17:14: Relay 63 TE Buchholz operates. 17:14: Solenoid operated turbine trip U1. 17:14: Trip own services switch 1A :14: Field breaker tripping U1. 17:14: Right intercepting valve closure U1. 17:14: Relay operates on 86 51NTE neutral current. 17:14: Relay operates 86 21G (86B). 17:14: Relay operates 86 VP. 17:14: Trip bolier turbine U1. 17:14: Relay operates (86E) U1. 17:14: Trip bolier turbine U1. 19

20 Az események rövid leírása: 17.40: Generátor trafó csoport diff. védelem működik: 87GT 17.40: ms diff. védelem megszólalásától megszakító kiold 17.40: ms a diff. véd. működésétől Buchholz működés: 63T 17.40: turbina kioldás (51 ms..) Földzárlat a trafó NF2 (középső 230kV os) átvezetőjében, A generátor trafó blokk villamos védelem (87GT differenciál védelem, Buchholz 63T) működött: Maradék áram tovább táplálta a generátort. A védelmek kikapcsolták a megszakítót, a turbinát, és kimenő mezőket. A SERGI TP nél a nitrogén beinjektálás feltétele a villamos védelmi működés és a belső túlnyomás miatti membrán kinyílás. A túlnyomás és villamos védelmek indítják a SERGI TP t. A TP működését bizonyítja a szakadó membrán kinyílása, a nitrogén beinjektálása, a palack alacsony nyomása, a palack kiürülése. 20

21 A meghibásodás során érintett részek leltára NF B fázis (230kV) földzárlat miatti középső átvezető kilövellés NF A fázis (230kV) szélső átvezető: porcellán elmozdulás, olajfolyás NF C fázis (230kV) szélső átvezető: porcellán elmozdulás, olajfolyás NF 0 ponti átvezető: porcellán törés és elmozdulás LV B fázis (15kV) középső átvezető porcellán elmozdulás Kisfeszültségű tekercs: a tekercs ellenállás vizsgálaton nem felelt meg (esemény után) A tartály fedél deformálódott, két csavar eltört, tömítés meghibásodás, olajfolyás NF B fázis (230kV) középső átvezető csatlakozó felső csapja a mechanikai igénybevételtől letört Jelentős szigetelőolaj szennyeződés kifolyás NF tekercs tartó rendszer deformálódott KF tekercs tartó rendszer deformálódott Trafó TP tűzvédelmi rendszer működött: membrán felszakadt, nitrogén palack kiürült Szennyezett olaj folyt a zúzottköves medencébe 21

22 Megjegyzés: A trafó 31 éves üzeme után (2007 ben) B fázisban az eredeti átvezető le lett cserélve, mert olajfolyás volt a mérőelektródánál. Ekkor lett TP is telepítve. Átvezető főbb adatai: Névleges feszültség: 230kV, Névleges áram: 800A, Típus:COT / , Gyári szám: , (Serial No:.01 B 340), Próbafeszültségek: BIL=1050kV, AC=545kV, III. szennyezés osztály, Kapacitások: C1=675pF (tg=0.0333), 0333) C2=17080pF? Átvezető meghibásodási statisztika: trafó meghibásodások analízise: a meghibásodások között az átvezető meghibásodás a második 26% al, a trafó tüzek 48% át okozták az átvezető meghibásodások. 22

23 Meghibásodott 230kV os átvezetőszigetelő adattáblája 23

24 Átvezető vizsgálatok A trafó meghibásodás adatainak elemzése alapján megállapítható, hogy a 2008 as méréskor (zárlat 2009 ben) a C1 kondenzátor veszteségi tényezője 195,% al nőtt, tehát meghaladta a még elfogadható értéket. A 230kV B fázisú átvezetőn 2008 ban volt HOT COLLAR teszt: a veszteség = watt. Megjegyzendő, hogy a veszteség wattban meghaladja az átvételi megengedett határértéket <0.1 watt, közötti vizsgálandónak tkit tekintendő. Tehát az egy évvel a meghibásodás előtt mért nagy átvezető veszteségi tényező átvezető hibához vezetett. Mivel nincs más rögzített adat és külső hiba, és nincs bizonyíték más, a trafó szigetelési rendszerben kifejlődő romboló folyamatra. Feltételezték, hogy az ív eredete a középső fázisú 230kV os átvezető aljából ered. Átvezető teszt %F.P. PLAC CAP. PLAC. % F.P. MED. CAP.MED. H2 C H2 C2 N.I. 17,

25 Egy ugyanolyan típusú trafó, mint a meghibásodott 25

26 NF B fázisú 230kV os átvezető alsó részén keletkezett zárlat, hatására a trafóban belső túlnyomás, az átvezető belső része kirobbant kirobbant a porcelánból, bekötésen lógott. 26

27 NF B fázisú 230kV os átvezető alsó részén keletkezett zárlat, hatására a trafóban belső túlnyomás, az átvezető belső része kirobbant a porcelánból, bekötésenlógott. 27

28 NF B fázisú 230kV os átvezető roncsai a földön, a potenciál vezérlő kondenzátor szigetelése részben elszenesedett és megsérült, a nagy mechanikai igénybevétel miatt csatlakozótörés. 28

29 NF B fázisú 230kV átvezető és a tekercs mechanikai csatlakozója deformálódott és megsérült a nagy igénybevételtől: éte tő amikor a fedél megemelkedett a KF átvezetőkkel együtt, ami deformálta a tekercstartó szerkezetet, a szigetelő és leszorító elemeket 29

30 Szigetelési rendszer zárlat utáni állapota a kisfeszültség oldalon: megemelkedett a fedél, magával vitte a KF átvezetőket, azok deformálták a tekercseket, k így összetört ö a leszorító szerkezet. 30

31 NF B fázisú 230kV os átvezető potenciál vezérlő kondenzátor maradványai: kiégés, átfúródás, zárlati ív talppont szemben a kazánköpeny és az átvezető ő karimával. 31

32 NF B fázisú 230kV os átvezető alsó részén belső cső meghibásodása: földzárlati nyomok a peremtől a tank felé. 32

33 230kV os A és C fázisú átvezetők: elmozdult porcellán, olajfolyás 33

34 NF0 nullponti átvezető eltört porcelánja 34

35 A trafó fedél vastagsága 10mm 35

36 Trafó fedél deformációja, két csavar törése. 36

37 Átvezető szigetelő papír darabjai mindenhova eljutottak 37

38 HGA vizsgálatra vett jó és szennyezett olajminta. 38

39 SERGI Transformer Protector (robbanás és tűzvédelmi rendszer) vezérlő panelje a működést jelző LED el 39

40 SERGI PT: nitrogén palack: kiürült a palack, a nyomása 0 40

41 SERGI TP: a zárlat miatt felszakadt membrán és az elégett szigetelőpapír 41

42 SERGI TP: a zárlat miatt felszakadt membrán és az elégett szigetelőpapír 42

43 Rupture Disc felrepedés után: egy szektor a helyén maradt 43

44 Átvezető szigetelőpapír maradványai az Ruptere Disk ben (RD) A főbb megfigyelések: tank deformáció, hibás átvezető szigetelőpapír égett darabjai mindenütt megtalálhatók voltak a trafóban és a TP ben is, Oil Drain Pipe (ODP), Oil Gas Separation Tank (OGST) 44

45 Röviden a konzervátor elzáró szelepről (shut off valve, shutter) Ez a szelep a tank és konzervátort összekötő ő csőbe kerül ülbéíé beépítésre. Tipikusan flap valve, rugós csapó szelep, rugó által részlegesen nyitott állapotban. Így az olaj mindkét irányban folyhat, ahogy a hőmérséklet változás kívánja. De ha abnormális folyás lép fel a konzervátortól a tank felé, a szelep lezár és jelzést ad. Ilyen esemény az is, ha a tank felszakad. Ez fontos lezárás, mert megakadályozza, hogy a konzervátorból az átvezető vagy egyéb helyek felé folyjék az olaj és tűzhöz vezessen. Bár ez az elzáró szelep koncepció nagyon jó, az a tapasztalt, hogy nagyon nehéz biztosítani a következetes működést az előírt olajfolyásnál (nem túl magas, nem túl alacsony), a forgalomban lévő ő szelepek eléggé é szórnak, a működés függ a felszerelés szögétől, az olaj szintjétől. A Rupture Disk (RD) )f felszakadt, így a szelepnek le kellett volna zárni,, de az elzáró szelep nyitott volt: nem zárt vagy újra kinyílt. 45

46 Röviden a konzervátor elzáró szelepről (shut off valve, shutter) A TP shutter (gyári száma: 3.251/04) az esemény után nyitva volt. A TP vezérlője nem volt összekötve a SCADA rendszerrel, így nem tudhatjuk a TP pontosaktiválási idejét, valamint nem tudjuk a Rupture DiskBurst Indicator (RDBI) mikor indult (mikor szakadt a membrán), ezért a Shutter Signal nem került rögzítésre. Most már nem fogjuk megtudni, hogy a Shutter nem zárt be, vagy bezárt és újra kinyitott. Mint a fényképeken is látható, nagy darab papírokat találtak a trafóban mindenütt, ami lassította az áramlást a Shutter (záró szelep) beállítási pontja alatt. Ez végső ő soron magyarázhatná áh áaz elzáró láószelep nyitott állapotát. á Mivel volt ilyen probléma Mexikóban 2008 ban és 2009 ben is, a SERGI javasolja j hogy az elzáró szelep öt évenkénti karbantartásakor a Shutter Flap Spring cseréjét a korrekt működés céljából. 46

47 A TL 34 konzervátor záró szelep nem működött (?) 47

48 A TL 34 előtt lévő manuális zárású szelepet kézzel kellett elzárni, mivel nem megfelelően működtette a TL 34 es szelepet. 48

49 Pressure relief valve (PRV) túlnyomás szelep megfelelően, olajfolyás nélkül működött. 49

50 A trafóból kiömlött olajjal szennyezett kövek eltávolítása, a terület megtisztítása. 50

51 A rövidzár alatt keletkezett energia számítása A rövidzár időtartama 120ms, az áram A, a feszültség 9.730kV, az energia E=13,35MJ, azaz nagyon nagy érték, főleg azért mert hosszú volt az ív időtartama. Egyértelmű, ű hogy pusztítóbb lett volna a trafóra nézve, ha a TP nem működik. Bár nem volt rögzítve a RD felszakadása (nem volt összeköttetés a SCADA rendszerrel), nyilvánvaló, hogy RD és TP is megfelelően működött, mert a trafó nem robbant fel és nem lett tűz. Ha az átvezető dómok is védve lettek volna a TP vel, a tank fedél nem görbül volna el, és nem nyílt volna ki egy kicsit sem. 51

52 HGA vizsgálatok a zárlat előtt csak az etán és etilén haladta meg a határértékeket (IEEE C57.104). Időpont C2H4 etilén C2H6 etán

53 Meghibásodás utáni olajvizsgálatok Cél az olaj analízissel: tudni, milyen állapotok voltak a trafóban zárlat előtt. A táblázatban normál és zárlat utáni mérési eredmények, valamintmax. max. megengedett és kritikus értékek láthatók. Bár az összes gáztartalom kisebb a TP működése után, az éghető gázok dupla annyi értékűek, mint a normál olaj esetén, és két gáz esetén (etilén, acetilén) nagyobbak, mint a kritikus értékek. 53

54 HGA vizsgálati eredmények C2H2/C2H4=0,596: CH4/H2=2,17: C2H4/C2/H6=4,89 HGA vizsgálati eredmények Kiértékelés: Vizsgáló szerint: nincs egyértelmű eredmény Szerintem az IEC szerint D2 (nagy energiájú ívkisülés). 54

55 Zárlat utáni HGA eredményekből rajzolt Duval háromszög A Kiértékelő szerint a Duval háromszöges HGA vizsgálatok nem adtak egyértelmű eredményt, mert valószínűleg szennyezett volt az olaj. Duval szerint is lehetne pontosítani, vagy korrekciós Duval háromszöget megnézni, de szerintem D+T, van, tehát kisülés és nagy hőmérséklet. 55

56 2009 es olaj fizikai kémiai vizsgálatok 56

57 Meghibásodás után 2 nappal villamos vizsgálatok: június

58 Válaszok az szemlén feltett ügyfélkérdésekre Miért deformálódott a trafó fedele? A TP úgy volt telepítve, hogy nem volt semmilyen átvezető dóm védelem. Ha lett volna átvezető dóm védelem, akkor gyorsabb lett volna a működés, akkor elkerülhető lett volna a két csavar szakadása okozta deformáció a fedélen. Elég gyorsan kinyílt az RD? Igen, lásd az előző fejezeteteket. Miért volt a shutter nyitva? Ugyanaz a helyzet mint az RD esetén: a TP nem volt csatlakoztatva a SCADA rendszerhez, így nem tudhatjuk, hogy a shutter, elzáró szelep nem zárt be, vagy bezárt és újra kinyitott. Miért nem volt az átvezető ő dóm védve? A SERGI nek opciós ajánlata az átvezető dómok védelmére, a rendelés időpontjában ezt az opciót nem kérték. 58

59 Tanulságok a meghibásodás után Kinyílt az RD A valós eset tanulmány egyértelműen megmutatta hogy a TP teljesen lecsökkentette a nyomást a trafóban, de jelezte, hogy a nagy nyomás hullám a dómban erősen függ a trafó alakjától, helyzetétől, és a dómok méretétől, az ív energiájától. Erősen ajánlott az ügyfél mérnökeinek, hogy gondosan ellenőrizzék a SERGI által elvégzett kísérleti eredményeket, főleg a numerikus szimulációkat. Átvezető dóm védelme Az átvezető dóm, olaj kábel boksz védelme erősen ajánlott a belső hibák ellen. Mint ebben az esetben látható volt, az átvezető dóm úgy viselkedik, mint egy hullámvezető, helyileg felerősíti a nyomást. Ezért a nyomás csúcs ott koncentrálódni fog és egy nagyon nagy sztatikus nyomás fog flé felépülni. limég TP esetén is, a végrehajtott szimuláció ióazt mutatja, hogy 7 bár nyomáshullám vándorol a dómon keresztül 11Mj energiával, amely közel van ahhoz az energiához amely jelen esetben létrejövő ívből számolhatunk. A TP Vezérlő Boksz bköté bekötése a SCADA rendszerbe A SERGI ajánlja, hogy a TP mindig legyen bekötve a SCADA rendszerbe. Ekkor pontosan lehet tudni, mi történik, ha a TP működik. Jelen esetben láthatjuk, hogy bizonyos adatok hiányoznak és néhány kérdésre soha sem tudjuk meg a választ, pl. az RD nyitási idő most már ismeretlen lesz. 59

60 Konklúziók A TP 2007 ben lett telepítve a trafóra és 2009 ben sikeresen működött. Mint a számítások mutatják az ív energiája 13,35MJ volt, ez nagyon nagy nyomást tud létrehozni a trafóban, valószínű nagyobb volt mint 7 bár. (11MJ ívenergia 7 bár nyomást okoz). A trafó 1,2 bár sztatikus túlnyomást visel el, RD felszakadt, TP működött, a nitrogént gáz beinjektálta a trafóba. Az átvezető meghibásodásoktól származik a trafótüzek nagy része, az itt bemutatott esetben az átvezető eltört, teljesen tönkrement, de a trafó nem fogott tűzet a nitrogén befecskendezéssel működő TP időbeli pontos működésének köszönhetően. Ha nincs TP a trafó felrobban és valószínűleg tűz üt ki. A TP betöltette a feladatát, a trafó nem robbant, ezzel elkerülhető volt a környező berendezések sérülése, ill. emberélet veszélyeztetése. Ha az átvezető dóm is védve lett volna a TP vel, atank fedél nem görbül volna el, és nem nyílt volna ki egy kicsit sem. 60

61 Köszönöm önöm a figyelmet 61

62 Sir Winston Churchill idézet: Nem ígérhetek mást csak vért, erőfeszítést, verítéket és könnyeket! A TP belső zárlat esetén teljesen lecsökkenti a belső nyomást, a trafó nem fog felrobbanni, meghibásodás nem okoz tűzet, így elkerülhető emberélet veszélyeztetése, a környező berendezések sérülése, stb., de a zárlatot már nem teheti meg nem történté, magát a trafót nem menti meg, de csak a javítással kell foglakozni, egyébkén katasztrofális károk is keletkezhetnének. 62

63 1=Repedő membrán beépített Burst Indicator al (RD BI) 2N 2=Nyomáscsökkentő kamra (DC) Explosive Gas Elimination i Pipe (EGEP)

64 Vertical Depressurization Set (VDS Túlnyomás megszüntetése nagy sebességű nyomáscsökkentéssel Az átmérő mindenegyes trafó típusra egyedileg kerül kiszámításra Magában foglal : Isolation Valve (IV) (leválasztó szelep), a Shock Absorber (SA) (lökés gátló), és Vibration Absorber (VA) (rezgés elnyelő) 64