Los transformadores de potencia llenos de líquido suelen contener miles de litros de aislamiento inflamable. Cuando este aislamiento se rompe, existe un alto riesgo de falla del transformador que podría poner en peligro la vida humana, generar riesgos ambientales y destruir activos valiosos. Debido a que las pruebas en vivo que involucran arcos son costosas y potencialmente peligrosas, las simulaciones numéricas son una alternativa útil para estudiar fallas en una amplia gama de transformadores.

Dado que los bujes son fuentes comunes de falla del transformador, examinamos el papel de implementar un sistema de despresurización rápida del transformador en dos diseños de transformadores simulados, con protecciones localizadas en la región de la torreta del buje, para asegurar que el transformador sea robusto a los arcos internos.

1. Introducción

Los transformadores de potencia llenos de líquido suelen contener miles de litros de aislamiento dieléctrico inflamable. Cuando este aislamiento se rompe, el cortocircuito resultante desencadena una cadena de reacciones químicas que producen una mezcla de gases combustibles como el acetileno y el hidrógeno. La formación repentina de gas puede presurizar rápidamente el tanque del transformador más allá de su capacidad de resistencia a condiciones donde la falla estructural catastrófica es inminente.

La explosión de un transformador no solo le cuesta a la industria energética pérdidas financieras sustanciales, sino que también puede poner en peligro la vida humana y la seguridad ambiental. Un informe de la encuesta de 2015 sobre la confiabilidad del transformador realizado por CIGRE encontró que las tasas anuales de falla del transformador son en promedio de aproximadamente 1%, con tasas superiores al 1.3% por año para las clases de transformadores de potencia de alto riesgo [1].

Entre las diversas causas raíz reportadas, las fallas relacionadas con los bujes son fuentes frecuentes de incendio y explosión de transformadores. El mismo documento CIGRE de 2015 concluyó de una encuesta de 675 fallas importantes de transformadores con clases de voltaje de al menos 100 kV que los bujes fueron la fuente de falla para el 48.5% de los casos que resultaron en explosión o incendio, por lo que se conoce el origen de la falla.

2. El sistema de despresurización rápida del transformador

Figura 1. Sistema de despresurización rápida del transformador, incluida la protección de la torreta del buje.

La tecnología de protección estudiada, el PROTECTOR DE TRANSFORMADOR (TP), se muestra en la Figura 1. Esta tecnología es consistente con la Recomendación NFPA 850 publicada en 2015 [2] sobre los sistemas de despresurización rápida de transformadores, cuyo objetivo es mitigar las fallas de los transformadores debido a un arco interno .

El sistema de despresurización rápida del transformador incluye:

1. Conjunto de despresurización de tanque (DS), que incluye una cámara de descompresión;
2. Torreta de transformador o conjunto de despresurización de buje;
3. Tanque de separación de petróleo y gases explosivos y evacuación de gases explosivos a un área remota;
4. Inyección de nitrógeno para evacuar todos los gases explosivos contenidos en el tanque del transformador antes de abrir el tanque para la reparación del transformador.

Un transformador instalado sistema de despresurización rápida se muestra en la Figura 2.

El conjunto de despresurización de la torreta del buje, marcado como parte 2 en la Figura 1, está rodeado en verde en la Figura 2. Debido a que los bujes son fuentes comunes de falla del transformador, y considerando que las torretas del buje incluyen elementos de alto voltaje en una región geométrica restringida, examinamos el papel de desplegar conjuntos de despresurización ubicados estratégicamente en las torretas de los bujes para mitigar el daño al tanque del transformador durante los arcos internos. Se estudian dos diseños de transformadores separados para garantizar que los resultados presentados sean suficientemente generales.

Figura 2. Instalación de un sistema de despresurización rápida de transformador, que incluye protección de torreta de buje

El cortocircuito en un transformador conduce a una repentina formación de gas, que puede presurizar rápidamente el tanque más allá de su capacidad de resistencia a las condiciones donde la falla estructural catastrófica es inminente. La explosión no solo le cuesta a la empresa pérdidas financieras sustanciales, sino que también puede poner en peligro la vida humana y el medio ambiente.

3. Modelos de transformadores estudiados

Utilizamos dos grandes transformadores de potencia como modelos para comprender el comportamiento típico asociado con la despresurización de los tanques. El primer transformador es un transformador de núcleo trifásico de 166.7 MVA, que llamaremos Modelo A, y el segundo es un transformador de núcleo trifásico de 363 MVA, que llamaremos Modelo B. El dibujo asistido por computadora ( CAD) la geometría y la malla tetraédrica se muestran en la Figura 3 para el Modelo A, y en la Figura 4 para el Modelo B. Las ubicaciones de los arcos simulados se resaltan en las mismas imágenes. El modelo A tiene una configuración de protección de un conjunto de despresurización vertical (VDS) de 250 mm de diámetro en el tanque principal y tres conjuntos de despresurización de torreta de buje de 200 mm de diámetro (BTDS) para cada torre de buje de alto voltaje. Debido a la mayor potencia nominal, el Modelo B tiene una configuración de protección de dos VDS de 300 mm en el tanque principal y tres BTDS de 250 mm de diámetro para cada torreta de buje de alto voltaje.

Hemos examinado cómo evitar daños al tanque del transformador durante los arcos internos mediante el despliegue de conjuntos de despresurización ubicados estratégicamente en las torretas de los bujes.

El TP funciona dentro de los 9 ms del inicio del arco, despresurizando los transformadores rápidamente y manteniendo la presión de forma segura por debajo del límite de resistencia del tanque de 1 a 2 bar.

4. Método numérico

Utilizando un software definido y validado en [3] y [4], se estudian las presiones de fluido posteriores al cortocircuito en estos transformadores modelo. Este software de simulación resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes de un sistema de fluido compresible bifásico utilizando una metodología de volumen finito con un solucionador Godunov para calcular las soluciones a los problemas de Riemann. Las soluciones se basan en un conjunto reducido de cinco ecuaciones, que representan la advección de la fracción de fase gaseosa y ecuaciones de conservación para las densidades de ambas fases, el momento de la mezcla líquido-gas y la energía total de la mezcla [5] .

Dentro de este modelo, las fases gaseosa y líquida dentro de una célula tetraédrica se relajan infinitamente rápido a un equilibrio local de presión y velocidad [6]. Las relaciones termodinámicas entre la energía interna, la densidad y la presión se calculan suponiendo que la ecuación de gas ideal se cumple para la fase de vapor y la ecuación de gas rígido se mantiene para la fase líquida. La ecuación de estado de gas endurecido es una ecuación de estado utilizada a menudo en la investigación de explosiones para explicar la compresibilidad de los líquidos a presiones extremas [7].

Se simuló un arco de 10 MJ en ambos tanques, ya que generalmente se considera que es una energía de arco suficiente para romper un tanque transformador, en ausencia de un sistema de despresurización rápida [9]. La duración del arco se establece en cinco ciclos, una escala de tiempo típica para que actúen los interruptores automáticos, que es aproximadamente 83 ms para el transformador A y 100 ms para el transformador B.

5. Resultados

Las presiones promediadas espacialmente calculadas en estos tanques de transformadores se muestran en las Figuras 5 y 6; las presiones localizadas en las torretas de los bujes se muestran en las Figuras 7 y 8; y los contornos de presión tridimensionales se muestran en las Figuras 9 y 10.

Observamos que debido a la operación temprana del TP, dentro de los 9 ms de la iniciación de las condiciones del arco, los transformadores se despresurizan rápidamente y están por debajo del límite de resistencia estática del tanque dentro de una escala de tiempo de aproximadamente 200 ms. Por el contrario, los transformadores desprotegidos alcanzan presiones constantes en exceso de 1 bar, los tanques de transformador de límite estático aproximado están típicamente diseñados para resistir. Este límite de resistencia estática de 1 bar para tanques de transformadores se basa en la Guía CIGRE A2.33 para las prácticas de seguridad contra incendios de transformadores [9], que señala que "los límites de resistencia a la presión estática del tanque [...] generalmente están dentro de 1.0 - 2.0 bar (en la base del tanque) a menos que se haya especificado un diseño especial de tanque de mayor resistencia ”. Para el transformador A, las presiones constantes fueron de aproximadamente 45 bares, y para el transformador B, las presiones constantes alcanzaron casi 70 bares. Estas presiones son lo suficientemente grandes como para romper el tanque del transformador.

Según la evidencia anecdótica observada en el campo, consideramos que una tecnología de protección que despresurice un transformador dentro de esta escala de tiempo de 200 ms evitará la ruptura catastrófica del tanque y los incendios posteriores. Por lo tanto, utilizando este criterio, las soluciones de protección simuladas serían suficientes para garantizar que el transformador no experimente una explosión y un incendio.

A medida que las presiones en las torretas de los bujes alcanzan valores aún más altos: aproximadamente 50 bares para el transformador A y alrededor de 80 bares para el transformador B, estas ubicaciones tienen un alto riesgo de falla del tanque. Esto puede atribuirse a la región geométrica restringida, permitiendo que las presiones se localicen. Aunque se simuló que los arcos estaban relativamente distantes de los conjuntos de despresurización de la torreta del buje, la proximidad de los conductores de alto voltaje a tierra en estas regiones los convierte en ubicaciones de arco de alta probabilidad. Además, la falla en la región de la torreta del buje es muy probable que conduzca a una falla posterior en los casquillos.

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

Figura 8. Presión en torretas de buje para transformador modelo B de 363 MVA, arco de 10 MJ

Debido a una salida de aceite mucho más baja y una despresurización más lenta del tanque, el PRD no es tan efectivo como el TP para prevenir la ruptura, dado un arco de 10 MJ

5.4 Resultados:

Comparación con el dispositivo de alivio de presión (PRD) Debido a que no hay estándares para el rendimiento de despresurización de líquidos para un PRD en un transformador de potencia, el rendimiento del gas se utiliza como un proxy. Específicamente, se puede hacer un argumento de conservación de energía relacionando el cambio en la energía cinética del petróleo con la diferencia de presión a través del PRD, ya que las fuerzas viscosas son insignificantes en comparación con el gradiente de presión y las fuerzas de inercia en este espacio de parámetros. Esto implica que la velocidad de salida fluye de forma inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad.

El estándar IEEE C57.156 [8] tiene velocidades medidas para la salida de gas que consideraremos como límites superior e inferior del rendimiento del PRD. Para traducir estas medidas a un transformador lleno de líquido, multiplicamos las velocidades especificadas con la relación de la raíz cuadrada de la densidad del aire, a una temperatura de 298 K y una presión de 1.01 bares, a la densidad del aceite, 850 kg / m3. Debido a que estas mediciones se realizan para diferencias de presión limitadas, esto debe considerarse solo un análisis preliminar.

Los resultados en las Figuras 11 y 12 muestran que el flujo de salida asociado con el TP es al menos varias veces mayor que el flujo de salida asociado con todos los PRD para cada tanque de transformador. Observamos que para el transformador más grande, solo se muestran los primeros 50 ms de flujo, ya que la evolución posterior del tiempo puede no tener en cuenta el flujo de regreso al tanque. El rendimiento más bajo puede atribuirse a la inercia asociada con el resorte PRD y al área de flujo más pequeña.

Concluimos que debido a que el flujo de salida de aceite mucho más bajo no conduciría a una despresurización rápida del tanque del transformador, el PRD no es suficiente para evitar la ruptura en estos tanques del transformador, dado un arco de 10 MJ.

Conclusión

Las simulaciones de aumento de presión dentro de un transformador trifásico de 166.7 MVA y un transformador trifásico de 363 MVA se han utilizado para evaluar estrategias efectivas de mitigación de ruptura del tanque, dado un arco típico de alta energía de magnitud 10 MJ. Como estas simulaciones tienen un alcance limitado, es decir, no modelan todos los posibles escenarios de arco ni consideran la energía absorbida por la estructura del tanque del transformador a través de las deformaciones y vibraciones de la pared, estas conclusiones deben considerarse una guía representativa de una situación de arco típica y un Demostración cualitativa de las marcadas diferencias entre un tanque sellado sin protección contra explosión de transformador y el mismo tanque equipado con un sistema de despresurización rápida.

Con base en las simulaciones, podemos concluir que los transformadores sin el sistema de despresurización rápida mostraron un aumento sostenido en las presiones del tanque muy por encima del umbral de seguridad esperado de 1 bar. Las presiones de estado estacionario finales calculadas para el tanque sin dispositivos de prevención de explosión fueron mucho mayores que 10 bar, presiones suficientemente altas para conducir a la ruptura del tanque ya que los tanques de transformador están diseñados para soportar presiones constantes de solo 1 bar. Las presiones fueron más altas para la región de la torreta del buje que el tanque principal, lo que indica una posible falla del buje. Para los mismos modelos de arco, los tanques del transformador simulados con el sistema de despresurización rápida mostraron que todos los conjuntos de despresurización se activaron 9 ms, mucho antes de la duración del arco.

En el transcurso de la despresurización, las presiones transitorias máximas dentro del tanque disminuyeron al menos en un factor de dos. Finalmente, el sistema de despresurización rápida despresurizó los tanques a niveles seguros dentro de aproximadamente 200 ms, una escala de tiempo consistente con la prevención de la ruptura del tanque según la experiencia del fabricante. En resumen, el sistema de despresurización rápida del transformador, incluidos los conjuntos de despresurización del tamaño apropiado y ubicados cerca de las torretas de bujes de alto voltaje, es una herramienta eficaz para reducir el riesgo de explosión e incendios del tanque del transformador.

Referencias

[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