Zabezpieczenia typu Buchholza w transformatorach energetycznych

W dzisiejszych czasach, w dobie zaawansowanych technologii cyfrowych, niektórzy specjaliści branży energetycznej bagatelizują znaczenie tradycyjnych zabezpieczeń typu Buchholza. Jednakże, jak pokazuje doświadczenie i badania, te zabezpieczenia nadal odgrywają kluczową rolę w niezawodnej eksploatacji transformatorów energetycznych. Niniejszy artykuł ma na celu przypomnienie o istotności zabezpieczeń Buchholza oraz konieczności ich regularnych badań i konserwacji.

Działanie zabezpieczeń typu Buchholza
Zabezpieczenia gazowo-przepływowe typu Buchholza są mechanizmami ochronnymi, instalowanymi na rurociągach łączących kadź transformatora z konserwatorem. Ich zadaniem jest ochrona transformatora w trzech głównych przypadkach:

Wewnętrzne zwarcia w kadzi transformatora.

Wydzielanie gazów w wyniku rozkładu termicznego izolacji stałej.

Obniżenie poziomu oleju na skutek wycieków.

Pierwszy stopień zabezpieczenia

Pierwszy stopień zabezpieczenia Buchholza reaguje na obniżenie poziomu oleju wewnątrz zabezpieczenia. Może to być spowodowane wyciekami z kadzi lub, znacznie częściej, zbieraniem się gazu pod górną pokrywą zabezpieczenia. Wydzielanie się gazu jest zazwyczaj efektem rozkładu izolacji, choć mogą istnieć inne przyczyny, takie jak pojawienie się gazów nagromadzonych w kadzi podczas napełniania jej olejem czy nagłe ochłodzenie transformatora.

Opadnięcie pływaka i uruchomienie pierwszego stopnia zabezpieczenia wymaga zgromadzenia 100-300 cm³ gazu. Proces ten jest najczęściej powolny, a wydzielający się gaz pochodzi głównie z rozkładu izolacji. Pierwszy stopień zabezpieczenia nie powoduje automatycznego wyłączenia transformatora, lecz jedynie uruchomienie sygnalizacji alarmowej. Aby zweryfikować przyczynę alarmu, przeprowadza się testy gazu, sprawdzając jego palność oraz przeprowadza się analizę chromatograficzną gazu rozpuszczonego w oleju.

Drugi stopień zabezpieczenia
Drugi stopień zabezpieczenia Buchholza uruchamia się w przypadku gwałtownego przepływu gazu lub oleju przez rurociąg prowadzący do konserwatora. Przepływ ten, o prędkości około 50 cm/s (co odpowiada przepływowi około 2300 cm³/s), jest zazwyczaj wynikiem wewnętrznego zwarcia. Aby wywołać działanie drugiego stopnia zabezpieczenia, konieczne jest wydzielenie mocy rzędu 30 kW w miejscu zwarcia, co generuje około 75 cm³ gazu na kilowatosekundę energii traconej w zwarciu.

Drugi stopień zabezpieczenia powinien działać z możliwie najmniejszym opóźnieniem, które zgodnie z krajowymi przepisami nie powinno przekraczać 0,3 s przy przepływie oleju dwukrotnie większym niż dolna granica zadziałania.

Rodzaje uszkodzeń, przed którymi chroni zabezpieczenie typu Buchholza
Zabezpieczenia typu Buchholza chronią transformatory przed różnymi rodzajami uszkodzeń:

Zwarcia wewnętrzne
Wewnętrzne zwarcia w kadzi mogą być zwarciami na wyprowadzeniach uzwojeń, zwarciami zwojowymi oraz zwarciami pomiędzy uzwojeniem a kadzią. Zwarcia te prowadzą do zniszczenia izolacji, przewodów, a niekiedy i rdzenia, powodując znaczny wzrost ciśnienia wewnątrz kadzi i generując gazy rozkładu oleju.

Wzrost strumienia w rdzeniu
Współczesne transformatory pracują blisko poziomu nasycenia rdzenia. Wzrost indukcji w rdzeniu może prowadzić do nasycenia, zmieniając przepływ strumienia i zwiększając jego część zamykającą się przez powietrze. Powoduje to powstawanie prądów wirowych i nagrzewanie elementów konstrukcyjnych, co może prowadzić do uszkodzeń izolacji przewodów i skrócenia żywotności transformatora.

Przegrzanie uzwojeń
Energia wydzielana na rezystancji uzwojeń powoduje wzrost temperatury wewnątrz kadzi. Przegrzanie może być spowodowane przeciążeniem prądowym lub zmniejszeniem intensywności chłodzenia, np. na skutek wyłączenia pomp wymuszających obieg oleju.

Znaczenie okresowych badań zabezpieczeń Buchholza
Regularne badania zabezpieczeń typu Buchholza są kluczowe dla zapewnienia ich niezawodności. Kontaktrony, będące integralną częścią tych zabezpieczeń, z czasem mogą ulegać uszkodzeniom wskutek zalewania olejem transformatorowym. To zjawisko jest wynikiem przenikania oleju przez mikropory w szklanych rurkach kontaktronów. Uszkodzenia te mogą prowadzić do poważnych awarii transformatorów, jeśli nie zostaną wcześnie wykryte.

Doświadczenia eksploatacyjne wskazują, że opisane uszkodzenia kontaktronów zdarzają się zwykle po trzech latach od momentu napełnienia zabezpieczenia olejem. Warunki eksploatacji transformatora, takie jak stopień obciążenia, częstotliwość przeciążeń i występowanie zwarć, mają istotny wpływ na proces zalewania kontaktronów olejem. Zabezpieczenia eksploatowane w umiarkowanych warunkach mogą działać bez awarii nawet przez 10 lat.

Pomimo rozwoju nowoczesnych zabezpieczeń cyfrowych, zabezpieczenia typu Buchholza nadal odgrywają kluczową rolę w ochronie transformatorów energetycznych. Regularne badania tych zabezpieczeń są niezbędne do zapewnienia ich skuteczności i niezawodności. Zaniedbanie tych badań może prowadzić do poważnych i kosztownych awarii transformatorów.

Decyzje podjęte przez PSE S.A., takie jak wyposażenie wszystkich transformatorów w zabezpieczenia firmy Barleben oraz cykliczne badania co trzy lata, są krokiem w dobrą stronę. Niemniej jednak, te decyzje powinny być wprowadzone do odpowiednich rozporządzeń, aby zapewnić ich powszechne przestrzeganie.

W celu zapewnienia podstawowych warunków technicznych do skutecznej ochrony transformatora, niezbędne jest wyposażenie go w niezawodnie funkcjonujące zabezpieczenie typu Buchholza, z uwzględnieniem jakości wykonania samego urządzenia, jego instalacji oraz przeprowadzania okresowych badań kontrolnych w laboratorium specjalistycznym.

Dbanie o regularne badania i konserwację zabezpieczeń typu Buchholza to inwestycja, która przynosi ogromne korzyści w postaci niezawodnej i bezawaryjnej eksploatacji transformatorów energetycznych.