CZ9802045A3 - Zařízení pro sníľení kontaminace kapalin plyny a vodou - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro snížení kontaminace kapalin plyny a vodou, které je zvláště vhodné pro snížení kontaminace olejových náplní výkonových transformátorů vzdušnými plyny a vodou.

Dosavadní stav techniky

Stávající řešení snižující kontaminaci kapalin plyny a vodou, lze rozlišit jednak podle principů které využívají a jednak podle stupně ochrany která tato řešení chráněným kapalinám poskytují.

Jedním z příkladů ochrany čistých kapalin známých z technické praxe, je ochrana olejových náplní výkonových transformátorů vůči infiltraci vzdušných plynů a vlhkosti z okolní atmosféry.

Nejznámější a nejčastěji užívaná zařízení se omezují na snížení infiltrace vzdušné vlhkosti do olejové náplně transformátorů pomocí vysoušečů vzduchu. Vysoušeče, ať už na absorbčním nebo vymrazovacím principu, jsou pak obvykle vřazeny do potrubní trasy která spojuje dilatační nádobu transformátoru s okolní atmosférou.

Jiné podstatně účinnější řešení, které je schopno omezit nejen infiltraci vzdušné vlhkosti, ale také infiltraci vzdušných plynů do chráněné olejové náplně, pracuje na principu pružného prvku, obvykle vaku nebo membrány, zabudovaného přímo do dilatační nádoby transformátoru, kterým je oddělena chráněná kapalina od vzdušného okolí.

Dalším relativně novým řešením je snížení infiltrace vzdušných plynů a vlhkosti do transformátoru tzv. termohydraulickým uzávěrem, který je zabudován buď přímo do dilatační nádoby^nebo do potrubí které spojuje horní část nádoby transformátoru se spodní částí dilatační nádoby. Při tomto řešení je využito tzv. vrstvy teplotní stratifikace vznikající v nádobě termohydraulického uzávěru, která odděluje studený a potenciálně kontaminovaný olej z dilatační nádoby od v

horkého oleje v nádobě transformátoru. Tato vrstva se za vhodných podmínek chová jako velmi tenká a dokonale pružná membrána která brání vlastní olejovou náplň transformátoru vůči infiltraci nežádoucích příměsí z okolí. Všechna uvedená řešení a na nich založená zařízení mají některé nedostatky.

Základním nedostatkem všech zařízení, která pouze zabraňují nebo snižují infiltraci vzdušné vlhkosti do transformátoru je skutečnost, že jejich pomocí lze ovlivnit pouze kontaminaci transformátoru vodou a tím i jeho okamžitou spolehlivost. Tato řešení totiž nijak neomezují vnik nežádoucích plynů, především kyslíku, do transformátoru a nejsou tedy schopna potlačit oxidační stárnutí, jak vlastního oleje_ztak především pevných izolantů, které zásadně ovlivňuje dlouhodobou spolehlivost tohoto stroje.

Za hlavni nedostatek tzv. hermetizace transformátoru pomocí vaku nebo membrány zabudované do dilatační nádoby transformátoru lze považovat skutečnost, že toto řešení je relativně nákladné a v provozních podmínkách vyžaduje kontrolu těsnosti pružného elementu. V případě netěsnosti není možno tento element jednoduše opravit a obvykle je nutno vyměnit celou dilatační nádobu.

V případě použití termohydraulického uzávěru, sice odpadají některé nedostatky pružného elementu, protože vrstva teplotní stratifikace se vytváří spontánně na rozhraní horkého a studeného oleje vždy a není ji tedy možno trvale poškodit, ale pro stabilizaci této vrstvy je nutno stále v nádobě termohydraulického uzávěru udržovat dostatečný teplotní rozdíl a současně s ohledem na pokrytí celého rozsahu provozních teplot transformátoru musí být nádoba termohydraulického uzávěru dostatečně objemná. Všechny tyto skutečnosti komplikují jak návrh transformátoru (obvykle je nutno zvětšit jeho tzv. dopravní profil ), jeho případnou úpravu na hermetizovanou verzi a je-li např. nutno stabilizovat vrstvu teplotní stratifikace odsáváním oleje z uzávěru, jsou nutná další přídavná zařízení která komplikují obsluhu a provoz transformátoru.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky podstatně omezuje zařízení pro snížení kontaminace kapalin plyny a vodou, obsahující hlavní nádobu ve které je umístěn tepelný zdroj, která je ve své spodní části propojena potrubím s dilatační nádobou volně propojenou s okolní atmosférou.

Výhodou zařízení podle vynálezu je pak zejména skutečnost, že čistá a teplá kapalina v hlavní nádobě je oddělena stabilní vrstvou teplotní stratifikace, která se spontánně vytvoří pod tepelným zdrojem, od studené a potenciálně kontaminované kapaliny která se nachází ve spodní části hlavní nádoby, propojovacím potrubí a dilatační nádobě.

Existence vrstev teplotní (hustotní) stratifikace v tekutinách je obecně známa a je jí možno pozorovat jak v přírodě, viz. například teplotní inverze v ovzduší, vznik vrstev teplé a studené vody v oceánech a přehradách, tak v technice (např. hustotní rozvrstvení v chemických a jaderných reaktorech atd.).

Účinek těchto vrstev je většinou považován za negativní jev, protože tyto vrstvy jsou velmi stabilní a obvykle velmi účinně brání požadovanému promíchávání tekutin. V zařízení podle vynálezu je tento jev a jeho relativně vysoká stabilita naopak využita pro snížení infiltrace nežádoucích příměsí do chráněné kapaliny.

X' ý

Příkladfeťaktiokébe^provedení vynálezu

Jeden z příkladů praktického provedení zařízení podle vynálezu je znázorněn na připojeném výkrese v obrázku 1, na němž je zařízení podle vynálezu znázorněno jako úprava běžného výkonového transformátoru.

Podle tohoto výkresu sestává příklad provedení zařízení pro snížení kontaminace kapalin plyny a parami zejména, z nádoby^Třansformátoru 1 a z dilatační nádoby 2 situované nad nádoboifiransformátorul, přičemž dilatační nádoba 2 je jednak ve své spodní části připojena na spodní propojovací potrubí 21, které vyúsťuje do spodní části nádoby^íransformátoru 1 , jednak je dilatační nádoba 2 také ve své horní části propojena horním připojovacím potrubím 12 s horní částí nádob/transformátoru l a jednak je vyrovnávacím potrubím 200 propojena s okolní atmosférou.

Do nádoby^transformátoru 1 je zabudován magnetický obvod 100, opatřený vinutím 10 , přičemž z levé horní strany nádoby^íransformátoru 1 je vyveden horní nátrubek 111, který je zaústěn do horní části olejového chladiče 1_1, a současně je ze spodní strany nádob/4ransformátoři?^1 vyveden spodní nátrubek 112 vyústěný do spodní části olejového chladiče 11.

Spodní připojovací potrubí 21 je jednak ve své svislé části opatřeno spodním termoizolačním pláštěm 212 a jednak je do něho zabudováno spodní Buchhoizovo relé 210 , propojené spodním kolenem 211 s vypouštěcím šoupětem 101 situovaným do nejnižší části nádobýíransformátoru 1.

Do horního připojovacího potrubí 12 , jehož pravá svislá větev je zaústěna do spodní části dilatační nádoby 2 a jeho levá svislá větev je opatřena horním termoizolačním pláštěm 122 , je vestavěno horní Buchholzoyo relé 120, spojené horním kolenem 121 s nejvyšší částí nádoby4ransformátoru t

Činnost zařízení podle vynálezu je možno nejlépe popsat porovnáním dějů, které probíhají v olejové náplni u standardně uspořádaného transformátoru a u transformátoru uspořádaného podle vynálezu. Dnes standardní uspořádání transformátoru je schématicky zobrazeno na připojeném výkresu v obrázku 2, zatímco uspořádání transformátoru podle vynálezu je schématicky zobrazeno na výkrese v obrázku 1.

Za normálního provozu je v obou případech olejová náplň nádoby .7 transformátoru ^ohřívána ztrátovým tepelným výkonem magnetického obvodu 100 a vinutí W a ohřátý olej natéká horním nátrubkem 111 do chladiče^bíějell a po schlazení je spodním nátrubkem 112 zaváděn zpět do nádoby transformátoru V|_, znovu obtéká a chladí magnetický obvod 100 a vinutí 10 a ie znovu zaváděn do chladiče*Oleje 1_1

U standardního uspořádání transformátoru na obrázku 2, je za těchto podmínek nádoba ^^transformátoru 1 a dilatační nádoba 2 propojena vyspádovaným potrubím 102 , které je vyústěno z nejvyššího místa nádoby z/ transformátoru^ a ústí do nejnižší části dilatační nádoby 2.

Vzhledem k tomu, že za provozu je v nádobě^řřansformátoru 1 stále magnetickým obvodem 100 a vinutím 10 ohříván olej a olej v dilatační nádobě je současně schlazován atmosférickým okolím, vzniká mezi nádobou transformátoru a dilatační nádobou 2 vždy značný teplotní rozdíl, jehož účinkem stále protéká horní polovinou průřezu potrubí 102 horký olej z nádoby transformátoru do dilatační nádoby 2 , kde se sytí atmosférickými plyny a případně také vlhkostí a současně je (za ustálených podmínek) stejný objem schlazeného oleje odváděn z dilatační nádoby 2 spodní polovinou průřezu potrubí 102 zpět do nádoby^transformátoru 1 a trvale tím kontaminuje její olejový obsah.

V rámci tohoto nežádoucího tzv. termosifonového jevu, pak působí olej jako nosič kontaminujících příměsí z okolní atmosféry do systému transformátoru.

Vrstva teplotní stratifikace 3 , která se spontánně vytvoří pod spodní úrovní spodního nátrubku 112 se v tomto případě při změnách teploty resp. zátěže transformátoru prakticky nepohybuje.

Cílem zařízení podle vynálezu je zásadní potlačení transportu kontaminantů z okolí do chráněné kapaliny v transformátoru. Jak je patrné porovnáním obrázků 1 a 2, je tohoto cíle v zařízení podle vynálezu dosaženo především tím, že v tomto zařízení neexistuje přímé a vyspádované potrubní propojení mezi horní částí nádob/fransformátoru 1 a spodní částí dilatační nádoby 2 , ve kterém by mohl vznikat intenzivní termosifonový jev a odpovídající transport kontaminatů proudy oleje a dále tím, že aktivně využívá vrstvu teplotní stratifikace 3 , která se spontánně vytvoří v nádobě každého transformátoru s olejovou náplní, jako zábrany vůči promíchávání horkého a studeného oleje ve spodní části nádoby transformátoru v průběhu teplotní dilatace olejové náplně transformátoru.

U transformátoru upraveného podle vynálezu je pak transport kontaminantů z okolní atmosféry do oleje v nádobě^transformátoru Ί nad vrstvou teplotní stratifikace 3 realizován pouze difúzí. Nežádoucí příměsi tedy musí prodifundovat ze zdrojového místa tj. dilatační nádoby 2 do chráněné olejové náplně v nádoběPtransformátoru 1 olejovými sloupci ve spodním propojovacím potrubí 21 a horním propojovacím potrubí 12.

Vzhledem jednak k značné délce olejového sloupce v dolním spojovacím potrubí 21 a jednak k malému průřezu olejového sloupce v horním propojovacím potrubí 12 , které je navíc uzavřeno sifonovým uzávěrem vytvořeným svislou částí potrubí 12 ponořenou v délce ΔΗ do olejového obsahu dilatační nádoby 2 , je intenzita kontaminace vyvozená difúzí velmi malá a vůči původnímu transportu kontaminantů vyvozenému termosifonovým jevem prakticky zanedbatelná.

Pro účinné zabránění nežádoucího konvektivního promíchávání oleje ve svislé části dolního propojovacího potrubí 21 , a svislé části horního propojovacího potrubí 12 , které může být vyvozeno vnějším ohřevem odpovídajícího olejového sloupce, jsou obě potrubí opatřena spodním termoizolačním pláštěm 212 a horním termoizolačním pláštěm 122.

Případný únik plynů z nádoby4řansformátoru 1 není zařízením podle vynálezu nijak narušen, protože plyny mohou, po průchodu horním kolenem 121 a horním Buchholzovým relé 120, volně procházet do horního propojovacího potrubím 12 a po probublání olejovým obsahem dilatační nádoby 2 a vyrovnávacím potrubím 200 volně uniknout do okolní atmosféry.

Maximální diference obou hladin ΔΗ zakreslená v obrázku 1 pak odpovídá stavu, kdy z nádoby^třanšformátoru l trvale unikají plyny (generované například poruchou ve vinutí 10 ), shromažďují se v horní části horního propojovacího potrubí 12 a probublávají olejem v dilatační nádobě 2 a posléze unikají z této nádoby do okolí.

Při zvýšení zátěže transformátoru se začne ohřívat olej, kterým je chlazen magnetický obvod 100 a vinutí 10 , na vyšší teplotu a tepelnou dilatací zvyšuje svůj objem. Odpovídajícím nárůstem tlaku je část oleje vytlačována z nádoby-/ transformátoru^ a jednak protéká otevřeným vypouštěcím šoupětem 101 , spodním kolenem 211 , spodním Buchholzovým relé 210 a spodním propojovacím potrubím 21 do dilatační nádoby 2 , kde úroveň hladiny roste a jednak je velmi malý objem oleje protlačován horním kolenem 121, horním Buchholzovým relé 120 do horního propojovacího potrubí 12 , kde úroveň hladiny oleje také roste.

Tento děj se zastaví v okamžiku, kdy se v nádobě transformátoru i stabilizuje teplota olejové náplně na nové vyšší hodnotě a hladiny oleje jak v dilatační nádobě 2 , tak v horním propojovacím potrubí 12 se ustálí například na diferenci ΔΗ , která odpovídá aktuálnímu úniku plynů z nádoby transformátoru.

Vrstva teplotní stratifikace 3 , která odděluje horký a studený olej v nádobě/ transformátoru^, se nyní pohybuje směrem dolů až do dosažení nového ustáleného stavu.

Zařízení podle vynálezu s výhodou využívá prostor ve spodní části nádobyj^ transformátoru mezi dnem této nádoby a úrovní spodního vyústění spodního nátrubku 112 , jako pracovní prostor pro pohyb vrstvy teplotní stratifikace 3 . Tento prostor je totiž svým objemem řádově srovnatelný s objemem dilatační nádoby 2 , jejíž objem je dimenzován na změnu objemu olejové náplně transformátoru vyvozenou teplotním rozdílem vyšším než 10(\C.

Proto při normálních změnách provozní teploty transformátoru tj. 30 - 50jC, které odpovídají například zapínání a vypínání chladicích ventilátorů, se vrstva teplotní stratifikace 3 pouze v tomto prostoru posouvá a její schopnost účinně oddělovat horký a studený olej není těmito změnami nijak dotčena. Protože pod vrstvou teplotní stratifikace 3 , ve spodním propojovacím potrubí 21 a v dilatační nádobě 2 , má olej prakticky teplotu okolí a teplotní změny transformátoru jsou velmi pomalé, nedochází při průtoku studeného oleje spodní propojovacím potrubím 2Ί k žádnému procesu promíchávání, ať už vlivem teplotních rozdílů_;nebo vlivem turbulence a tím ani k adekvátnímu intenzivnímu transportu kontaminantů. Studený olej deponovaný pod vrstvou teplotní stratifikace 3 se pouze při nárůstu teploty nad touto vrstvou pomalu „přesouvá“ spodním propojovacím potrubím 21 do dilatační nádoby 2 a naopak při poklesu teploty stejně pomalu natéká zpět do nádoby^ransformátoru 1.

V případě velkých teplotních změn olejové náplně transformátoru může sice dojít k poklesu vrstvy teplotní stratifikace 3 až do úrovně spodního Buchholzova relé 210 , a k průtoku teplejšího oleje spodním propojovacím potrubím 21 do dilatační nádoby 2 , ale tento děj má vždy dočasný charakter a po ustálení teploty transformátoru vždy dojde k rychlému spontánnímu obnovení vrstvy teplotní stratifikace 3 a oddělení horkého a studeného oleje.

Analogicky, při poklesu zátěže transformátoru, začne teplota olejové náplně v v horní části nádob/íransformátoru 1 klesat a úbytek objemu oleje vyvozený dilatací, je vyrovnáván nátokem oleje z dilatační nádoby 2. Vrstva teplotní stratifikace 3 nyní v nádobě transformátoru 1 stoupá.

Při značném poklesu teploty oleje v nádobě transformátoru 1. , může vrstva teplotní strafifikace 3 teoreticky stoupnout až nad úroveň spodní hrany spodního nátrubku 112 a může dojít k její interakci s proudem schlazeného oleje který vytéká ze spodního nátrubku 112 . Vzhledem k značné stabilitě vrstvy teplotní stratifikace 3 je dynamickým účinkem proudu oleje dosud dokonale rovinný povrch této vrstvy zvlněn, ale k intenzivnímu směšování teplejšího oleje nad vrstvou teplotní stratifikace 3 se studeným olejem pod touto vrstvou obvykle nedochází.

V případě vypnutí transformátoru pak nikdy nedojde k úplnému vyrovnání fcr--¹--teploty po výšce nádoby transformátoru 1 a nastupuje přirozené teplotní rozvrstvení olejového obsahu nádoby^transformátoru l. Vzhledem k tomu, že za těchto okolností olej v nádobě transformátoru''.! obvykle stagnuje, je výsledkem opět velmi pomalá kontaminace olejové náplně difúzí.

Základní výhodou zařízení podle vynálezu je jeho jednoduchost, která dovoluje snadnou a nenákladnou úpravu i stávajících transformátorů s tím, že následné radikální snížení kontaminace jejich olejových náplní atmosférickými plyny a vlhkostí, zvětšuje jejich okamžitou a dlouhodobou spolehlivost.

Další výhodou zařízení podle vynálezu je pak dále skutečnost, že v maximální míře využívá energetických zdrojů a objemových kapacit, které jsou v každém výkonovém transformátoru s olejovou náplní již k dispozici. Ztrátový výkon magnetického obvodu a vinutí je využit jako tepelný zdroj potřebný pro vznik stabilní vrstvy teplotní stratifikace a současně je využita spodní části nádoby transformátoru jako prostor, kde se může tato vrstva volně pohybovat a účinně oddělovat chráněnou kapalinu od okolí i při značných změnách teplot vyvozených například změnou zátěže transformátoru.

Výhodou zařízení podle vynálezu je pak dále zejména to, že neobsahuje žádné mechanicky pohyblivé součásti a nelze je tedy za normálního provozu poškodit a není je tedy nutno ani kontrolovat ani opravovat.

Další výhodou je také skutečnost, že zařízením podle vynálezu nejen že není dotčena funkce standardní ochrany transformátorů_/tj. Buchholzova relé, ale jeho zdvojením je dokonce výrazně zvýšena spolehlivost, citlivost a selektivita této ochrany.

Claims (2)

1. Zařízení pro snížení kontaminace kapalin plyny a vodou sestávající z nádoby transformátoru, dilatační nádoby a propojovacích potrubí vyznačující se tím, že nádoba transformátoru^, je ve své spodní části spodním propojovacím potrubím ^2l) propojena se spodní částí dilatační nádoby a současně je nádoba transformátoru '(Ί) ve své horní části propojena horním propojovacím potrubím ¢12^ s horní částí dilatační nádob^

2. Zařízení podle -bědu 1_fvyznačené tím, že do spodního propojovacího potrubí (%l) je v jeho spodní části zabudováno spodní Buchholzovo relé^2io)a jeho svislá část je opatřena spodním termoizolačním pláštěm^2,12) a že do horního propojovacího potrubí^) je zabudováno horní Buchholzovo relé jeho svislá část nad horním Buchholzovým reléfl2o/ie opatřena horním termoizolačním pláštěm^12^