EP1166297B1 - Device for preventing explosions in electrical transformers - Google Patents
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- EP1166297B1 EP1166297B1 EP00910985A EP00910985A EP1166297B1 EP 1166297 B1 EP1166297 B1 EP 1166297B1 EP 00910985 A EP00910985 A EP 00910985A EP 00910985 A EP00910985 A EP 00910985A EP 1166297 B1 EP1166297 B1 EP 1166297B1
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- H—ELECTRICITY
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/40—Structural association with built-in electric component, e.g. fuse
- H01F27/402—Association of measuring or protective means
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- H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
- H01F27/08—Cooling; Ventilating
- H01F27/10—Liquid cooling
- H01F27/12—Oil cooling
- H01F27/14—Expansion chambers; Oil conservators; Gas cushions; Arrangements for purifying, drying, or filling
Definitions
- the present invention relates to the field of prevention against the explosion of electric transformers cooled by a large volume of combustible fluid.
- Electric transformers suffer losses both in the windings only in the iron part, which require dissipation of the heat produced. So the high power transformers are usually cooled by a fluid such as oil.
- the oils used are dielectric and are liable to catch fire beyond with a temperature of the order of 140 ° C.
- the transformers being very expensive elements, their protection requires attention special.
- An insulation fault causes, at first, a significant electric arc which causes an action of the electrical protection which triggers the supply cell of the transformer (circuit breaker).
- the electric arc also causes a consequent diffusion of energy which generates a release of decomposition gas of dielectric oil, especially hydrogen and acetylene.
- Explosions are due to short circuits caused by overloads, overvoltages, a gradual deterioration of insulation, insufficient oil level, appearance of water or mold or failure of an insulating component.
- Document WO-A-97/12379 discloses a method of explosion and fire prevention in a transformer electric with a tank filled with coolant fuel, by detecting a break in the electrical insulation of the transformer by pressure sensor, fluid depressurization cooling contained in the tank, by means of a valve, and cooling the hot parts of the coolant by injection of an inert gas under pressure into the bottom of the tank in order to stir said fluid and prevent oxygen from entering the tank of the transformer. This process gives satisfaction and makes it possible to avoid the explosion of the transformer tank.
- the object of the present invention is to provide a device improved allowing extremely rapid decompression of the tank to further increase the probability of safeguarding the integrity of the transformer, on-load tap-changers and bushings.
- the explosion prevention device is intended for an electrical transformer comprising a tank filled with combustible coolant, and a means of decompression of the transformer tank.
- Way to decompression includes a rupture element provided with a part of reservoir including first zones of reduced thickness compared to rest of the retaining part and capable of tearing without fragmentation during the rupture of said element, and of the second thickness zones reduced compared to the rest of the retaining part and able to bend without tearing when said element breaks.
- the said element of rupture is capable of breaking when the pressure inside the tank exceeds a predetermined ceiling.
- the rupture element is provided with a member sealing on the side of the fluid and capable of sealing holes small diameter formed in the retaining part.
- the holes can form tear caps and be adjacent to the first areas of reduced thickness.
- the member sealing is in the form of a coating on the part of retained, said coating preferably being based on polytetrafluoroethylene.
- the retaining part is domed in shape. outward convexity, opposite to the fluid.
- the part of retainer is metallic, stainless steel, aluminum, or aluminum alloy.
- the device comprises a detection means of rupture integrated into the rupture element, which allows detection pressure in the tank relative to the predetermined ceiling.
- the means of rupture detection comprises an electric wire capable of breaking in same time as the rupture element.
- the electric wire is stuck on the breaking element.
- the electric wire is placed on the side of the retaining part opposite the fluid.
- the electric wire is covered by a protective film.
- the invention also relates to a prevention system against the explosion of an electric transformer including a tank filled with combustible coolant, and a means of decompression of the transformer tank.
- the system includes several devices as described above, including one or more on a main tank containing the windings and one on each on-load changer.
- the system can include at least one device such as described above, on at least one electrical crossing.
- the rupture of the rupture element takes place where the tank decompression, and the wire break where the detection excessive and abnormal pressure.
- the explosion prevention device is suitable for the main tank of a transformer, for the tank of the on-load changers, and for the bushing tank electric, this last tank being also called oil box.
- the electrical bushings have the role of isolating the main tank from a transformer of high and low voltage lines to which are connected transformer windings via rods exit. Each outlet rod is surrounded by an oil box containing a certain amount of isolation fluid. The fluid for isolation of bushings and / or oil boxes is a different oil that of the transformer.
- Nitrogen injection can help evacuation of the fluid downstream of the rupture element.
- the nitrogen injection may especially avoid the entry of air into the oil box, an air inlet being likely to promote fire.
- Explosion prevention device can be fitted a means of detecting the triggering of the supply cell of the transformer and of a control unit which receives the signals emitted by the sensor means of the transformer and which is capable to issue control signals.
- the explosion prevention device can include a means of cooling the hot parts of the fluid, by injection of inert gas at the bottom of the main tank, controlled by a control signal from a control unit. In effect, certain parts of the coolant undergo a heating capable of igniting it. Injection of an inert gas into the bottom of the main tank causes mixing of the cooling which homogenizes the temperature and reduces the gas evolution.
- the element of rupture 1 is circular convex convex on the downstream side and is designed to be mounted on an outlet orifice, not shown, of a tank containing a dielectric fluid.
- the breaking element 1 includes a retaining part 4 in the form of a metallic veil thin, for example stainless steel, aluminum, or aluminum alloy.
- the retaining part 4 is kept tight between two flanges 2, 3 in the form of discs.
- the breaking element 1 comprises, in addition to the retaining part 4, a sealing coating 9 arranged on the upstream side, in other words covering the concave side of the retaining part.
- the coating 9 is based on polytetrafluoroethylene.
- the retaining part 4 is provided with radial grooves 5 la dividing into six portions. Radial ridges 5 are hollowed out in a fraction of the thickness of the retaining part 4 so that a rupture is made by tearing of the retaining part 4 the along the said streaks 5. without fragmentation to prevent fragments of the retainer 1 is not torn off and moved by the fluid passing through the retaining element 1 and risk damaging a downstream pipe.
- the retaining part 4 is provided with through holes 6 of very small diameter located one in the center of the retaining part 4 and the others distributed one by streak 5 near the center. In other words, seven holes 6 are arranged, six in hexagon and one in the center. Holes 6 form tear primers with even lower resistance than streaks 5 and ensure that the tear begins in the center of the retaining part 4 and spreads outwards.
- the formation of minus one hole 6 per streak 5 ensures that streaks 5 will tear simultaneously by offering the strongest possible cross-section, the holes 6 other than the central hole being disposed at equal distance from the center. Alternatively, one could consider a number of streaks 5 different from six, and / or several holes 6 per streak 5.
- the coating seal 9 is able to seal the holes 6.
- the burst pressure of the retainer 1 is determined, in particular, by the diameter and the position of the holes 6, the 5 streak depth, material thickness and composition forming the retaining part 4.
- the retaining portion 4 is provided with grooves 7, each groove 7 being formed on a segment right joining the intersection of a streak 6 and the circular edge of the retaining part 4 and the intersection of a streak 6 adjacent to the previous and the circular edge of the retaining part 4.
- the Figure 2 is a top view and the retaining part 4 is curved.
- the grooves 7 follow the curvature of the part of retain 4 and would be in side view of the elliptical arcs.
- a groove 7 and two adjacent streaks 6 form a triangle 8 which when broken goes separate from neighboring triangles by tearing the material in streaks 6 and deform downstream by folding along the groove 7.
- the grooves 7 ensure the folding of the triangles 8 without tearing to avoid tearing off of the so-called triangles 8 liable to damage a downstream line or obstruct flow in the downstream line thus increasing the pressure drop and slowing depressurization upstream side.
- the pressure drop due to the retaining element 1 after breakage is reduced when the number of streaks 5 and grooves 7
- the number of grooves 5 and grooves 7 also depends on the diameter of the retaining element 1.
- the flange 3 disposed downstream of the flange 2 is pierced with a hole radial in which a protective tube 10 is arranged.
- rupture comprises an electric wire 11 fixed on the retaining part 4 of the downstream side and arranged in a loop.
- the electric wire 11 extends into the protective tube 10 to a connection box 12.
- the wire electric 11 extends over almost the entire diameter of the element of retainer 1, with a portion of wire 11a disposed on one side of a streak 5 parallel to said streak 5 and the other portion of wire 11b disposed radially on the other side of the same streak 5 parallel to the said streak 5.
- the distance between the two portions of wire 11a, 11b is small. This distance may be less than the maximum distance between two holes 6 so that the wire 11 passes between the holes 6.
- the electric wire 11 is covered by a protective film 12 which serves both to prevent corrosion and to bond it to the downstream face of the retaining part 4.
- the composition of this film 12 will also be chosen to avoid changing the rupture pressure of the rupture element 1.
- the film 12 can be made of embrittled polyamide. The outbreak of the breaking element necessarily leads to the cutting of the wire electric 11. This cut can be detected extremely simple and reliable by interrupting the flow of a passing current by wire 11 or by voltage difference between the two ends wire 11.
- the transformer 13 comprises a main tank 14 resting on the ground by means of feet 15 and is supplied with electrical energy by wires 16 surrounded by insulators 17.
- the main tank 14 is filled with cooling, for example, of dielectric oil and is generally designed to withstand a relative internal pressure of 1 bar.
- the main tank 14 is provided with a compensating sleeve elastic 18 downstream of which is mounted a breaking element 1 of which the burst allows the pressure variation due to be detected without delay deflagration caused by the breakdown of the electrical insulation of the transformer.
- the rupture element 1 is supported by a reservoir 19 intended to collect the oil coming from the main tank 14 after bursting of the rupture element 1.
- the reservoir 19 is equipped with a piping 20 for evacuating the gases from the oil to the open air. If the transformer is installed in an enclosed space, piping 20 will emerge outside the said enclosed space.
- the main tank 14 is thus immediately depressurized and partially emptied into the reservoir 19.
- the rupture element 1 may be provided to burst at a determined pressure of less than 1 bar, for example between 0.2 and 0.9 bar, preferably between 0.5 and 0.8 bar.
- An air isolation flap 20a is arranged in the piping 20 to prevent the entry of oxygen from the air which could supply the combustion of gases which can be explosive and that of oil in the tank 19 and in the main tank 14.
- the transformer 13 is supplied via a supply cell, not shown, which comprises means for power cut such as circuit breakers to protect the transformer 13 and which is fitted with tripping sensors.
- the main tank 14 includes a cooling means fluid by injecting an inert gas such as nitrogen at the bottom of the main tank.
- This cooling reduces the amount of dangerous gases from the decomposition of the fluid and reduce the proportion of hydrogen in said quantity of dangerous gas.
- the gas inert is stored in at least one pressurized bottle 21 provided a pyrotechnic valve 22, a regulator 23 and a pipe 24 bringing the inert gas to the bottom of the main tank 14.
- the opening of the valve 22 is controlled by a break signal in origin of the rupture detector integrated in the rupture element 1, in coincidence with a trigger signal from one of the protections transformer 13.
- the injection of inert gas causes a slight rise in the level of dielectric fluid in the tank main 14 and a flow in the tank 19.
- Such a protection system is economical, autonomous by compared to neighboring installations, compact and without maintenance.
- the transformer 13, illustrated in FIG. 4, is of a power range greater than that of Figure 3 and is equipped with one or more load and bushing changers high and low voltages.
- the transformer 13 is provided with an auxiliary tank 25 in communication with the tank main 14 by line 26.
- Line 26 is provided with an automatic valve 27 which closes the pipe 26 as soon as it detects a rapid movement of the fluid.
- an automatic valve 27 which closes the pipe 26 as soon as it detects a rapid movement of the fluid.
- the main tank 14 includes a sensor for the presence of coolant vapor also called buchholz 28 mounted at a high point of the main tank, generally on the driving 26. Deflagration due to a break in electrical insulation quickly releases vapor from the fluid in the tank main 14. A vapor sensor 28 is therefore efficient for detect a break in the electrical insulation.
- the transformer 13 includes a valve 29 arranged between its tank 14 and the elastic compensating sleeve 18.
- the valve 29 is constantly open when the transformer 13 is energized, and can be closed during maintenance operations carried out on transformer 13 being de-energized.
- the depressurization line 30 leads to a non-hazardous sump or flow.
- the transformer 13 can be equipped with one or more on-load changers 32 serving as interfaces between said transformer 13 and the electrical network to which it is connected for ensure constant voltage despite variations in the current supplied to the network.
- the on-load tap-changer 32 is equipped with a tank 33 connected by a depressurization line 34 to the line of depressurization 30.
- the on-load changer 32 is also cooled by a flammable coolant.
- the driving depressurization 34 is provided with a rupture element 35 capable tear in the event of a short circuit and therefore overpressure inside the on-load tap-changer 32.
- the breaking element 35 is similar to that referenced 1 and adapted sizing. We thus avoids the explosion of the tank 33 of said on-load changer 32.
- the transformer 13 includes several crossings 36 to connect it to a high power network voltage.
- Figure 6 shows an example of crossing electric.
- the electrical bushing 36 includes a tank or oil 37 of generally cylindrical shape with a lower end mounted on the main tank 14 and the free upper end.
- a outlet rod 38 from the main tank 14 passes through the oil can 37 from one end to the other.
- a waterproof electrical insulator 39 is disposed between the outlet rod 38 and the wall of the main tank 14.
- an electrical insulator 40 is disposed between the outlet rod 38 and the free upper end of the oil box 37 which is almost completely filled with oil in normal operation.
- a line 41 connects the bottom of the oil box 37 and the depressurization line 34 of the on-load tap-changer 32.
- a rupture element 42 is disposed in and closes the pipe 41 in normal conditions.
- the breaking element 42 is similar to that referenced 1, and adapted sizing.
- An inert gas injection pipe 43 opens into the top of the oil box 37 and is connected to one or more bottles 21 (figure 4).
- the element of rupture 42 is chosen with a rupture pressure lower than the test pressure of the oil box 37.
- the increase in pressure causes the rupture element 42 to burst, whence immediate depressurization of the oil box 37 and flow of oil.
- the rupture detection thanks to the integrated wire allows control the injection of inert gas through piping 43 to avoid introducing oxygen from the ambient air into the oil can 37 and promote the flow of oil.
- the electrical protections from transformer 13 are used to trigger transformer 13 to put it out of service. Only the damaged electrical bushing must then be repaired, resulting in a reduction in costs and the downtime of the transformer 13.
- the transformer 13 will also include a unit of control, not shown, connected to each rupture detector of the rupture elements 1, 35 and 42. Any rupture of one of the elements 1, 35 or 42 detected in coincidence with the triggering of protections electrical transformer will inject inert gas into the main tank 14, the on-load changers 32 and the electrical bushings 36 because a short circuit in one of these elements often leads to deterioration of others ( Figure 5).
- the transformer 13 is also taken out of service by the protections electric only. As seen in Figure 5, the trigger one of the electrical protections of the transformer (Buchholz, overcurrent detector, earth fault detector, protection differential) and one of the rupture elements causes the injection inert gas in all elements containing combustible fluid.
- the control unit can also be connected to the sensors accessories such as fire detector, steam sensor 28 (buchholz) and to the trigger sensor of the power cell to start a fire extinguishing in case of failure of explosion prevention.
- sensors accessories such as fire detector, steam sensor 28 (buchholz) and to the trigger sensor of the power cell to start a fire extinguishing in case of failure of explosion prevention.
- the invention there is thus a device for explosion prevention in a transformer that requires little modifications to the transformer elements, which detects the insulation breaks extremely quickly and act simultaneously so as to limit the resulting consequences. it helps prevent oil capacity explosions and fires resulting in reducing damage from short circuits on the transformer as well as on-load changers and crossings.
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Description
La présente invention concerne le domaine de la prévention contre l'explosion des transformateurs électriques refroidis par un grand volume de fluide combustible.The present invention relates to the field of prevention against the explosion of electric transformers cooled by a large volume of combustible fluid.
Les transformateurs électriques subissent des pertes tant dans les enroulements que dans la partie fer, qui nécessitent la dissipation de la chaleur produite. Ainsi, les transformateurs de grande puissance sont généralement refroidis par un fluide tel que de l'huile. Les huiles utilisées sont diélectriques et sont susceptibles de prendre feu au-delà d'une température de l'ordre de 140°C. Les transformateurs étant des éléments très onéreux, leur protection nécessite une attention particulière.Electric transformers suffer losses both in the windings only in the iron part, which require dissipation of the heat produced. So the high power transformers are usually cooled by a fluid such as oil. The oils used are dielectric and are liable to catch fire beyond with a temperature of the order of 140 ° C. The transformers being very expensive elements, their protection requires attention special.
Un défaut d'isolement engendre, dans un premier temps, un arc électrique important qui provoque une action des systèmes de protection électriques qui déclenchent la cellule d'alimentation du transformateur (disjoncteur). L'arc électrique provoque, également, une diffusion conséquente d'énergie qui engendre un dégagement de gaz de décomposition de l'huile diélectrique, notamment d'hydrogène et d'acéthylène.An insulation fault causes, at first, a significant electric arc which causes an action of the electrical protection which triggers the supply cell of the transformer (circuit breaker). The electric arc also causes a consequent diffusion of energy which generates a release of decomposition gas of dielectric oil, especially hydrogen and acetylene.
Suite au dégagement de gaz, la pression à l'intérieur de la cuve du transformateur augmente très rapidement, d'où une déflagration souvent très violente. De la déflagration résulte une importante déchirure des liaisons mécaniques de la cuve (boulons, soudures) du transformateur qui met les dits gaz en contact avec l'oxygène de l'air ambiant. L'acéthylène étant auto-inflammable en présence d'oxygène, un incendie démarre immédiatement et propage le feu aux autres équipements du site qui sont susceptibles de contenir également de grandes quantités de produits combustibles.Following the evolution of gas, the pressure inside the transformer tank increases very quickly, resulting in often very violent deflagration. Deflagration results in a significant tear in the mechanical connections of the tank (bolts, welding) of the transformer which puts the said gases in contact with the oxygen in the ambient air. Acetylene being auto-flammable in presence of oxygen, a fire starts immediately and spreads the fire to other equipment on the site which may contain also large quantities of combustible products.
Les explosions sont dues aux court-circuits provoqués par des surcharges, des surtensions, une détérioration progressive de l'isolation, un niveau d'huile insuffisant, l'apparition d'eau ou de moisissure ou une panne d'un composant isolant.Explosions are due to short circuits caused by overloads, overvoltages, a gradual deterioration of insulation, insufficient oil level, appearance of water or mold or failure of an insulating component.
On connaít, dans l'art antérieur, des systèmes de protection incendie pour transformateurs électriques qui sont actionnés par des détecteurs d'incendie ou de feu. Mais ces systèmes se mettent en oeuvre avec une inertie importante, lorsque l'huile du transformateur est déjà en flammes. On se contente donc de limiter l'incendie à l'équipement concerné pour ne pas propager le feu aux installations voisines.We know, in the prior art, protection systems fire for electrical transformers which are operated by fire or fire detectors. But these systems are works with significant inertia, when the transformer oil is already in flames. So we just limit the fire to the equipment concerned so as not to spread fire to the installations neighbors.
Pour ralentir la décomposition du fluide diélectrique due à un arc électrique, on peut utiliser des huiles silicones à la place des huiles minérales conventionnelles. Toutefois, l'explosion de la cuve du transformateur due à l'augmentation de la pression interne n'est retardée que d'une durée extrêmement faible, de l'ordre de quelques millisecondes. Cette durée ne permet pas de mettre en oeuvre des moyens propres à éviter l'explosion.To slow the decomposition of the dielectric fluid due to a electric arc, we can use silicone oils instead of conventional mineral oils. However, the explosion of the tank of the transformer due to the increase in internal pressure is delayed only by an extremely short duration, of the order of a few milliseconds. This duration does not allow the implementation of means to prevent the explosion.
On connaít par le document WO-A-97/12379 un procédé de prévention contre l'explosion et l'incendie dans un transformateur électrique muni d'une cuve remplie de fluide de refroidissement combustible, par détection d'une rupture de l'isolement électrique du transformateur par un capteur de pression, dépressurisation du fluide de refroidissement contenu dans la cuve, au moyen d'une vanne, et refroidissement des parties chaudes du fluide de refroidissement par injection d'un gaz inerte sous pression dans le bas de la cuve afin de brasser ledit fluide et d'empêcher l'oxygène de pénétrer dans la cuve du transformateur. Ce procédé donne satisfaction et permet d'éviter l'explosion de la cuve du transformateur.Document WO-A-97/12379 discloses a method of explosion and fire prevention in a transformer electric with a tank filled with coolant fuel, by detecting a break in the electrical insulation of the transformer by pressure sensor, fluid depressurization cooling contained in the tank, by means of a valve, and cooling the hot parts of the coolant by injection of an inert gas under pressure into the bottom of the tank in order to stir said fluid and prevent oxygen from entering the tank of the transformer. This process gives satisfaction and makes it possible to avoid the explosion of the transformer tank.
L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif amélioré permettant une décompression extrêmement rapide de la cuve pour augmenter encore la probabilité de sauvegarde de l'intégrité du transformateur, des changeurs de prises en charge et des traversées. The object of the present invention is to provide a device improved allowing extremely rapid decompression of the tank to further increase the probability of safeguarding the integrity of the transformer, on-load tap-changers and bushings.
Le dispositif de prévention contre l'explosion, selon l'invention, est prévu pour un transformateur électrique comprenant une cuve remplie de fluide de refroidissement combustible, et un moyen de décompression de la cuve du transformateur. Le moyen de décompression comprend un élément de rupture pourvu d'une partie de retenue incluant des premières zones d'épaisseur réduite par rapport au reste de la partie de retenue et aptes à se déchirer sans fragmentation lors de la rupture du dit élément, et des deuxièmes zones d'épaisseur réduite par rapport au reste de la partie de retenue et aptes à se plier sans déchirure lors de la rupture du dit élément. Le dit élément de rupture est apte à rompre lorsque la pression à l'intérieur de la cuve dépasse un plafond prédéterminé.The explosion prevention device, according to the invention is intended for an electrical transformer comprising a tank filled with combustible coolant, and a means of decompression of the transformer tank. Way to decompression includes a rupture element provided with a part of reservoir including first zones of reduced thickness compared to rest of the retaining part and capable of tearing without fragmentation during the rupture of said element, and of the second thickness zones reduced compared to the rest of the retaining part and able to bend without tearing when said element breaks. The said element of rupture is capable of breaking when the pressure inside the tank exceeds a predetermined ceiling.
De préférence, l'élément de rupture est pourvu d'un organe d'étanchéité disposé du côté du fluide et capable d'obturer des trous de faible diamètre formés dans la partie de retenue. Les trous peuvent former des amorces de déchirures et être adjacents aux premières zones d'épaisseur réduite.Preferably, the rupture element is provided with a member sealing on the side of the fluid and capable of sealing holes small diameter formed in the retaining part. The holes can form tear caps and be adjacent to the first areas of reduced thickness.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'organe d'étanchéité se présente sous la forme d'un revêtement sur la partie de retenue, le dit revêtement étant, de préférence, à base de polytétrafluoroéthylène.In one embodiment of the invention, the member sealing is in the form of a coating on the part of retained, said coating preferably being based on polytetrafluoroethylene.
De préférence, la partie de retenue est de forme bombée à convexité vers l'extérieur, à l'opposé du fluide.Preferably, the retaining part is domed in shape. outward convexity, opposite to the fluid.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la partie de retenue est métallique, en acier inoxydable, en aluminium, ou en alliage d'aluminium.In one embodiment of the invention, the part of retainer is metallic, stainless steel, aluminum, or aluminum alloy.
De préférence, le dispositif comprend un moyen de détection de rupture intégré à l'élément de rupture, ce qui permet une détection de la pression dans la cuve par rapport au plafond prédéterminé.Preferably, the device comprises a detection means of rupture integrated into the rupture element, which allows detection pressure in the tank relative to the predetermined ceiling.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de détection de rupture comprend un fil électrique apte à se rompre en même temps que l'élément de rupture.In one embodiment of the invention, the means of rupture detection comprises an electric wire capable of breaking in same time as the rupture element.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le fil électrique est collé sur l'élément de rupture.In one embodiment of the invention, the electric wire is stuck on the breaking element.
Avantageusement, le fil électrique est disposé du côté de la partie de retenue opposé au fluide.Advantageously, the electric wire is placed on the side of the retaining part opposite the fluid.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le fil électrique est recouvert par un film de protection.In one embodiment of the invention, the electric wire is covered by a protective film.
L'invention a également pour objet un système de prévention contre l'explosion d'un transformateur électrique comprenant une cuve remplie de fluide de refroidissement combustible, et un moyen de décompression de la cuve du transformateur. Le système comprend plusieurs dispositifs tels que décrits ci-dessus, dont un ou plusieurs sur une cuve principale contenant les enroulements et un sur chaque changeur de prise en charge.The invention also relates to a prevention system against the explosion of an electric transformer including a tank filled with combustible coolant, and a means of decompression of the transformer tank. The system includes several devices as described above, including one or more on a main tank containing the windings and one on each on-load changer.
Le système peut comprendre au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus, sur au moins une traversée électrique.The system can include at least one device such as described above, on at least one electrical crossing.
Simultanément, ont lieu la rupture de l'élément de rupture d'où la décompression de la cuve, et la rupture du fil d'où la détection d'une pression excessive et anormale.Simultaneously, the rupture of the rupture element takes place where the tank decompression, and the wire break where the detection excessive and abnormal pressure.
Bien entendu, les termes tels que "du côté du fluide" ou "à l'opposé du fluide" s'entendent avant rupture.Of course, terms such as "on the fluid side" or "to the opposite of the fluid "means before rupture.
Le dispositif de prévention contre l'explosion est adapté pour la cuve principale d'un transformateur, pour la cuve du ou des changeurs de prise en charge, et pour la cuve des traversées électriques, cette dernière cuve étant aussi appelée boíte à huile. Les traversées électriques ont pour rôle d'isoler la cuve principale d'un transformateur des lignes haute et basse tension auxquelles sont reliés les enroulements du transformateur par l'intermédiaire de tiges de sortie. Chaque tige de sortie est entourée par une boíte à huile contenant une certaine quantité de fluide d'isolement. Le fluide d'isolement des traversées et/ou boítes à huile est une huile différente de celle du transformateur.The explosion prevention device is suitable for the main tank of a transformer, for the tank of the on-load changers, and for the bushing tank electric, this last tank being also called oil box. The electrical bushings have the role of isolating the main tank from a transformer of high and low voltage lines to which are connected transformer windings via rods exit. Each outlet rod is surrounded by an oil box containing a certain amount of isolation fluid. The fluid for isolation of bushings and / or oil boxes is a different oil that of the transformer.
On peut prévoir un moyen d'injection d'azote relié à une partie haute d'une boíte à huile et apte à se déclencher lors de la détection d'un défaut. L'injection d'azote pourra favoriser l'évacuation du fluide en aval de l'élément de rupture. L'injection d'azote pourra surtout éviter l'entrée d'air dans la boíte à huile, une entrée d'air étant susceptible de favoriser l'incendie.One can provide a nitrogen injection means connected to a upper part of an oil can and capable of triggering when detection of a fault. Nitrogen injection can help evacuation of the fluid downstream of the rupture element. The nitrogen injection may especially avoid the entry of air into the oil box, an air inlet being likely to promote fire.
Le dispositif de prévention contre l'explosion peut être muni d'un moyen de détection du déclenchement de la cellule d'alimentation du transformateur et d'un boítier de commande qui reçoit les signaux émis par les moyens capteurs du transformateur et qui est capable d'émettre des signaux de commande.Explosion prevention device can be fitted a means of detecting the triggering of the supply cell of the transformer and of a control unit which receives the signals emitted by the sensor means of the transformer and which is capable to issue control signals.
Le dispositif de prévention contre l'explosion peut comprendre un moyen de refroidissement des parties chaudes du fluide, par injection de gaz inerte dans le bas de la cuve principale, commandé par un signal de commande d'un boítier de commande. En effet, certaines parties du fluide de refroidissement subissent un échauffement capable de l'enflammer. L'injection d'un gaz inerte au fond de la cuve principale provoque un brassage du fluide de refroidissement qui homogénéise la température et réduit le dégagement de gaz.The explosion prevention device can include a means of cooling the hot parts of the fluid, by injection of inert gas at the bottom of the main tank, controlled by a control signal from a control unit. In effect, certain parts of the coolant undergo a heating capable of igniting it. Injection of an inert gas into the bottom of the main tank causes mixing of the cooling which homogenizes the temperature and reduces the gas evolution.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description
détaillée de quelques modes de réalisation particuliers pris à titre
d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur
lesquels :
Comme on peut le voir sur les figures 1a, 1b et 2, l'élément de
rupture 1 est de forme circulaire bombée convexe du côté aval et est
prévu pour être monté sur un orifice de sortie, non représenté, d'une
cuve contenant un fluide diélectrique. L'élément de rupture 1
comprend une partie de retenue 4 sous la forme d'un voile métallique
de faible épaisseur, par exemple en acier inoxydable, en aluminium, ou
en alliage d'aluminium. La partie de retenue 4 est maintenue serrée
entre deux brides 2, 3 en forme de disques. L'élément de rupture 1
comprend, en plus de la partie de retenue 4, un revêtement d'étanchéité
9 disposé du côté amont, autrement dit recouvrant le côté concave de
la partie de retenue. Par exemple, le revêtement 9 est à base de
polytétrafluoroéthylène.As can be seen in Figures 1a, 1b and 2, the element of
La partie de retenue 4 est pourvue de stries radiales 5 la
divisant en six portions. Les stries radiales 5 sont formées en creux
dans une fraction de l'épaisseur de la partie de retenue 4 de façon
qu'une rupture se fasse par déchirement de la partie de retenue 4 le
long des dites stries 5. et ce sans fragmentation pour éviter que des
fragments de l'élément de retenue 1 ne soit arrachés et déplacés par le
fluide traversant l'élément de retenue 1 et risquent de détériorer une
conduite située à l'aval.The retaining
La partie de retenue 4 est pourvue de trous traversants 6 de
très faible diamètre situés l'un au centre de la partie de retenue 4 et les
autres répartis un par strie 5 à proximité du centre. Autrement dit, sept
trous 6 sont disposés, six en hexagone et un au centre. Les trous 6
forment des amorces de déchirure de résistance encore plus faible que
les stries 5 et garantissent que la déchirure commence au centre de la
partie de retenue 4 et se propage vers l'extérieur. La formation d'au
moins un trou 6 par strie 5 assure que les stries 5 se déchireront
simultanément en offrant la section de passage la plus forte possible,
les trous 6 autres que le trou central étant disposés à égale distance du
centre. En variante, on pourrait envisager un nombre de stries 5
différent de six, et/ou plusieurs trous 6 par strie 5. Le revêtement
d'étanchéité 9 est capable d'obturer les trous 6.The retaining
La pression d'éclatement de l'élément de retenue 1 est
déterminée, notamment, par le diamètre et la position des trous 6, la
profondeur des stries 5, l'épaisseur et la composition du matériau
formant la partie de retenue 4.The burst pressure of the
Comme on le voit sur la figure 2, la partie de retenue 4 est
pourvue de rainures 7, chaque rainure 7 étant formée sur un segment
de droite joignant l'intersection d'une strie 6 et du bord circulaire de la
partie de retenue 4 et l'intersection d'une strie 6 adjacente à la
précédente et du bord circulaire de la partie de retenue 4. Toutefois, la
figure 2 est une vue de dessus et la partie de retenue 4 est bombée. On
comprendra donc que les rainures 7 suivent la courbure de la partie de
retenue 4 et seraient en vue de côté des arcs d'ellipse. Une rainure 7 et
deux stries 6 adjacentes forment un triangle 8 qui lors de la rupture va
se séparer des triangles voisins par déchirure de la matière dans les
stries 6 et se déformer vers l'aval par pliage le long de la rainure 7.
Les rainures 7 assurent le pliage des triangles 8 sans déchirure pour
éviter l'arrachement des dits triangles 8 susceptibles de détériorer une
conduite aval ou de gêner l'écoulement dans la conduite aval
augmentant ainsi la perte de charge et ralentissant la dépressurisation
côté amont. La perte de charge due à l'élément de retenue 1 après
rupture est réduite lorsque le nombre de stries 5 et de rainures 7
augmente.Le nombre de stries 5 et de rainures 7 dépend également du
diamètre de l'élément de retenue 1.As seen in Figure 2, the retaining
La bride 3 disposée à l'aval de la bride 2 est percée d'un trou
radial dans lequel est disposé un tube de protection 10. Le détecteur de
rupture comporte un fil électrique 11 fixé sur la partie de retenue 4 du
côté aval et disposé en boucle. Le fil électrique 11 se prolonge dans le
tube de protection 10 jusqu'à un boítier de connexion 12. Le fil
électrique 11 s'étend sur la quasi totalité du diamètre de l'élément de
retenue 1, avec une portion de fil 11a disposée d'un côté d'une strie 5
parallèlement à la dite strie 5 et l'autre portion de fil 11b disposée
radialement de l'autre côté de la même strie 5 parallèlement à la dite
strie 5. La distance entre les deux portions de fil 11a, 11b est faible.
Cette distance peut être inférieure à la distance maximale séparant
deux trous 6 de telle sorte que le fil 11 passe entre les trous 6.The
Le fil électrique 11 est recouvert par un film 12 de protection
qui sert à la fois à éviter sa corrosion et à le coller sur la face aval de
la partie de retenue 4. La composition de ce film 12 sera aussi choisie
pour éviter de modifier la pression de rupture de l'élément de rupture
1. Le film 12 pourra être réalisé en polyamide fragilisée. L'éclatement
de l'élément de rupture entraíne nécessairement la coupure du fil
électrique 11. Cette coupure peut être détectée de façon extrêmement
simple et fiable par interruption de la circulation d'un courant passant
par le fil 11 ou encore par écart de tension entre les deux extrémités
du fil 11.The
Comme illustré sur la figure 3, le transformateur 13
comprend une cuve principale 14 reposant sur le sol au moyen de pieds
15 et est alimenté en énergie électrique par des fils 16 entourés par
des isolateurs 17. La cuve principale 14 est remplie de fluide de
refroidissement, par exemple, de l'huile diélectrique et est
généralement prévue pour résister à une pression interne relative de 1
bar.As illustrated in FIG. 3, the
La cuve principale 14 est munie d'un manchon compensateur
élastique 18 en aval duquel est monté un élément de rupture 1 dont
l'éclatement permet de détecter sans retard la variation de pression due
à la déflagration provoquée par la rupture de l'isolation électrique du
transformateur. L'élément de rupture 1 est supporté par un réservoir 19
destiné à recueillir l'huile provenant de la cuve principale 14 après
éclatement de l'élément de rupture 1. Le réservoir 19 est équipé d'une
tuyauterie 20 d'évacuation à l'air libre des gaz issus de l'huile. Si le
transformateur est installé dans un espace clos, la tuyauterie 20
débouchera à l'extérieur du dit espace clos. La cuve principale 14 est
ainsi dépressurisée immédiatement et partiellement vidée dans le
réservoir 19. L'élément de rupture 1 pourra être prévu pour éclater à
une pression déterminée inférieure à 1 bar, par exemple comprise entre
0,2 et 0,9 bar, de préférence entre 0,5 et 0,8 bar.The
Un volet 20a d'isolement d'air est disposé dans la tuyauterie
20 pour empêcher l'entrée d'oxygène de l'air qui pourrait alimenter la
combustion des gaz qui peut être explosive et celle de l'huile dans le
réservoir 19 et dans la cuve principale 14.An
Le transformateur 13 est alimenté par l'intermédiaire d'une
cellule d'alimentation, non représentée, qui comprend des moyens de
coupure d'alimentation tels que des disjoncteurs destinés à protéger le
transformateur 13 et qui est munie de capteurs de déclenchement.The
La cuve principale 14 comprend un moyen de refroidissement
du fluide par injection d'un gaz inerte tel que de l'azote dans le bas de
la cuve principale. Ce refroidissement permet de réduire la quantité de
gaz dangereux issus de la décomposition du fluide et de réduire la
proportion d'hydrogène dans ladite quantité de gaz dangereux. Le gaz
inerte est stocké dans au moins une bouteille 21 sous pression muni
d'une vanne pyrotechnique 22, d'un détendeur 23 et d'un tuyau 24
amenant le gaz inerte jusqu'au bas de la cuve principale 14.
L'ouverture de la vanne 22 est commandée par un signal de rupture en
provenance du détecteur de rupture intégré à l'élément de rupture 1, en
coïncidence avec un signal de déclenchement d'une des protections
électriques du transformateur 13. L'injection de gaz inerte provoque
une légère montée du niveau de fluide diélectrique dans la cuve
principale 14 et un écoulement dans le réservoir 19.The
Un tel système de protection est économique, autonome par rapport aux installations voisines, d'encombrement faible et sans maintenance.Such a protection system is economical, autonomous by compared to neighboring installations, compact and without maintenance.
Le transformateur 13, illustré sur la figure 4, est d'une
gamme de puissance supérieure à celle de celui de la figure 3 et est
équipé d'un ou plusieurs changeurs de prise en charge et de traversées
électriques hautes et basses tensions.The
Afin de garantir un niveau constant de fluide de
refroidissement dans la cuve principale 14, le transformateur 13 est
muni d'un réservoir d'appoint 25 en communication avec la cuve
principale 14 par une conduite 26.In order to guarantee a constant level of
cooling in the
La conduite 26 est pourvue d'un clapet automatique 27 qui
obture la conduite 26 dès qu'il détecte un mouvement rapide du fluide.
Ainsi, lors d'une explosion de la cuve principale 14, la pression dans
la conduite 26 chute brusquement ce qui provoque un début
d'écoulement de fluide qui est rapidement arrêté par l'obturation du
clapet automatique 27. On évite ainsi que le fluide contenu dans le
réservoir d'appoint 25 vienne alimenter l'incendie du transformateur
13.
La cuve principale 14 comprend un capteur de la présence de
vapeur du fluide de refroidissement également appelé buchholz 28
monté en un point haut de la cuve principale, en général sur la
conduite 26. La déflagration due à une rupture d'isolement électrique
provoque rapidement le dégagement de vapeur du fluide dans la cuve
principale 14. Un capteur de vapeur 28 est donc performant pour
détecter une rupture de l'isolation électrique.The
Le transformateur 13 comprend une vanne 29 disposée entre
sa cuve 14 et le manchon compensateur élastique 18. La vanne 29 est
constamment ouverte lorsque le transformateur 13 est sous tension, et
peut être fermée lors d'opérations de maintenance réalisées le
transformateur 13 étant hors tension. En aval de l'élément de rupture
1, est montée une conduite de dépressurisation 30 pourvue d'un volet
31 d'isolement d'air. La conduite de dépressurisation 30 débouche vers
un puisard ou un écoulement non dangereux.The
Le transformateur 13 peut être équipé d'un ou plusieurs
changeurs de prise en charge 32 servant d'interfaces entre ledit
transformateur 13 et le réseau électrique auquel il est relié pour
assurer une tension constante malgré des variations du courant fourni
au réseau. Le changeur de prise en charge 32 est équipé d'une cuve 33
reliée par une conduite de dépressurisation 34 à la conduite de
dépressurisation 30. En effet, le changeur de prise en charge 32 est
également refroidi par un fluide de refroidissement inflammable. En
raison de son volume réduit, l'explosion d'un changeur de prise en
charge 32 est extrêmement violente et peut s'accompagner de
projection de jets de fluide de refroidissement enflammé. La conduite
de dépressurisation 34 est pourvue d'un élément de rupture 35 capable
de se déchirer en cas de court-circuit et donc de surpression à
l'intérieur du changeur de prise en charge 32. L'élément de rupture 35
est similaire à celui référencé 1 et de dimensionnement adapté. On
évite ainsi l'explosion de la cuve 33 dudit changeur de prise en charge
32.The
Le transformateur 13 comprend plusieurs traversées
électriques 36 permettant de le relier à un réseau électrique haute
tension. La figure 6 montre un exemple de réalisation d'une traversée
électrique. La traversée électrique 36 comprend une cuve ou boíte à
huile 37 de forme générale cylindrique avec une extrémité inférieure
montée sur la cuve principale 14 et l'extrémité supérieure libre. Une
tige de sortie 38 issue de la cuve principale 14 traverse la boíte à huile
37 d'une extrémité à l'autre. Un isolant électrique étanche 39 est
disposé entre la tige de sortie 38 et la paroi de la cuve principale 14.
De même, un isolant électrique 40 est disposé entre la tige de sortie 38
et l'extrémité supérieure libre de la boíte à huile 37 qui est
presqu'entièrement remplie d'huile en situation normale de
fonctionnement.The
Une conduite 41 relie le bas de la boíte à huile 37 et la
conduite de dépressurisation 34 du changeur de prise en charge 32. Un
élément de rupture 42 est disposé dans et obture la conduite 41 en
conditions normales. L'élément de rupture 42 est similaire à celui
référencé 1, et de dimensionnement adapté.A
Une tuyauterie 43 d'injection de gaz inerte débouche dans le
haut de la boíte à huile 37 et est reliée à une ou plusieurs bouteilles 21
(figure 4).An inert
On a constaté que les courts-circuits des traversées
électriques proviennent le plus souvent de l'isolant 39 qui vieillit ou
se fissure sous l'effet des vibrations de la cuve principale 14 sur
laquelle il est fixé. L'arc électrique dû au court-circuit dégage une
énergie considérable d'où une élévation de la température de l'huile, le
dégagement de gaz et une brutale augmentation de la pression dans la
boíte à huile 37. L'augmentation de la pression provoque la rupture de
l'isolant 39 ou de la boíte à huile 37. Au contact de l'air, les gaz
s'enflamment et l'huile se répand sur le transformateur 13. Un
important incendie s'ensuit.It was found that the short circuits of the crossings
most often from
Au cours de l'explosion, la détérioration de l'isolant 39 crée
souvent une fuite d'huile de la cuve principale 14 qui alimente
l'incendie et favorise son extension au transformateur 13, à ses
accessoires et aux installations voisines.During the explosion, the deterioration of the
Au contraire, selon la présente invention, l'élément de
rupture 42 est choisi avec une pression de rupture inférieure à la
pression d'épreuve de la boíte à huile 37. L'augmentation de la
pression provoque l'éclatement de l'élément de rupture 42 d'où
dépressurisation immédiate de la boíte à huile 37 et écoulement de
l'huile. La détection de la rupture grâce au fil intégré permet de
commander l'injection de gaz inerte par la tuyauterie 43 pour éviter
l'introduction d'oxygène de l'air ambiant dans la boíte à huile 37 et
favoriser l'écoulement de l'huile. Les protections électriques du
transformateur 13 permettent de déclencher le transformateur 13 pour
le mettre hors service. Seule la traversée électrique endommagée doit
alors être réparée, d'où une réduction des frais et de la durée d'arrêt du
transformateur 13.On the contrary, according to the present invention, the element of
Le transformateur 13 comprendra aussi une unité de
commande, non représentée, reliée à chaque détecteur de rupture des
éléments de rupture 1, 35 et 42. Toute rupture d'un des éléments 1, 35
ou 42 détectée en coïncidence avec le déclenchement des protections
électriques du transformateur entraínera l'injection de gaz inerte dans
la cuve principale 14, les changeurs de prise en charge 32 et les
traversées électriques 36 car un court-circuit dans l'un de ces éléments
entraíne souvent une détérioration des autres (figure 5). Le
transformateur 13 est, par ailleurs, mis hors service par les protections
électriques seules. Comme on le voit sur la figure 5, le déclenchement
de l'une des protections électriques du transformateur (Buchholz,
détecteur de surintensité, détecteur de défaut de terre, protection
différentielle) et de l'un des éléments de rupture provoque l'injection
de gaz inerte dans tous les éléments contenant du fluide combustible.The
L'unité de commande peut également être reliée aux capteurs accessoires tels que détecteur d'incendie, capteur de vapeur 28 (buchholz) et au capteur de déclenchement de la cellule d'alimentation pour déclencher une extinction de l'incendie en cas de défaillance de la prévention d'explosion.The control unit can also be connected to the sensors accessories such as fire detector, steam sensor 28 (buchholz) and to the trigger sensor of the power cell to start a fire extinguishing in case of failure of explosion prevention.
Grâce à l'invention, on dispose ainsi d'un dispositif de prévention contre l'explosion dans un transformateur qui nécessite peu de modifications des éléments du transformateur, qui détecte les ruptures d'isolation de façon extrêmement rapide et agissent simultanément de façon à limiter les conséquences en résultant. Cela permet d'éviter les explosions des capacités d'huile et les incendies qui en résultent en réduisant les dégâts liés aux court-circuits sur le transformateur ainsi que les changeurs de prise en charge et les traversées.Thanks to the invention, there is thus a device for explosion prevention in a transformer that requires little modifications to the transformer elements, which detects the insulation breaks extremely quickly and act simultaneously so as to limit the resulting consequences. it helps prevent oil capacity explosions and fires resulting in reducing damage from short circuits on the transformer as well as on-load changers and crossings.
Claims (10)
- Device for prevention against explosion of an electrical transformer (13) comprising an enclosure filled with combustible coolant, and a means for decompressing the enclosure of the transformer, characterized in that the decompression means comprises a rupture element (1) provided with a retention part (4) including first zones which have a reduced thickness in comparison with the rest of the retention part and are capable of tearing without fragmenting when the said element ruptures, and second zones which have reduced thickness in comparison with the rest of the retention part and are capable of folding without tearing when the said element ruptures, the said rupture element being capable of breaking when the pressure inside the enclosure (14) exceeds a predetermined ceiling.
- Device according to Claim 1, characterized in that the rupture element (1) is provided with a sealing component which is arranged on the coolant side and is capable of closing off small-diameter holes (6) formed in the retention part.
- Device according to Claim 2, characterized in that the sealing component is in the form of a lining (9) on the retention part, the said lining being preferably based on polytetrafluoroethylene.
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the retention part has a domed shape with convexity outwards, on the opposite side to the coolant.
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the retention part is metallic, made of stainless steel, aluminium or aluminium alloy.
- Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a rupture-detection means integrated with the rupture element.
- Device according to Claim 6, characterized in that the rupture-detection element comprises an electrical wire (11) capable of breaking at the same time as the rupture element (1), the electrical wire being adhesively bonded on the rupture element.
- Device according to Claim 7, characterized in that the electrical wire is arranged on the opposite side of the retention part to the coolant, the electrical wire being covered with a protective film (12).
- System for prevention against explosion of an electrical transformer (13) comprising an enclosure (14) filled with combustible coolant, and a means for decompressing the enclosure of the transformer, characterized in that it comprises a plurality of devices according to any one of the preceding claims, including one on a main enclosure (14) containing the windings and one on each on-load tap changer (32).
- System according to Claim 9, characterized in that it comprises at least one device according to any one of the preceding claims, on at least one electrical feed-through (36).
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