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INDUSTRIA

Detección rápida de calor para incendios en transformadores

Protección Incendio Transformadores

Los sistemas eléctricos de transmisión y distribución son el corazón de toda economía. La demanda de electricidad aumenta rápidamente a medida que un país se desarrolla y se industrializa. Los transformadores son una parte esencial de la red eléctrica que suministra electricidad a hogares, oficinas y fábricas. Sin embargo, puede verlos como “enlaces débiles potenciales” en la cuadrícula. Si uno falla, la red se vuelve vulnerable. Si se produce una subida de tensión en toda la red, que destruye una serie de transformadores, la red eléctrica podría quedar paralizada durante meses, incluso años.

Como ejemplo, un incendio de transformador en junio de 2007 en la central nuclear de Krümmel en Alemania hizo que esta planta y otra central nuclear en Brunsbüttel se cerraran. Las reparaciones resultantes pusieron a Krümmel, el reactor más grande de su tipo en el mundo en este momento, fuera de acción por dos años. Días después de que se reiniciara la planta en junio de 2009, otros problemas de transformadores obligaron a cerrarla nuevamente, lo que generó una escasez de energía en todo Hamburgo. Después de eso, Vattenfall, el propietario de la planta, decidió reemplazar dos de los transformadores importantes de Krümmel, lo que causó otra parada prolongada 1 .

El problema es que estas unidades de transformador son grandes, costosas de construir y en gran medida hechas a medida, lo que significa que puede tomar hasta tres años reemplazar un transformador si no hay un transformador de repuesto disponible.

Los transformadores de potencia contienen grandes cantidades de aceite mineral para propósitos de aislamiento y enfriamiento. Para evitar fallas y minimizar el daño en caso de una falla, están equipados con relés de protección y monitores. Sin embargo, aproximadamente la mitad de los incidentes de incendio están relacionados con los casquillos, que no están cubiertos por ningún dispositivo de protección. Los bujes están hechos de porcelana rellena con papel impregnado con aceite (OIP). Simplemente no hay manera de conectar equipos de detección en un cuerpo de porcelana de este tipo sin destruir sus propiedades de aislamiento.

Los bujes pueden desarrollar grietas, perder el aceite y prenderse fuego debido al arco eléctrico. Los bujes también pueden perder sus propiedades de aislamiento debido al envejecimiento, acumular gas y explotar como resultado del arco eléctrico. El resultado es una película de aceite quemado en todo el tanque de aceite del transformador. En tal caso, desconectar el transformador instantáneamente y extinguir el fuego es esencial para salvar el transformador. Esto solo se puede lograr aplicando detectores de llama o calor de respuesta ultra rápida. Por lo tanto, estos detectores son importantes para reducir el daño de un incidente de incendio y, por lo tanto, son muy valiosos para fines de protección de activos.

Si bien la probabilidad de un fallo del transformador debido a una explosión es baja, no puede considerarse insignificante. En el caso de que ocurra un incendio explosivo en un buje, en una caja de cable o dentro del transformador lleno de aceite, existe una alta probabilidad de que se convierta en un desastre grave, causando la pérdida del transformador, la pérdida de suministro y, en El peor de los casos, la pérdida de la vida. Por lo tanto, un incendio es un riesgo grave y la conciencia entre los operadores de los transformadores de potencia es generalmente alta.

Fugas en la torreta del buje
Fugas en la torreta del buje

Riesgo

La probabilidad de una falla del transformador varía considerablemente entre los tipos de transformadores, pero por lo general está en el rango del 1% por año de servicio del transformador. En la práctica, esto significa que el 3% de todos los transformadores provocará un incendio durante una vida útil de 40 años.

Porque

Los incendios de transformadores son predominantemente incendios de aceite mineral. La ruptura errónea del tanque a menudo se asume como la causa dominante. En particular, para niveles de voltaje por debajo de 300 kV, la falla de los bujes de papel impregnados con aceite y las cajas de cables con aislamiento de aire / aceite representan del 70% al 80% de los incendios de transformadores. Los cambiadores de tomas en carga representan más del 10% al 15% de los incendios de transformadores; incluso en el 15% restante, una serie de causas distintas de la ruptura del tanque son causas de incendios. De hecho, las rupturas del tanque son raras para niveles de voltaje por debajo de 245 kV, ya que la energía de falla de arco eléctrico a menudo está por debajo del nivel crítico de energía requerido para causar la ruptura del tanque 2 .

Las principales causas de los incendios iniciados por la falla de los bujes OIP son:

  • Fuga del 80% (juntas defectuosas).
  • 13% de deterioro del aislamiento.
  • 7% de daño mecánico (grietas en el cuerpo de porcelana)

Los bujes con fugas pueden esparcir aceite sobre el cuerpo principal del transformador. Este aceite se evaporará parcialmente y puede ser encendido por el arco creado por un proceso de conmutación.

Elementos de un transformador.
Elementos de un transformador.

Dañar

Cuando un transformador falla, el resultado es a menudo catastrófico. Una subestación eléctrica por su naturaleza contiene todos los ingredientes para generar la tormenta de fuego perfecta: un banco de transformadores típico está compuesto por tres o más tanques de transformadores, cada uno con miles de litros de aceite mineral altamente inflamable. La ignición del aceite puede provenir de una variedad de fuentes durante una falla o un cortocircuito eléctrico del circuito dentro del tanque, cualquiera de los cuales puede generar calor y presión suficiente para causar la ruptura del tanque. Una vez que se ha producido una ruptura, el aire entra en el tanque y el tanque explota, lo que resulta en una explosión de aceite de dispersión de radiación intensa, metralla de acero, productos de descomposición gaseosa y material conductor fundido en el área circundante. La duración de un incendio de transformador puede variar de 4 a 28 horas,3 .

Los incendios de transformadores pueden provocar rápidamente la pérdida parcial o total de toda la subestación eléctrica. Sin embargo, el costo más alto es, con mucho, el reemplazo de la energía, que debe comprarse en el mercado al contado a precios premium. Las tarifas para mantener la continuidad del negocio pueden aumentar hasta 200,000 € por hora durante las horas pico.

Mitigación de riesgos

Los incendios específicos de transformadores son difíciles de anticipar y prevenir, sin embargo, se pueden prevenir daños adicionales. Durante la vida útil de los transformadores, la resistencia estructural y las propiedades de aislamiento de los materiales utilizados para el aislamiento eléctrico se deterioran. El envejecimiento reduce tanto la resistencia mecánica como la dieléctrica. Por esta razón, el daño por incendio se puede prevenir en gran medida con el mantenimiento adecuado y los controles de incendio en su lugar.

Por ejemplo, reemplazar los bujes viejos reducirá significativamente el riesgo de incendio ya que estos componentes se clasifican como la causa principal de los incendios de transformadores. De manera similar, realizar comprobaciones regulares de la integridad del transformador mediante el análisis de respuesta de frecuencia descubrirá problemas de bobinado y cambiador de tomas en una etapa incipiente 4 .

La alerta temprana como medida de mitigación de daños.

Fallas en el tanque del transformador y cambiador de tomas

Las fallas eléctricas dentro del tanque del transformador y el cambiador de tomas son detectadas por un relé de gas (conocido como el relé Buchholz). Detecta fallas eléctricas en transformadores inmersos en aceite. Por lo general, hay dos detectores Buchholz instalados: uno entre el tanque principal del transformador y el conservador de aceite y el otro sobre el cambiador de tomas 5 .

La protección Buchholz es un detector de fallas de advertencia temprana rápida y sensible, ya que acumula gases producidos por fallas menores que se elevan desde la ubicación de la falla hasta la parte superior del transformador. Una acumulación de burbujas de gas dentro de la carcasa del relé finalmente activa los relés (interruptores de mercurio).

El relé Buchholz tiene un segundo dispositivo de disparo que consiste en una paleta de pivote. Esta paleta activa el apagado del transformador en caso de una fuerte acumulación de presión (típica de fallas importantes) debido a cortocircuitos a tierra o entre fases o devanados. Tales fallas producen rápidamente grandes volúmenes de gas y vapor de aceite, que no pueden escapar. Esto establece un flujo rápido de aceite desde el transformador hacia el conservador. La paleta de Buchholz responde a este alto flujo de aceite cerrando un interruptor de mercurio. Tanto el interruptor Buchholz de advertencia temprana para fallas menores como el interruptor de paleta para fallas mayores se pueden usar para liberar agentes de extinción 5 .

El detector ADW 535, ofrece toda la flexibilidad necesaria para aplicaciones industriales: propiedades de detección programables gratis, EN 54 y configuraciones que cumplen con UL
El detector ADW 535, ofrece toda la flexibilidad necesaria para aplicaciones industriales: propiedades de detección programables gratis, EN 54 y configuraciones que cumplen con UL

Detección de calor

El incendio iniciado por la falla de los bujes OIP tiene un impacto limitado si un agente extintor de incendios se libera instantáneamente. Detectar el fuego lo más cerca posible de la zona de ignición es, por lo tanto, imperativo para activar el sistema de extinción. Sin embargo, es muy probable que este no sea el caso de los cabezales de rociadores activados con bombilla de calor estándar, ya que estos componentes forman parte de los tubos del extintor, que se colocan a unos pocos metros de distancia alrededor del transformador. En un escenario al aire libre, la lluvia y el viento pueden retrasar la acumulación de suficiente energía calorífica para causar la explosión del dispositivo de iniciación hasta tal punto, que el disparador esté desactivado de hecho.

La misma detección de calor comparativamente lenta se aplica a los detectores de calor tipo punto estándar, que enfrentan desafíos adicionales, como el rango de temperatura de operación (día, noche, invierno, verano), cambios de humedad (lluvia, nieve, niebla), rayos, polvo, suciedad , etc.

Un sistema de pulverización de agua (a menudo una mezcla de agua y espuma) usualmente involucra detectores accionados por calor que operan una válvula de inundación mecánica automática que suministra el agente de extinción a las boquillas de pulverización. Los detectores de incendio de transformadores deben ser capaces de hacer frente a estos desafíos y, además, deben responder extremadamente rápido a un incidente para mantener el daño lo más bajo posible. Esto se puede lograr utilizando detectores de llama o calor de grado industrial. Sin embargo, debido a que los detectores deben montarse lo más cerca posible de la zona de la llama potencial, el elemento sensor debe poder soportar condiciones severas.

Detectores de calor ultrarrápidos

El detector de calor de respuesta más rápida en esta categoría es el ADW 535 de Securiton, un sensor que ofrece detección de calor de tasa de aumento en unos pocos milisegundos para liberar las válvulas de extinción al instante. Se basa en un tubo de metal sellado cuya presión inherente se evalúa a una velocidad de 2’000 muestras por segundo a una precisión de 0,2 ° C. Este tubo sensor se coloca en la máxima proximidad del tanque del transformador.

El material del tubo es de cobre o acero inoxidable. Por lo tanto, no se requiere un cuidado especial al limpiar el transformador con aire presurizado o productos químicos de limpieza. La protección contra rayos es simple: una conexión del tubo a tierra será suficiente.

Para más información, vaya a www.securiton.com

Referencias

  1. Heinz-Peter Berg, Nicole Fritze, Oficina Federal de Protección contra la Radiación, Salzgitter, Alemania, www.degruyter.com/downloadpdf/j/jok.2012.23.issue-1/jok-2013 -0034 / jok-2013-0034.xml
  2. Riesgo es igual a Probabilidades Tiempos Consecuencias, Arne Petersen, AP Consulting, 1 de abril de 2014 Transmission & Distribution World http://tdworld.com/substations/risk-equals-probability-times-consequences
  3. Transformador eléctrico contra incendios y protección contra explosiones, Grupo KAFACTOR, 12 Bram Court, Unidad 20, Brampton, ON L6W 3V1, Canadá www.kafactor.com
  4. Los transformadores siguen fallando, Irfan Akhtar, Lahore, enero de 2016 Artículos sobre ciencia y tecnología: http://hamariweb.com/articles/70798
  5. 4 dispositivos de protección de transformadores de potencia explicados en detalles, Edvard Csanyi, EEP Electrical Engineering Portal, 20 de abril de 2015 http://electrical-engineering-portal.com/4-power-transformer-protection-devices-explained-in-details