Zabezpieczenia przeciwpożarowe transformatorów energetycznych

Transformator jest bardzo prostym urządzeniem zarówno w konstrukcji, jak i w budowie. Niektóre konstrukcje transformatorów nie mają części ruchomych, dzięki czemu nie wymagają wielu czynności konserwacyjnych. Z uwagi na względnie dużą moc przepuszczaną przez transformator energetyczny wymagają one jednak intensywnego chłodzenia. Bardzo dobrym chłodzeniem i jednocześnie izolatorem jest olej mineralny, dlatego jest on powszechnie stosowany w tego typu transformatorach. Olej mineralny ma podstawową wadę – złe właściwości pożarowe.

Temperatura zapłonu oleju jest stosunkowo niska (145–175˚C). Temperatura zapalenia to około 300°C. Niska temperatura zapłonu oleju mineralnego wynika z palnych gazów powstających podczas rozkładu termicznego. Niektóre transformatory wymagają bardzo dużo oleju (rzędu dziesiątków ton) i z tego powodu stanowią bardzo poważne zagrożenie pożarowe. Ponieważ olej nie może mieć swobodnego dostępu do powietrza, kadzie transformatorów są zamknięte i tym samym narażone na rozerwanie. Rozerwanie zbiornika z cieczą łatwo palną przy obecności łuku elektrycznego kończy się poważną katastrofą. Znane są przypadki nie tylko zniszczenia transformatora, ale i całej stacji elektroenergetycznej z powodu wybuchu w kadzi transformatora. To między innymi jedna z przyczyn dużego zainteresowania zagadnieniami dotyczącymi pożarów i wybuchów transformatorów.

przyczyny pożarów i wybuchów transformatorów

Transformator jest urządzeniem elektrycznym i mogą w nim wystąpić zjawiska pożarowo niebezpieczne typowe dla innych urządzeń. Ponieważ tor prądowy transformatora jest w kadzi, rozróżniamy przyczyny wewnętrzne i zewnętrzne. Przyczyną wewnętrzną jest przebicie izolacji i zapłon łuku – z reguły ta przyczyna, która jest w zasadzie wtórna, powoduje rozerwanie kadzi. W tym przypadku przyczyną pierwotną są uszkodzenia układu zabezpieczenia – wyłącznik [1].

Dla każdego urządzenia elektrycznego przepływ nadmiernego prądu jest niekorzystny i musi być czasowo ograniczany. W transformatorze, z uwagi na olej, niewyłączenie nadmiernego prądu w odpowiednim czasie prowadzi do zniszczenia izolacji. Olej ulega rozkładowi i tworzą się palne gazy, które powodują wzrost ciśnienia w kadzi. Może również wystąpić całkowite zniszczenie izolacji i zapłon łuku. Wzrost ciśnienia w kadzi może spowodować przerwanie membrany rury wydechowej lub uszkodzenia przepustów czy kadzi. Olej wyrzucony z kadzi ma z reguły temperaturę przekraczającą temperaturę zapłonu, dlatego zapala się. Zwarcia czy przeciążenia występujące poza transformatorem wyłączone przez zabezpieczenia w odpowiednim czasie teoretycznie nie mogą być przyczyną pożarów czy wybuchów.

W niektórych przypadkach łuk elektryczny zapala się na przepustach. Przyczyną takiego wypadku mogą być ptaki lub zwierzęta, przepięcia, zły styk zacisku liniowego z przepustem, czy wady fabryczne przepustu. W tym przypadku awaria dotyczy tylko izolatorów, powodując pęknięcie porcelany, wytrysk oleju i jego zapłon. Łuk elektryczny może zapalić się na przepustach wewnątrz kadzi. Najczęściej występuje wtedy zwarcie między dolną częścią przepustu a kadzią. W tym przypadku może zostać zniszczona osłona ceramiczna przepustu i nastąpi wytrysk oleju na zewnętrz kadzi przez otwór po przepuście. Rozgrzany olej zapala się na pokrywie transformatora.

Z uwagi na konieczność regulacji napięć w sieci w niektórych transformatorach energetycznych są stosowane przełączniki zaczepów. W wielu przypadkach są przyczyną pożarów, z uwagi na możliwość zapalenia się łuku elektrycznego między elementami przełączającymi. W początkowej fazie w komorze przełącznika gromadzą się gazy, po czym następuje eksplozja i zapalenie oleju.

Przyczyną eksplozji i pożaru transformatora olejowego może być tzw. pożar żelaza. To zjawisko jest spowodowane prądami wirowymi, które w przypadku zwarć w blachach rdzenia nadmiernie przegrzewają ten element. Temperatura w części uszkodzonego rdzenia może osiągnąć temperaturę topnienia żelaza i stąd wynika intensywne gazowanie oleju i możliwość rozerwania kadzi.

Transformatory są elementami o małej awaryjności. Statystyki amerykańskiego stowarzyszenia IEEE [2], biorące pod uwagę około 1000 uszkodzeń transformatorów, jakie wystąpiły w latach 1975–1985, podają następujący procentowy rozkład rodzaju uszkodzeń:

• uszkodzenia uzwojeń – 51%,
• uszkodzenia przełączników zaczepów – 19%,
• uszkodzenia izolatorów przepustowych – 9%,
• uszkodzenia rdzenia – 2%,
• inne uszkodzenia (kadzi, obiegu oleju, itp.) – 13%.