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Sistema de rápida despressurização de tanque adequado para prevenir explosão e incêndio de transformador

Estudo comparativo entre dispositivo Tubo de Explosão e TRANSFORMER PROTECTOR

06/10/2017 - Conteúdo de responsabilidade do anunciante

Comparação entre dispositivos tipo Tubo de Explosão Modificado (Goose Neck) e TRANSFORMER PROTECTOR como sistemas de rápida despressurização de tanque adequados para prevenir explosão e incêndio de transformador por arco interno

 
Por Omar Ahmed, Anne Goj e Ashwin Padmanaban Iyer
Departamento de Pesquisa da Transformer Protector Corp

Resumo

Os transformadores de potência normalmente contêm milhares de litros de líquido dielétrico de isolamento. Quando o isolamento do transformador falhar, o curto-circuito resultante inicia uma cadeia de reações químicas que produz uma mistura de gases combustíveis, como acetileno e hidrogênio. As cargas de alta pressão subsequentes colocam tanques de transformadores em alta probabilidade de falha catastrófica, levando a riscos significativos para a vida humana e segurança ambiental, bem como grandes custos para a indústria de energia.
Para estudar a ruptura do transformador e estratégias efetivas de prevenção, realizaram-se experimentos de arco sobre transformadores.  Como os testes ao vivo são caros e potencialmente perigosos, as simulações numéricas são úteis para estudar o comportamento em uma ampla gama de tipos de transformadores e possíveis configurações de falhas.  Para este fim, esses testes de arco foram generalizados para desenvolver uma ferramenta computacional de simulação de dinâmica de fluidos, com base em um modelo de fluxo bifásico 3D compressível instável e resolvido usando um método de volume finito.  Documentos anteriores demonstraram a capacidade dessa ferramenta hidrodinâmica para estudar em detalhes (1) a evolução da pressão dentro dos tanques do transformador após os eventos de arco e (2) estratégias efetivas de mitigação para evitar a ruptura do tanque.  
Usamos esse modelo para estudar duas configurações de proteção destinadas a despressurizar transformadores sujeitos a eventos de arco internos.  Estas configurações incluem a.) incluindo o TRANSFORMER PROTECTOR (TP), um Sistema de Rápida Despressurização (FDS) validado experimentalmente, projetado para despressurizar transformadores em milissegundos após um evento de arco, e b.) adicionando um Tubo de Explosão Modificado tipo Goose Neck (MGNRD).  
Concluímos que o Tubo de Explosão Modificado (tipo Goose Neck) conduz a uma elevada e perigosa pressão de retorno, levando a explosão do transformador dado um evento típico de arco. Esta observação é óbvia considerando:
 O CIGRE A2.33 Guide for Transformer Fire Safety Practices [12] e o IEEE C57.156 Guide for Tank Rupture Mitigation of Liquid-Immersed Power Transformers and Reactors [13], o qual descreve em um amplo consenso que dispositivos de alívio Tubo de Explosão (tipo Goose Neck) são dispositivos de prevenção de explosão ineficazes e, portanto, este design ou projeto caiu em desuso pela indústria de energia.  
• Os projetistas deste Tubo de Explosão Modificado (tipo Goose Neck) cometeram um erro enorme ao injetar novamente energia criada por falhas de baixa impedância dentro de tanques de transformadores, devido à falta de um amplo reservatório adicional para deposição de óleo, aumentando consideravelmente o risco de explosão associado ao Tubo de Explosão (tipo Goose Neck), que está evacuando óleo do tanque do transformador diretamente à atmosfera.
 

Introdução

Avaliamos duas estratégias de proteção que visam minimizar o risco associado ao arco em transformadores de potência imersos em líquido.
A primeira solução que avaliamos é um Tubo de Explosão tipo Goose Neck específico que foi usado pela indústria de energia, que chamamos de Tubo de Explosão Modificado tipo Goose Neck (MGNRD), onde um longo tubo (também conhecido como “pescoço de ganso”) é montado em uma porta de inspeção do transformador, seguido de um disco de ruptura, seguido por um comprimento adicional de tubulação que se esvazia em um reservatório. A possibilidade de usar esses tipos de dispositivos foi avaliada pelo IEEE e CIGRE, que são muito céticos com relação aos Tubos de Explosão Modificado tipo Goose Neck como soluções efetivas para evitar explosões de transformadores:
• Quando o CIGRE A2.33 [12] discute os Dispositivos de Alívio tipo Goose Neck, é descrito que as desvantagens como “a altura do óleo no tubo e o possível afastamento da localização da falha, pode proporcionar uma contrapressão que reduz a eficácia da ventilação para falhas de arco de alta energia”.  O documento acrescenta que existem “Muitos exemplos de tanques do transformador que se romperam enquanto o diafragma do Goose Neck ainda permanecia intacto”. O CIGRE conclui que esse tipo de proteção de alívio de pressão tem “poucas ou pequenas aberturas de ventilação para ter proteção efetiva contra a ruptura do tanque no caso de uma falha de arco interno de alta energia”.
• IEEE C57.156 [13] acrescenta: “Os primeiros dispositivos de alívio de pressão consistiam em discos de ruptura localizados no final de pescoço de ganso (tubos verticais com uma extremidade curva anexada ao tanque principal). A principal desvantagem desses primeiros dispositivos de alívio de pressão foi o comprimento do pescoço de ganso, que pode introduzir a contrapressão que impede o funcionamento do disco de ruptura”.
O CIGRE A2.33 Guide for Transformer Fire Safety Practices [12] e o IEEE C57.156 Guide for Tank Rupture Mitigation of Liquid-Immersed Power Transformers and Reactors [13], o qual descreve em um amplo consenso que dispositivos de alívio Tubo de Explosão (tipo Goose Neck) são dispositivos de prevenção de explosão ineficazes e, portanto, este design ou projeto caiu em desuso pela indústria de energia.  
A segunda solução que avaliamos é o TRANSFORMER PROTECTOR (TP), um exemplo comum da indústria de Sistema de Rápida Despressurização (FDS), que foi validado por duas campanhas de teste separadas, envolvendo 62 testes individuais bem-sucedidos [3] [7], múltiplas ativações do TP bem-sucedidas [1] [14], e um modelo numérico que generaliza a física observada nestes testes experimentais, mostrando ampla aplicabilidade na proteção de transformadores de potência [4].
Neste artigo, consideramos dois tanques de transformadores, um com uma potência de 45 MVA e um com uma potência de 400 MVA.  
O tanque do transformador de 45 MVA representa um tanque real com o MGNRD. Duas configurações geométricas são consideradas e submetidas a um arco interno de 5 MJ usando o software hidrodinâmico, discutido na Seção do Modelo Numérico:
• O tanque do transformador possui um TP com Conjunto de Despressurização (DS) de 20 cm de diâmetro.  Esta é a configuração TP padrão para um transformador de 45 MVA.
• O tanque do transformador tem um MGNRD de 20 cm de diâmetro, uma geometria consistente para transformadores com classes de tensão inferiores ou iguais a 230 kV.
Além disso, consideramos uma geometria de modelo de transformador de 400 MVA sujeita a um arco interno de 10 MJ.  O tanque 400 MVA possui duas geometrias: 
• O tanque do transformador tem apenas um TP de 30 cm de diâmetro.  Esta é uma configuração não-padrão destinada a destacar a eficácia da tubulação mínima entre o tanque principal e o Conjunto de Despressurização (DS) do TP para evacuar rapidamente o óleo pressurizado devido ao arco.  Devido às altas energias associadas aos tanques de transformadores de 400 MVA, a configuração TP padrão para este tanque envolve um Conjunto de Despressurização (DS) de 30 cm de diâmetro no tanque principal e DS de 6 x 25 cm de diâmetro para cada um dos canecos das buchas de alta e baixa voltagem.
• O tanque do transformador tem um MGNRD de 25 cm de diâmetro, uma geometria padrão para transformadores com classes de tensão superiores a 230 kV.  A seção de despressurização associada a esta válvula é 7.44 vezes menor do que a configuração do TP padrão. 
Para todas as geometrias, a altura inicial do óleo aumenta para metade da altura do tanque conservador.  O restante do tanque é preenchido com gás nitrogênio.

Modelo Numérico

Nós modelamos a propagação de ondas de pressão no óleo do transformador, quando sujeito a eventos internos de arco, como um fluxo trifásico compressível 3D, usando o conjunto de equações diferenciais parciais desenvolvidas em [8].  Este modelo foi selecionado para descrever com precisão a propagação da onda de pressão dentro de líquidos e gases.  Os volumes são definidos por uma malha 3D não estruturada constituída por elementos tetraédricos, para permitir uma descrição precisa de geometrias complexas, como os tanques de transformadores.
Uma implementação deste modelo como uma ferramenta numérica hidrodinâmica é o software HYCTEP (Código Hidrodinâmico para Prevenção de Explosão de Transformador) e foi apresentado em referência [4].  Este trabalho incluiu um estudo paramétrico explorando as estratégias de mitigação de explosão do tanque do transformador. O modelo matemático desenvolvido para a propagação de pressão induzida por arco nos transformadores foi verificado simulando testes experimentais de curto-circuito de transformadores pelo laboratório Brasileiro de alta tensão, CEPEL [3].  Mais recentemente, este modelo foi usado para explicar fisicamente eventos após um transformador de 400 MVA russo ter sido submetido a um curto-circuito de 6,6 MJ [1].  
Além disso, este modelo foi acoplado a um solucionador estrutural, Code_ASTER. [11]. Os testes iniciais sobre a precisão física fundamental desta Interação de Estrutura-Fluido (FSI) foram publicados em [6], seguido de um estudo de arco em um Comutador sob carga (OLTC) em [5] e, finalmente, um estudo de um programa de teste de explosão de transformador controlado pela empresa francesa Electricite de France (EDF) em [7].

Geometria e Malha

Inicialmente, criamos uma malha para representar a discretização geométrica de um modelo de transformador de 45 MVA. Como a simulação resolve somente a Dinâmica de Fluidos Computacionais (CFD), nenhum suporte estrutural foi incluído na malha, mostrado na Figura 1.
Consideramos uma segunda geometria do transformador mostrada na Figura 2, representando um transformador de 400 MVA. Tanto o MGNRD como o TP com uma configuração não-padrão que representa uma seção de despressurização comparável são retratados nesta figura.

Figura 1: Malha do Transformador de 45 MVA com MGNRD

 

Malha do transformador com o TP não-padrão
 
 
 
Malha do transformador com MGNRD
 
Figura 2: Malhas dos Transformadores de 400 MVA
 
 

Parâmetros de simulação

O óleo do transformador e o seu vapor são representados como um gás rígido, descrito em [9].
 
Potência
do Transformador
Equação de 
Estado do
óleo dielétrico
Amplitude
da Corrente
(I max)
Amplitude da 
Tensão
(V max)
Duração
(T)
Frequência (v)
Energia do Arco (E)
400 MVA Cicloexano

9090.91 A

20000 V 110 ms 50 Hz 10 MJ
45 MVA Dodecano 5010 A 20000 V 100 ms 50 Hz 10 MJ
 
Figura 3: Parâmetros de simulação
 
 
As energias de arco de 5 e 10 MJ são consideradas, com parâmetros específicos detalhados na Figura 3, e calculados usando a equação (1).

 

 
 
 
Para todas as geometrias e energias de arco, o arco do modelo é localizado nas buchas de alta tensão e no lado oposto do tanque em comparação com o TP ou MGNRD para estabelecer o pior cenário.

Caso do Transformador de 45 MVA

Examinamos primeiro o transformador de 45 MVA da Figura 2, submetido a um arco de 5 MJ, e avaliamos as configurações de proteção de MGNRD e TP. Os resultados tridimensionais são mostrados na Figura 4. Vemos que as pressões em ambos os casos se acumulam rapidamente acima de 5 bar de pressão. No entanto, em 100 ms, o tanque equipado com o TP está despressurizando mais rápido do que o tanque equipado com o MGNRD. Os tanques são completamente despressurizados em 220 ms para ambos os casos, mas há uma forte recuperação que se manifesta no tanque com o MGNRD em 360 ms. As altas pressões persistem através de 600 ms no tanque com o MGNRD, a 3 bar acima da pressão atmosférica.
 
Figura 4: Transformador de 45 MVA, arco de 5 MJ
 
 
Com base em [12] e [13], usamos como parâmetro de pressão 1 bar para ser o limite de resistência estática. Na nossa experiência, os tanques de transformador geralmente romperão entre 200 ms e 400 ms após um evento de curto circuito, que descrevemos como a Zona de Explosão do Transformador. Se as pressões médias do tanque forem substancialmente maiores do que o limite de resistência estática durante a Zona de Explosão do Transformador, estimamos um alto risco de ruptura. Assim, podemos concluir que o tanque com o TP está em pressões seguras a 220 ms, mas as pressões perigosamente altas persistem além de 600 ms para o tanque com o MGNRD e o tanque do transformador irá romper devido a este evento de arco.

Caso do Transformador de 400 MVA

Os resultados são mostrados para o transformador de 400 MVA, sujeito a um arco de 10 MJ na Figura 5. O tanque tem duas configurações: equipadas com (1) um TP não padrão e (2) um MGNRD. A configuração com o TP é uma configuração não padrão para esta potência, equipada com apenas um Conjunto de Despressurização (DS) de 30 cm de diâmetro. Em vez disso, uma configuração TP padrão para este tipo de transformador de 400 MVA teria um DS adicional de 25 cm de diâmetro para cada um dos seis canecos das buchas. A razão pela qual estamos avaliando uma configuração TP não padrão é que este artigo está tentando isolar o efeito da geometria do Tubo de Explosão na despressurização e, portanto, usamos uma seção de despressurização similar. Observamos que existe uma escala com um alcance maior usado para representar as pressões muito maiores alcançadas neste caso, associadas à maior energia do arco.
Observamos que altas pressões se acumulam rapidamente em ambos os casos. No entanto, para o tanque equipado com o MGNRD, vemos uma despressurização extremamente lenta, de modo que pressões extremamente altas ainda estão presentes em 500 ms. Isto é atribuído às pressões de retorno enfatizadas pelo CIGRE [12] e IEEE [13]. Além disso, conforme mostrado na Figura 5, as pressões no MGNRD retornam para aproximadamente 3 bar acima da pressão atmosférica em 900 ms. Isso é atribuído à tubulação longa entre o tanque principal e o disco de ruptura e a seção transversal de descompressão muito menor em comparação com o TP. Como os transformadores normalmente não são projetados para suportar pressões constantes significativamente maiores do que 1 bar [12] [13], o MGNRD seria incapaz de evitar a ruptura do tanque.
 
Figura 5: Pressão média do tanque, transformador de 400 MVA, arco de 10 MJ, Comparação entre TP não padrão e MGNRD
 
 Tanque com TP não padrão com DS semelhante ao MGNRD despressurizado em 320 ms.
 O tanque com Tubo de Explosão Modificado tipo Goose Neck gera uma perigosa PRESSÃO DE RETORNO de 4 bar por volta de 900 ms.
 Após 1000 ms o tanque com o Tubo de Explosão Modificado tipo Goose Neck ainda apresenta pressões perigosamente altas, LEVANDO A RUPTURA DO TANQUE.
 
 
O comportamento contrastado entre estas duas soluções de proteção de transformador também é ilustrado na Figura 6, que mostra a evolução da pressão tridimensional dentro do transformador. Como na Figura 5 que representa a pressão média do tanque, vemos que o transformador equipado com um TP não padrão é despressurizado para níveis seguros em 320 ms após o arco, enquanto que as pressões em todo o interior do tanque equipado com o MGNRD ainda são superiores a 10 bar. Logo, o tanque equipado com o TP diminui para pressão atmosférica em 500 ms, e o tanque equipado com o MGNRD só começa a despressurizar depois, experimentando uma pressão de retorno perigosamente grande a 900 ms após o arco.
 
 
Figura 6: Transformador de 400 MVA, arco de 10 MJ. Comparação entre TP não padrão e MGNRD
 
 
Nós utilizamos uma geometria de transformador adicional de [1] para demonstrar a eficácia da configuração TP padrão para a mesma potência, que inclui Conjuntos de Despressurização adicionais nos canecos das buchas de alta e de baixa tensão. Observamos que a energia do arco para este caso simulado é ainda maior, em 11 MJ.  
Na Figura 7, observamos que a pressão média dentro do tanque do transformador está segura e abaixo do limite de resistência estática dentro de 100 ms. Devido à nossa experiência de que os transformadores tendem a romper o tanque entre 200 e 400 ms após eventos de arco, podemos considerar que o tanque equipado com a configuração TP padrão não corre perigo de ruptura, dado o arco de 11 MJ simulado.
Uma síntese de todas as simulações discutidas envolvendo transformadores de 400 MVA é mostrada na Figura 8. Devido à sua seção de despressurização muito maior, a configuração TP padrão leva a um processo de despressurização três vezes mais rápido em comparação com uma configuração TP não padrão projetada para aproximar a seção de despressurização associada à configuração padrão do MGNRD.  O tanque equipado com o MGNRD por sua vez tem pressões persistentemente altas ao longo da simulação de 1000 ms, o que levaria à ruptura do tanque.
 
 
Tanque com configuração padrão TP despressurizado em 100 ms
Os transformadores tendem a se romper nestas condições entre 200 e 400 ms.
AS PRESSÕES ELEVADAS COM O MGNRD OBVIAMENTE LEVAM À EXPLOSÃO.
Figura 7: Pressão média no tanque, transformador de 400 MVA, arco de 10 MJ. Comparação entre Confguração TP padrão (11 MJ) e MGNRD (10 MJ)
 
 
 
Tanque com configuração TP padrão despressurizado três vezes mais rápido que a configuração com um único conjunto de despressurização.
Portanto, é importante usar a Configuração padrão do TP para evitar explosões de transformadores.
AS PRESSÕES ELEVADAS COM O MGNRD OBVIAMENTE LEVAM À EXPLOSÃO
Figura 8: Pressão média no tanque. Comparação de todos os resultados para o Transformador de 400 MVA
 
 
A rápida despressurização de um transformador de 400 MVA devido à configuração TP padrão é demonstrada adicionalmente na Figura 9, onde os contornos de pressão são plotados no tempo. Em 110 ms, as pressões estão em grande parte abaixo do limite de resistência estática, reforçando as Figuras 7 e 8 que traçam a pressão média no tanque e, em 200 ms, o tanque inteiro está na pressão atmosférica.  Em contraste, o transformador com o MGNRD permanece com pressões perigosamente altas ao longo desta escala de tempo de despressurização, como mostrado anteriormente nas Figuras 6-8.
A partir dessas simulações, supomos que o MGNRD não é uma solução efetiva para evitar a explosão do transformador, dadas as pressões extremamente altas que persistem no tanque do transformador, enquanto o TP despressuriza rapidamente o tanque do transformador, evitando a ruptura do tanque e fogo subsequente. É evidente que os projetistas do Tubo de Explosão Modificado (tipo Goose Neck) cometeram um erro enorme ao injetar novamente energia criada por falhas de baixa impedância dentro de tanques de transformadores, devido à falta de um amplo reservatório adicional para deposição de óleo, aumentando consideravelmente o risco de explosão associado ao Tubo de Explosão (tipo Goose Neck), que está evacuando óleo do tanque do transformador diretamente à atmosfera.
 

Figura 9: Transformador de 400 MVA. Comparação entre Confguração TP padrão (11 MJ) e MGNRD (10 MJ)
 

Conclusões

 
Concluímos que o Tubo de Explosão Modificado (tipo Goose Neck) conduz a uma elevada e perigosa pressão de retorno, levando a explosão do transformador dado um evento típico de arco, para os transformadores de 45 MVA e 400 MVA estudados.
Esta observação é óbvia considerando:
 
O CIGRE A2.33 Guide for Transformer Fire Safety Practices [12] e o IEEE C57.156 Guide for Tank Rupture Mitigation of Liquid-Immersed Power Transformers and Reactors [13], o qual descreve em um amplo consenso que dispositivos de alívio Tubo de Explosão (tipo Goose Neck) são dispositivos de prevenção de explosão ineficazes e, portanto, este design ou projeto caiu em desuso pela indústria de energia.  
Os projetistas deste Tubo de Explosão Modificado (tipo Goose Neck) cometeram um erro enorme ao injetar novamente energia criada por falhas de baixa impedância dentro de tanques de transformadores, devido à falta de um amplo reservatório adicional para deposição de óleo, aumentando consideravelmente o risco de explosão associado ao Tubo de Explosão (tipo Goose Neck), que está evacuando óleo do tanque do transformador diretamente à atmosfera.
 
A pressão de retorno associada ao MGNRD leva à despressurização lenta do tanque do transformador, combinada com rebotes acentuados de pressão dentro do tanque quase 1000 ms após o início do evento de arco. Isto é devido à grande quantidade de tubulação entre o tanque principal e o disco de ruptura, e a seção de despressurização muito menor em comparação com o TP, 7,44 vezes menor que o caso de um TP para um transformador de 400 MVA. Como os transformadores não são projetados para suportar sobrepressões acima de 1 bar [12] [13], o tanque do transformador provavelmente se rompe. Além disso, observamos que os gases para o MGNRD são ventilados perto dos radiadores, criando um risco de incêndio grave.
Em comparação, o TP alivia com segurança as pressões nos casos de 45 MVA e 400 MVA.  O transformador de 45 MVA sujeito a um arco de 5 MJ está em condição segura em 220 ms, e o de 400 MVA, sujeito a arco de mais de 11 MJ, está seguro em 100 ms, desde que a configuração TP padrão seja usada.
Portanto, o TP de configuração padrão é a solução mais eficaz para prevenir a explosão de transformador e incêndio após um evento de arco interno. Isso também é fundamentado por duas campanhas de teste com 62 testes individuais bem-sucedidos, uma ferramenta numérica validada que generaliza as observações nesses testes para provar a eficácia do TP para outras configurações e muitas ativações de TP bem-sucedidas.
 

Bibliografia 

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12. CIGRE A2.33, 2013, Guide for Transformer Fire Safety Practices.
 
13. IEEE C57.156-2016, Guide for Tank Rupture Mitigation of Liquid-Immersed Power Transformers.
 
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