Ursachen der Rissbildung in den Wicklungen von in Epoxidharz gegossenen Trockentransformatoren und der Einflussmechanismus thermischer Zyklen

1. Multidimensionale Auslösefaktoren der Wicklungsrissbildung

Die Wicklungsrissbildung ist nicht das Ergebnis eines einzelnen Fehlers, sondern vielmehr das Zusammenspiel mehrerer Faktoren, einschließlich Materialien, Verfahren, konstruktive Gestaltung und Betriebsbedingungen.

1.1 Entwicklung der Isolationsstruktur und Fehlanpassung der Materialeigenschaften

1.2 Unsachgemäße Steuerung der Gieß- und Aushärtungsprozesse

Während des Gießvorgangs verbleiben wahrscheinlich Luftblasen im Harz, wenn kein hochwertiges Vakuumgießverfahren angewendet wird oder die Entgasung unzureichend ist. In der Aushärtungsphase kann das Harz nicht langsam und gleichmäßig aushärten, wenn die Aufheiz-, Halte- und Abkühlprofile unsachgemäß gesteuert werden, was zu übermäßigen internen Eigenspannungen führt, die inhärente Defekte erzeugen und das Material für spätere Rissbildung anfällig machen.

1.3 Mechanische Spannung und Einfluss elektromagnetischer Kräfte

Während des Betriebs sind Transformatoren äußeren mechanischen Vibrationen sowie enormen elektromagnetischen Kräften bei Kurzschlussereignissen ausgesetzt. Wenn die Spulenwicklung nicht straff ist oder die Stütz- und Befestigungsmethoden unzureichend sind, können wiederholte elektromagnetische Kräfte und Vibrationen eine Verformung der Spule, eine Beschädigung der Isolationsschicht und sogar Rissbildung verursachen.

1.4 Raue Betriebsumgebung

Langanhaltende Einwirkung hoher Temperaturen beschleunigt die thermische Alterung und den thermischen Zerfall des Harzes, was seine mechanische Festigkeit verringert. In heißen und feuchten Umgebungen verursacht das Eindringen von Feuchtigkeit eine Esterhydrolyse im Harz, wodurch Mikroporen auf der Oberfläche entstehen. Zusätzlich können korrosive Gase in Umgebungen wie chemischen Anlagen (z. B. Schwefeldioxid, Chlor) das Isoliermaterial angreifen und seine Molekularstruktur zersetzen.

2. Einflussmechanismus thermischer Zyklen auf die Harzisolierschicht

Unter den oben beschriebenen Auslösern ist die thermische Zyklisierung (Temperaturzyklisierung) der zentrale physikalische Mechanismus, der den gesamten Lebenszyklus der Ausrüstung durchzieht und als "Katalysator" wirkt, der die Rissausbreitung beschleunigt. Forschungen zeigen, dass die durch thermische Zyklen verursachte "thermomechanische Ermüdung" weitaus wahrscheinlicher Mikrorisse in der Isolationsschicht hervorruft als eine kontinuierliche Hochtemperatureinwirkung. Ihre Auswirkungen auf die Harzisolierschicht spiegeln sich hauptsächlich in den folgenden vier Aspekten wider.

2.1 Akkumulation und Ermüdung durch wechselnde thermische Belastung

Aufgrund der Diskrepanz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Harz und dem Leiter sowie zwischen dem Harz und der Glasfaserverstärkung erzeugt die thermische Zyklisierung wechselnde Zug- und Scherspannungen an den Materialgrenzflächen. Mit zunehmender Zyklusanzahl schwächen diese Spannungen die Grenzflächenhaftfestigkeit, Mikrorisse entstehen und breiten sich allmählich aus, bis sie sich schließlich zu Durchrissen entwickeln.

2.2 Verschlechterung der Materialmikrostruktur

Unter der wechselnden Temperaturbelastung durch thermische Zyklen baut sich das vernetzte Netzwerk des Epoxidharzes allmählich ab, und das freie Volumen im Material nimmt zu. Auf mikroskopischer Ebene äußert sich dies in Hohlräumen und Mikrorissen auf den Bruchflächen; auf makroskopischer Ebene zeigt es sich als Abnahme der Wechselstrom-Durchschlagfestigkeit des Isoliermaterials.

2.3 Kritischer Effekt der Glasübergangstemperatur (Tg)

Wenn sich die Betriebstemperatur der Glasübergangstemperatur (Tg) des Epoxidharzes nähert oder diese überschreitet, steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient stark an und der Modul erfährt eine signifikante Veränderung. Zu diesem Zeitpunkt geht das Material von einem starren glasartigen Zustand in einen hochelastischen Zustand über, sein Verformungswiderstand sinkt dramatisch, und die durch thermische Zyklen verursachte innere Spannungskonzentration führt leichter zu Grenzflächenablösungen und Rissbildung.

2.4 Teilentladungen (TE) auslösender Teufelskreis

Durch thermische Zyklen verursachte Risse erzeugen Mikroluftspalte innerhalb der Isolationsschicht. Da die Dielektrizitätskonstante von Harz weit höher ist als die von Luft, wird die elektrische Feldstärke im Luftspalt unter Wechselspannung umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante verteilt, was zu einer extrem hohen Feldstärke im Spalt führt. Dies löst leicht Teilentladungen aus. Die durch TE erzeugten hochenergetischen Partikel erodieren und zersetzen das Epoxidharz weiter, wodurch ein Teufelskreis aus "Rissbildung → TE → elektrische Erosion → verstärkte Rissbildung" entsteht, der schließlich zum Isolationsdurchschlag führt.

3. Zusammenfassung und systematische Abwehrstrategie

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wicklungsrissbildung in Epoxidharz-Gießtrockentransformatoren im Wesentlichen ein Problem der Materialermüdung und des Strukturversagens ist, das durch die Kopplung mehrerer Faktoren verursacht wird. Um dieses Problem grundlegend zu lösen, muss in beiden Phasen, der Herstellung und dem Betrieb, eine systematische Abwehrstrategie etabliert werden.

Nur durch die Kombination der Verbesserung der intrinsischen Materialeigenschaften mit einem lebenszyklusorientierten Betriebs- und Instandhaltungsmanagement kann den erosiven Auswirkungen thermischer Zyklen wirksam widerstanden werden, wodurch der langfristige sichere und stabile Betrieb von Trockentransformatoren gewährleistet wird.