تأثير الغمر طويل الأمد على المحولات الكهربائية ذات الجهد المنخفض المعزولة بالراتنج الإيبوكسي
1 مقدمة
يتم استخدام محولات التيار ذات الجهد المنخفض للقياس، والتي تتميز ببنية راتنج الإيبوكسي من النوع الذي يمر عبر اللب، بشكل واسع في المناطق المخصصة لمحولات التوزيع وللأجهزة الصناعية والتجارية الصغيرة والمتوسطة الحجم. كمدد لقياس الطاقة الكهربائية، فإن أداءها يتعلق مباشرة بأمان استهلاك الطاقة ودقة حسابات المستخدمين التجارية. يعد دراسة تأثير الغمر على المدى الطويل لهذه المحولات مهمًا عمليًا لتحديد جودة العديد من المحولات ذات الجهد المنخفض التي غمرتها الأمطار الشديدة والفيضانات.
لطالما استمرت الأبحاث حول امتصاص الرطوبة في المحولات. النتائج الموجودة لم تغطي ظروف الغمر على المدى الطويل، والأثر الأكثر سوءًا للمحولات نتيجة الغمر طويل الأمد أكثر من امتصاص الرطوبة. في اختبارات النوع الوطنية للمحولات، يكون مستوى الحماية للمحولات الداخلية IP20 بينما يكون للمحولات الخارجية IP44؛ ولم تحدد معايير التقنية للصناعة الكهربائية والشركات المشغلة الشبكات ذلك. لتحديد ما إذا كان يمكن استخدام المحولات المغمورة مرة أخرى، يجري هذا البحث اختبار غمر محاكي، ويحلل التغيرات في الأداء بعد الغمر، ويقدم اقتراحات للرقابة على الجودة لتحسين مقاومة المياه للمحولات.
2 التحليل النظري لخصائص غمر المحولات
الخصائص الرئيسية لمحولات التيار ذات الجهد المنخفض هي خصائص العزل وخواص القياس. خصائص العزل تشمل أساساً مقاومة العزل وضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي، بينما تعكس خصائص القياس الخطأ الأساسي. خصائص الغمر تشير إلى التغييرات في مقاومة العزل وضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي والخطأ الأساسي للمحول قبل وبعد الغمر والتجفيف.
2.1 مقاومة العزل
مقاومة العزل R تتكون من مقاومة الحجم Rv ومقاومة السطح Rs، كما هو موضح في المعادلة (1). وكثافة المقاومة الحجمية ρv وكثافة المقاومة السطحية ρs موضحة في المعادلات (2) و(3).
في المعادلة، EV هو قوة المجال الكهربائي المباشر داخل المادة العازلة؛ JV هو كثافة التيار الثابتة؛ ES هو قوة المجال الكهربائي المباشر؛ α هي كثافة التيار الخطية.
تتأثر مقاومة العزل بشكل كبير برطوبة الهواء. بما أن الموصلية الكهربائية للماء أعلى بكثير من مواد العزل من راتنج الإيبوكسي، والماء له ثابت دييكتريك كبير يمكنه تقليل طاقة أيونات الأيونات. لذا، عندما يتم غمر المادة العازلة بالماء، تنخفض مقاومة السطح بسرعة، بينما لا تتغير مقاومة الحجم كثيراً. عندما يتم تجفيف المادة المغمورة، إذا كانت مقاومة الماء للمادة المتوسطة عامة أو يوجد عيوب داخل الجسم المصبوب، تتعافى مقاومة السطح بسرعة ولكن تنخفض مقاومة الحجم بشكل كبير ولا يمكن استعادتها بشكل فعال.
2.2 ضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي
يتم تطبيق جهد الاختبار لضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي بين الطرف الثانوي واللوحة السفلية والأرض. في مجال كهربائي غير منتظم، يمكن تقدير قوة المجال الكهربائي للكسر الوسطي تقريباً باستخدام المعادلة (4).
في المعادلة، EBD هو قوة المجال الكهربائي للكسر (القيمة القصوى) بين كهربائيين المادة العازلة؛ UBD هو جهد الكسر الكهربائي (القيمة الفعالة)؛ s هو المسافة لكسر، وη هو معامل الاستخدام للمجال الكهربائي.
2.3 الخطأ الأساسي
الأخطاء الأساسية لمحول التيار تشمل خطأ النسبة وخطأ الطور. بغض النظر عن حالة العمل، يجب ألا يتجاوز الخطأ الأساسي حد الخطأ المحدد في المعيار المقابل لمستوى الدقة المحدد قبل أن يتم استخدامه.
3 شروط الاختبار
3.1 اختيار العينات
اختر بشكل عشوائي محولات التيار ذات الجهد المنخفض المعزولة براتنج الإيبوكسي المراد اختبارها، وأجرِ اختبارين متتاليين. تظهر مجموعات الاختبار ومعلمات العينات في الجدول 1.
3.2 المعدات الاختبارية
المعدات والمعلمات المستخدمة في الاختبار مبينة في الجدول 2.
3.3 اختبار الغمر
وفقًا لنظام IPX8 في GB/T 4208 - 2017 "درجات الحماية المقدمة بواسطة الأغلفة (رموز IP)"، يتم إجراء الاختبار باستخدام ماء نظيف. بالنسبة للأغلفة التي ارتفاعها أقل من 850 مم، يجب أن يكون النقطة الدنيا 1000 مم تحت سطح الماء. قبل الاختبار، قم أولاً بقياس مقاومة العزل وضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي والخطأ الأساسي للعينة، ثم قم بإجراء اختبار الغمر.
في مجموعة الاختبار الأولى، تم وضع 3 عينات من نفس الشركة المصنعة في معدات الاختبار الغامرة. تم حقن الماء النظيف، وكان ارتفاع السائل 1000 مم ودرجة حرارة الماء 15 درجة مئوية. بعد الغمر لمدة 5 أيام، تم إخراجها. تم مسح قطرات الماء عليها بقماشة جافة، وتركها لمدة 15 دقيقة. بعد التجفيف، تم إجراء الاختبارات. بعد ذلك، تم إجراء الاختبارات مرة واحدة كل يوم لمدة 10 أيام. أخيرًا، تم تركها في الهواء الطلق لمدة 5 أيام، وإعادة إجراء الاختبارات بعد التجفيف. في مجموعة الاختبار الثانية، تم زيادة حجم العينة. تم غمر عينات اختبار من 5 مصنعين تم اختيارهم عشوائيًا لمدة 10 أيام، ثم تركها في الهواء الطلق لمدة 5 أيام، وإعادة إجراء الاختبارات بعد التجفيف.
3.4 بيانات الاختبار
3.4.1 مقاومة العزل
تم قياس مقاومة العزل باستخدام نطاق الجهد المباشر 500 فولت. قيم مقاومة العزل (جزئية) لمجموعتي الاختبار مبينة في الجدول 3 والجدول 4.
كان معدل تغير مقاومة العزل للعينة رقم 3 هو الأكبر. بعد الغمر لمدة 10 أيام، كانت مقاومة العزل 43.3 ميجا أوم. بعد التجفيف لمدة 5 أيام، كانت مقاومة العزل 46.0 ميجا أوم، ومعدل التغير بلغ -99٪. بعد اختبار الغمر والتجفيف، استعادت مقاومة العزل للعينات الباقية السبع جميعها إلى نفس مرتبة مقاومة العزل في حالة التجفيف الأولية.
3.4.2 ضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي
كان هناك إجمالي 8 عينات اختبار في مجموعتي الاختبار قبل وبعد. من بينها، نجحت 7 في اختبار ضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي. كانت العينة رقم 3 فقط صعبة في زيادة الجهد، وكان يمكن سماع صوت تفريغ واضح جداً. بعد الاختبار، تم العثور على آثار مياه واضحة داخل مفصل اللوحة السفلية وراتنج الإيبوكسي للعينة رقم 3. كان هناك فجوة واضحة في واجهة صب راتنج اللوحة السفلية لهذه العينة. تظهر اللوحة السفلية للعينة بعد الاختبار في الشكل 1. في بيئة رطبة مع الغمر بالماء، يدخل الرطوبة الخارجية إلى داخل الجسم الرئيسي عبر الفجوة ولا يمكن تصريفها، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى العزل.
3.4.3 الخطأ الأساسي
تم إجراء اختبارات الخطأ على 8 عينات اختبار قبل وبعد الغمر. كمثال، بيانات اختبار الخطأ للعينة رقم 3 مبينة في الجدول 5.
4 تحليل الاختبار
تتكون محولات التيار ذات الجهد المنخفض بشكل أساسي من مواد العزل والحديد والنواة واللفائف. يتم استخدام عملية الصب: يتم خلط راتنج الإيبوكسي وميكروبودرة السيليكون ومادة التقوية ومادة التعجيل ومادة التصلب بنسبة محددة، ويتم تحريكها بشكل متساوٍ، ثم يتم حقنها في القوالب تحت ظروف معينة للتصلب.
4.1 مقاومة العزل
الشكل 2 هو رسم بياني لتوزيع بيانات مقاومة العزل لمحولات التيار في مجموعات الاختبار المختلفة. تظهر معظم المحولات المختبرة تغيرات متسقة في مقاومة العزل بعد الغمر والتجفيف: انخفاض كبير في بداية الغمر، ثم ارتفاع مرة أخرى إلى مرتبة مقاومة العزل الأصلية عند التجفيف. كانت العينة رقم 3 فقط لها معدل تغير في مقاومة العزل -99٪ بعد التجفيف، قريبة من قيمة التأهيل الحرجة 30 ميجا أوم.
بالنسبة لمجموعة الاختبار الثانية، تختلف تغيرات مقاومة العزل بعد الغمر. #01، #03، #04، #05 تنخفض إلى القيمة الحرجة؛ #02 تبقى دون تغيير تقريبًا. بعد التجفيف لمدة 5 أيام، تعود معظمها إلى المستوى الأصلي للمقاومة، مما يظهر أن #02 لديها جودة صب عازلة ممتازة بدون تسرب للماء بعد الغمر لفترة طويلة.
درجة الحرارة (غير مهمة هنا) والرطوبة تؤثران على مقاومة العزل. تتغير الرطوبة بشكل كبير قبل وبعد الاختبار. عادةً، تنخفض مقاومة السطح بينما تبقى مقاومة الحجم مستقرة. ولكن إذا كانت المادة العازلة ذات مقاومة للماء منخفضة أو بها عيوب في الصب، فإن المادة العازلة الرئيسية تمتص الماء. حتى بعد التجفيف، لا يمكن تبخر الماء الداخلي بسهولة. تستعيد مقاومة السطح، ولكن تنخفض مقاومة الحجم بشكل كبير وغير قابل للتعافي، مما يقلل من مقاومة العزل الكلية.
4.2 ضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي
تحتوي محولات التيار ذات الجهد المنخفض المعزولة براتنج الإيبوكسي على هامش عزل كبير. عادةً، لا تسبب الرطوبة السطحية تفريغاً سطحياً، وتقوم هذه المحولات بتمرير اختبار ضغط التحمل الكهربائي بالتردد الطبيعي بعد الغمر والتجفيف.
ومع ذلك، تسمح الفجوات الدقيقة في الوسط العازل بدخول جزيئات الماء بعد الغمر، مما يشكل فجوات مائية صغيرة وتحول الوسط العازل الصلب إلى مركب صلب-سائل. تُقطبية الماء في الفجوات الدقيقة وتتشوه تحت المجال الكهربائي، مما يتغير من كروي إلى بيضاوي، مما يربط القنوات ويقلل من قوة المجال الكهربائي لكسر الوسط. المزيد من الماء والقنوات الأكثر كثافة مع فترة غمر أطول يزيد من خطر الكسر. الفجوات الهوائية في الصب أيضًا تسمح بدخول الماء. هذه العوامل تسبب أصوات التفريغ أثناء اختبار الضغط، كما هو ملاحظ في العينة رقم 3.
4.3 الخطأ الأساسي
يعتمد خطأ المحول فقط على خصائص المغناطيسية للنواة ومعلمات اللفائف. قبل وبعد الغمر، تبقى خصائص التشغيل المغناطيسي للنواة ومعاملات اللفائف ثابتة، وتشير بيانات الاختبار إلى تغيرات طفيفة في الخطأ الأساسي.
كشفت اختبارات الغمر أيضًا:
5 اقتراحات الرقابة على الجودة
لتجنب فشل العزل الشديد بعد الغمر في ظل تكرار الأحوال الجوية القصوى، تشمل الاقتراحات:
6 الخلاصة
يتناول هذا البحث تقييم جودة محولات التيار ذات الجهد المنخفض المعزولة براتنج الإيبوكسي بعد الغمر بالماء بسبب الأمطار الغزيرة. أهم النتائج:
تساعد هذه النتائج شركات الطاقة والشركات المصنعة في تقييم وإعادة استخدام المحولات المغمورة لفترة طويلة.
