Impacte de la immersió a llarg termini en transformadors de corrent de baixa tensió aïllats amb epoxi
1 Introducció
Els transformadors de corrent de baixa tensió per a mesura, amb una estructura d'epòxi de tipus forat, s'utilitzen ampliament en àrees de transformadors de distribució i per a consums elèctrics petits a mitjans industrials i comercials. Com a ampliador de gamma per a la mesura de l'energia elèctrica, el seu rendiment està directament relacionat amb la seguretat del consum d'electricitat i la precisió dels càlculs comercials dels usuaris. Estudiar l'impacte de la immersió a llarg termini en aquests transformadors té una importància pràctica significativa per determinar la qualitat de nombrosos transformadors de baixa tensió inundats per plujes extremes i inundençes.
La recerca sobre l'absorció d'humitat dels transformadors ha estat en curs des de fa temps. Els resultats existents no han cobert les condicions d'immersió a llarg termini, i l'immersió a llarg termini deteriora els transformadors de corrent més severament que l'absorció d'humitat. En l'ensay de tipus nacional per a transformadors de corrent, només els transformadors interiors tenen un nivell de protecció IP20 i els exteriors tenen un nivell IP44; els estandards tècnics de l'indústria elèctrica i les companyies de xarxa no ho han especificat. Per determinar si els transformadors immersos encara poden utilitzar-se, aquest article realitza un ensay simulat d'immersió, analitza els canvis de rendiment post-immersió i ofereix suggeriments de supervisió de la qualitat per millorar la impermeabilitat dels transformadors.
2 Anàlisi teòrica de les característiques d'immersió dels transformadors
Les principals característiques dels transformadors de corrent de baixa tensió són les característiques d'aislament i les característiques de mesura. Les característiques d'aislament inclouen principalment la resistència a l'aislament i la tensió de suport a freqüència industrial, i les característiques de mesura es reflecteixen en l'error bàsic. Les característiques d'immersió es referixen als canvis en la resistència a l'aislament, la tensió de suport a freqüència industrial i l'error bàsic del transformador abans i després de l'immersió i el secatge.
2.1 Resistència a l'aislament
La resistència a l'aislament R està formada per la resistència volumètrica Rv i la resistència superficial Rs, tal com es mostra en la fórmula (1). La resistivitat volumètrica ρv i la resistivitat superficial ρs es mostren en les fórmules (2) i (3).
En la fórmula, EV és la intensitat del camp elèctric DC dins del material aïllant; JV és la densitat de corrent en estat estacionari; ES és la intensitat del camp elèctric DC; α és la densitat de corrent lineal.
La resistència a l'aislament està molt afectada per l'humitat. Ja que la conductivitat elèctrica de l'aigua és molt més alta que la dels materials aïllants d'epòxi, i l'aigua té una gran constant dielèctrica, que pot reduir l'energia d'ionització dels ions. Per tant, quan el material aïllant està immers en aigua, la resistència superficial disminueix ràpidament, mentre que la resistència volumètrica canvia poc; quan el material immès s'asseca, si la resistència a l'aigua del material medi és general o hi ha defectes dins del cos fondu, la resistència superficial es recupera ràpidament, però la resistència volumètrica disminueix significativament i no es pot recuperar eficacement.
2.2 Tensió de suport a freqüència industrial
La tensió de prova per a la tensió de suport a freqüència industrial s'aplica entre el terminal secundari, la base i el terra. En un camp elèctric no uniforme, la tensió de ruptura del medi es pot calcular aproximadament amb la fórmula (4).
En la fórmula, EBD és la tensió de ruptura (valor màxim) entre els dos electrots del material aïllant; UBD és la tensió de ruptura del dielèctric (valor efectiu); s és la distància de ruptura, i η és el coeficient d'utilització del camp elèctric.
2.3 Error bàsic
Els errors bàsics d'un transformador de corrent inclouen l'error de raó i l'error de fase. Independentment de les condicions de treball, l'error bàsic no ha de superar el valor límit d'error corresponent al nivell de precisió especificat en l'estàndard abans de poder utilitzar-lo.
3 Condicions de prova
3.1 Selecció de mostres de prova
S'escullen aleatòriament els transformadors de corrent de baixa tensió aïllats amb epòxi per a ser provats, i es realitzen successivament dues grups de proves. El grup de proves i els paràmetres de les mostres de prova es mostren a la Taula 1.
3.2 Equip de prova
L'equip i els paràmetres utilitzats en la prova es mostren a la Taula 2.
3.3 Prova d'immersió
Segons la regulació IPX8 de la norma GB/T 4208 - 2017 "Grads de protecció proporcionats per les caixes (còdigs IP)", la prova es realitza amb aigua neta. Per a les caixes amb una alçada inferior a 850 mm, el punt més baix ha de ser 1000 mm per sota de la superfície de l'aigua. Abans de la prova, primer es mesuren la resistència a l'aislament, la tensió de suport a freqüència industrial i l'error bàsic de la mostra de prova, i després es realitza la prova d'immersió.
En el primer grup de proves, es van col·locar 3 mostres de prova del mateix fabricant en l'equip de prova d'immersió. Es va injectar aigua de conducció, amb una altura de nivell de líquid de 1000 mm i una temperatura de l'aigua de 15 °C. Després d'estar immersos durant 5 dies, es van treure. Les gotes d'aigua es van netejar amb un drap sec i es van deixar reposar durant 15 minuts. Després de secar-los, es van realitzar les proves. A continuació, es van realitzar proves cada dia durant 10 dies. Finalment, es van ventilar a temperatura ambiente durant 5 dies, i es van tornar a realitzar les proves després de secar-los. Per al segon grup de proves, es va incrementar la mida de la mostra. Es van immergir directament a l'aigua durant 10 dies mostres de prova de 5 fabricants triats aleatòriament, després de ventilarse durant 5 dies, i es van tornar a provar després de secar-los.
3.4 Dades de prova
3.4.1 Resistència a l'aislament
La resistència a l'aislament es va mesurar utilitzant el rang de tensió DC de 500V. Els valors de resistència a l'aislament (parcial) de les dues grups de proves es mostren a la Taula 3 i la Taula 4.
La mostra de prova #3 va tenir la taxa de canvi de resistència a l'aislament més gran. Després d'estar immersa durant 10 dies, la resistència a l'aislament va ser de 43,3 MΩ. Després de ventilar-se durant 5 dies, la resistència a l'aislament va ser de 46,0 MΩ, i la taxa de canvi va arribar a -99%. Després de la prova d'immersió i el secatge, les resistències a l'aislament de les restants 7 mostres de prova es van recuperar a l'ordre de magnitud de la resistència a l'aislament en l'estat inicial sec.
3.4.2 Tensió de suport a freqüència industrial
Hi havia un total de 8 mostres de prova en els dos grups de proves abans i després. D'elles, 7 van passar la prova de tensió de suport a freqüència industrial. Només la mostra de prova #3 va tenir dificultats en l'augment de tensió durant la prova, i es va poder escoltar un so de descàrrec molt evident. Després de la prova, es van trobar tracs evidents d'aigua dins de la junta entre la base i l'epòxi de la mostra de prova #3. Hi havia una fessura evident a la interfície de fonsatge de l'epòxi de la base d'aquesta mostra de prova. La base de la mostra de prova després de la prova es mostra a la Figura 1. En un entorn humit amb immersió en aigua, l'humitat externa entra a l'interior del cos principal a través de la fessura i no es pot evacuar, provocant una reducció en el nivell d'aislament.
3.4.3 Error bàsic
Es van realitzar proves d'error en 8 mostres de prova abans i després de l'immersió. Preneu la mostra de prova #3 com a exemple, les dades de la prova d'error es mostren a la Taula 5.
4 Anàlisi de la prova
Els transformadors de corrent de baixa tensió estan compostos principalment per materials aïllants, nuclis de ferro i bobinatges. Utilitzen un procés de fonsatge: resina d'epòxi, micropolvor de silici, agents de reforç, acceleradors i agents de curatge es mesclen en proporcions especificades, es barregen uniformement i es fan solidificar en molde en certes condicions.
4.1 Resistència a l'aislament
La Figura 2 és un histograma de la distribució de dades de la resistència a l'aislament dels transformadors de corrent en diferents grups de prova. La majoria dels transformadors provats mostren canvis consistents en la resistència a l'aislament després de l'immersió i el secatge: una disminució inicial significativa durant l'immersió, i després un augment fins a l'ordre de magnitud de l'estat sec inicial. Només la mostra de prova #3 té una taxa de canvi de resistència a l'aislament de -99% després de secar-se, propera al valor crític qualificat de 30 MΩ.
Per a les mostres del Grup de prova 2, els canvis en la resistència a l'aislament varien després de l'immersió. #01, #03, #04, #05 cauen al valor crític; #02 roman gairebé sense canvis. Després de 5 dies de secatge, la majoria tornen al nivell de resistència original, mostrant que #02 té una qualitat excel·lent de fonsatge aïllant sense penetració d'aigua després de l'immersió a llarg termini.
La temperatura (negligible aquí) i l'humitat afecten la resistència a l'aislament. Els canvis d'humitat són grans abans i després de la prova. Normalment, la resistència superficial disminueix, mentre que la resistència volumètrica es manté. Però si el material aïllant té una baixa resistència a l'aigua o defectes de fonsatge, el medi aïllant principal absorbeix aigua. Incluso després de secar-se, l'aigua interna és difícil d'evaporar. La resistència superficial es recupera, però la resistència volumètrica disminueix significativament i no es pot recuperar eficacement, reduint la resistència a l'aislament total.
4.2 Tensió de suport a freqüència industrial
Els transformadors de corrent de baixa tensió aïllats amb epòxi tenen un ample marge d'aislament. Normalment, l'humitat superficial no provoca descàrrec superficial, i passen la prova de tensió de suport a freqüència industrial després de l'immersió i el secatge.
No obstant això, els pores minúsculs en el medi aïllant permeten que les molècules d'aigua entren després de l'immersió, formant micropores omplerts d'aigua i convertint el dielèctric sòlid en un compost sòlid-líquid. L'aigua en els micropores es polaritza i es deforma sota el camp elèctric, canviant de forma esfèrica a el·líptica, connectant els canals i reduint la tensió de ruptura. Més aigua i canals més densos amb una immersió més llarga augmenten el risc de ruptura. Les fessures d'aire en el fonsatge també permeten l'entrada d'aigua. Aquests factors causen sons de descàrrec durant la prova de tensió de suport, com es veu en la mostra de prova #3.
4.3 Error bàsic
L'error d'un transformador depèn només de les propietats magnètiques del nucli i els paràmetres del bobinat. Abans i després de l'immersió, les característiques d'excitació del nucli i la impedància del bobinat es mantenen sense canvis, i les dades de prova mostren una variació mínima de l'error bàsic.
Les proves d'immersió també van revelar:
5 Suggeriments de supervisió de la qualitat
Per evitar un fracàs d'aislament greu després de l'immersió en condicions meteorològiques extremes freqüents, es fan les següents recomanacions:
6 Conclusions
Aquest estudi aborda l'avaluació de la qualitat dels transformadors de corrent de baixa tensió aïllats amb epòxi després de l'immersió en fortes plujes. Les conclusions principals són:
Aquests resultats guien les companyies elèctriques i els fabricants en l'avaluació i reutilització dels transformadors immersos a llarg termini.
