Auswirkungen der langfristigen Einlagerung auf epoxyharzgeisolte Niederspannungsstromwandler
1 Einführung
Niederspannungstromwandler für die Messung mit durchgängigem Kern aus Epoxidharz werden in Verteiltransformatoren und für den Stromverbrauch von kleinen bis mittelgroßen Industrie- und Gewerbebetrieben weit verbreitet eingesetzt. Als Bereichserweiterung für die elektrische Energienutzung hängt ihre Leistung direkt mit der Sicherheit des Stromverbrauchs und der Genauigkeit der Handelsberechnungen der Nutzer zusammen. Die Untersuchung der Auswirkungen einer langfristigen Einlagerung auf diese Transformatoren ist praktisch bedeutsam, um die Qualität zahlreicher niederspannungsseitiger Transformatoren zu bestimmen, die durch extreme Regenfälle und Überschwemmungen überflutet wurden.
Die Forschung zur Feuchtigkeitsaufnahme von Transformern wird seit langem fortgeführt. Bestehende Ergebnisse haben lange Einlagerungsbedingungen nicht abgedeckt, und eine lange Einlagerung verschlechtert die Stromtransformatoren stärker als die Feuchtigkeitsaufnahme. Im nationalen Normenprüfprogramm für Stromtransformatoren beträgt der Schutzgrad für Innenraumtransformer IP20 und für Außentransformer IP44; technische Standards der Energieindustrie und Netzgesellschaften haben dies nicht spezifiziert. Um festzustellen, ob eingetauchte Transformatoren weiterhin verwendet werden können, führt dieser Artikel eine simulierte Tauchprüfung durch, analysiert die Leistungsänderungen nach dem Einlagerungsprozess und bietet Qualitätsüberwachungsvorschläge, um die Wasserdichtigkeit der Transformatoren zu verbessern.
2 Theoretische Analyse der Tauchcharakteristika von Transformatoren
Die Hauptmerkmale von Niederspannungstromwandlern sind Isoliercharakteristiken und Messcharakteristiken. Die Isoliercharakteristiken umfassen hauptsächlich Isolationswiderstand und Wechselspannungsfestigkeit, und die Messcharakteristiken spiegeln sich in dem grundlegenden Fehler wider. Die Tauchcharakteristika beziehen sich auf die Veränderungen des Isolationswiderstands, der Wechselspannungsfestigkeit und des grundlegenden Fehlers des Transformers vor und nach dem Einlagerungs- und Trocknungsprozess.
2.1 Isolationswiderstand
Der Isolationswiderstand R besteht aus Volumenwiderstand Rv und Oberflächenwiderstand Rs, wie in Formel (1) dargestellt. Die Volumenwiderstandszahl ρv und die Oberflächenwiderstandszahl ρs sind in den Formeln (2) und (3) dargestellt.
In der Formel ist EV die Gleichspannungsfeldstärke innerhalb des Isoliermaterials; JV ist die stationäre Stromdichte; ES ist die Gleichspannungsfeldstärke; α ist die lineare Stromdichte.
Der Isolationswiderstand wird stark von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Da die elektrische Leitfähigkeit von Wasser viel höher ist als die von Epoxidharz-Isoliermaterialien und Wasser einen großen Dielektrizitätskonstantenwert hat, der die Ionisierungsenergie der Ionen verringern kann, sinkt die Oberflächenleitfähigkeit schnell, wenn das Isoliermaterial im Wasser eintaucht, während die Volumenleitfähigkeit sich wenig ändert. Wenn das getauchte Material getrocknet wird, erholt sich die Oberflächenleitfähigkeit schnell, aber die Volumenleitfähigkeit sinkt signifikant und kann nicht effektiv wiederhergestellt werden, wenn die Widerstandskraft des Mediummaterials gegen Wasser gering oder es innere Defekte im Gussteil gibt.
2.2 Wechselspannungsfestigkeit
Die Prüfspannung für die Wechselspannungsfestigkeit wird zwischen dem Sekundäranschluss, der Bodenplatte und der Erde angewendet. Bei einem ungleichmäßigen elektrischen Feld kann die Durchschlagsfeldstärke des Mediums näherungsweise mit Formel (4) berechnet werden.
In der Formel ist EBD die Durchschlagsfeldstärke (Spitzenwert) zwischen den beiden Elektroden des Isoliermaterials; UBD ist die Dielektrikumsdurchschlagsspannung (Effektivwert); s ist der Durchschlagsabstand, und η ist der elektrische Feldnutzungskoeffizient.
2.3 Grundlegender Fehler
Die grundlegenden Fehler eines Stromwandlers umfassen Verhältnisfehler und Phasenfehler. Unabhängig vom Arbeitszustand darf der grundlegende Fehler erst dann verwendet werden, wenn er den im Standard festgelegten Genauigkeitsklassen entsprechenden Fehlergrenzwerten nicht überschreitet.
3 Prüfbedingungen
3.1 Auswahl der Prüfproben
Wählen Sie zufällig Niederspannungstromwandler mit Epoxidharz-Isolation aus, die getestet werden sollen, und führen Sie zwei Gruppen von Tests nacheinander durch. Die Testgruppierung und Parameter der Testproben sind in Tabelle 1 dargestellt.
3.2 Prüfausrüstung
Die in der Prüfung verwendeten Geräte und Parameter sind in Tabelle 2 dargestellt.
3.3 Tauchtest
Gemäß der Regelung IPX8 in GB/T 4208 - 2017 "Schutzarten durch Gehäuse (IP-Codes)" wird der Test mit sauberem Wasser durchgeführt. Für Gehäuse mit einer Höhe von weniger als 850 mm muss der tiefste Punkt 1000 mm unter der Wasseroberfläche liegen. Vor dem Test messen Sie zunächst den Isolationswiderstand, die Wechselspannungsfestigkeit und den grundlegenden Fehler der Testprobe, und führen dann den Tauchtest durch.
In der ersten Gruppe von Tests wurden 3 Testproben desselben Herstellers in die Tauchprüfgeräte gelegt. Es wurde Leitungswasser eingefüllt, wobei die Flüssigkeitshöhe 1000 mm betrug und die Wassertemperatur 15 °C. Nach 5 Tagen im Wasser wurden sie herausgenommen. Die Wassertropfen darauf wurden mit einem trockenen Tuch abgewischt, und sie wurden 15 Minuten stehen gelassen. Nach dem Trocknen wurden Tests durchgeführt. Anschließend wurden Tests einmal täglich für 10 Tage durchgeführt. Schließlich wurden sie bei Raumtemperatur für 5 Tage belüftet, und Tests wurden nach dem Belüften wieder durchgeführt. In der zweiten Gruppe von Tests wurde die Probenzahl erhöht. Testproben von 5 zufällig ausgewählten Herstellern wurden direkt für 10 Tage ins Wasser getaucht, dann für 5 Tage belüftet, und nach dem Belüften erneut getestet.
3.4 Testdaten
3.4.1 Isolationswiderstand
Der Isolationswiderstand wurde mit dem 500V-Gleichspannungsbereich gemessen. Die Isolationswiderstandswerte (teilweise) der beiden Testgruppen sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 dargestellt.
Die Testprobe #3 hatte die größte Änderungsrate des Isolationswiderstands. Nach 10 Tagen im Wasser war der Isolationswiderstand 43,3 MΩ. Nach 5 Tagen der Belüftung war der Isolationswiderstand 46,0 MΩ, und die Änderungsrate betrug -99%. Nach dem Tauchtest und der Trocknung erholten sich die Isolationswiderstände der verbleibenden 7 Testproben alle auf die Größenordnung des Isolationswiderstands im ursprünglichen trockenen Zustand.
3.4.2 Wechselspannungsfestigkeit
Es gab insgesamt 8 Testproben in den beiden Gruppen vor und nach dem Test. Davon bestanden 7 die Wechselspannungsfestigkeitsprüfung. Nur die Testprobe #3 hatte Schwierigkeiten bei der Spannungserhöhung während des Tests, und ein sehr deutliches Entladungsgeräusch war zu hören. Nach dem Test fanden sich offensichtliche Wasser Spuren im Verbindungsgelenk zwischen der Bodenplatte und dem Epoxidharz der Testprobe #3. Es gab einen offensichtlichen Spalt an der Gußschnittstelle der Bodenplatte dieses Testobjekts. Die Bodenplatte der Testprobe nach dem Test ist in Abbildung 1 dargestellt. In einer feuchten Umgebung mit Wasser einlagerung dringt Feuchtigkeit durch den Spalt in den Innenteil des Körpers ein und kann nicht abgegeben werden, was zu einer Reduzierung des Isolationsgrades führt.
3.4.3 Grundlegender Fehler
Fehlerprüfungen wurden an 8 Testproben sowohl vor als auch nach dem Tauchen durchgeführt. Am Beispiel der Testprobe #3 sind die Fehlerpruefdaten in Tabelle 5 dargestellt.
4 Testanalyse
Niederspannungstromwandler bestehen hauptsächlich aus Isoliermaterialien, Eisenkernen und Wicklungen. Sie verwenden ein Gießverfahren: Epoxidharz, Silikon-Mikropulver, Verfestigungsmittel, Beschleuniger und Aushärtungsmittel werden in bestimmten Verhältnissen gemischt, gleichmäßig gerührt und unter bestimmten Bedingungen in Formen gegossen, um zu verfestigen.
4.1 Isolationswiderstand
Abbildung 2 zeigt ein Histogramm der Verteilung der Isolationswiderstandswerte der Stromwandler in verschiedenen Testgruppen. Die meisten getesteten Transformatoren zeigen nach dem Tauchen und Trocknen konsistente Veränderungen des Isolationswiderstands: einen signifikanten Anfangsabfall während des Tauchens, gefolgt von einer Rückkehr zum ursprünglichen Trockenheitsgrad nach dem Trocknen. Nur die Testprobe #3 hat eine -99%ige Veränderungsrate des Isolationswiderstands nach dem Trocknen, nahe dem qualifizierten Grenzwert von 30 MΩ.
Für die Testgruppe 2-Proben variieren die Veränderungen des Isolationswiderstands nach dem Tauchen. #01, #03, #04, #05 fallen auf den Grenzwert; #02 bleibt fast unverändert. Nach 5-tägigem Trocknen kehren sie in der Regel zum ursprünglichen Widerstandsniveau zurück, wobei #02 eine ausgezeichnete Isoliergüte zeigt, ohne dass Wasser nach langfristigem Tauchen eindringt.
Temperatur (hier vernachlässigbar) und Luftfeuchtigkeit beeinflussen den Isolationswiderstand. Die Luftfeuchtigkeit wechselt stark vor und nach dem Test. Normalerweise fällt die Oberflächenleitfähigkeit, während die Volumenleitfähigkeit stabil bleibt. Wenn jedoch das Isoliermaterial eine geringe Wasserdichtigkeit oder Gusseinschlüsse hat, nimmt das Hauptisoliermedium Wasser auf. Selbst nach dem Trocknen verdunstet das innere Wasser kaum. Die Oberflächenleitfähigkeit erholt sich, aber die Volumenleitfähigkeit sinkt irreversibel, was den Gesamtisolationswiderstand senkt.
4.2 Wechselspannungsfestigkeit
Epoxidharz-isolierte Niederspannungstromwandler haben einen großen Isolationsreserve. Normalerweise verursacht Oberflächenfeuchtigkeit keine Oberflächenentladung, und sie bestehen die Wechselspannungsfestigkeitsprüfung nach dem Tauchen und Trocknen.
Allerdings lassen winzige Poren im Isoliermedium nach dem Tauchen Wassermoleküle eindringen, was wasserfüllte Mikroporen bildet und das feste Dielektrikum in ein fest-flüssiges Komposit verwandelt. Das Wasser in den Mikroporen polarisiert und deformiert sich im elektrischen Feld, ändert sich von kugelförmig zu ellipsoid, verbindet Kanäle und reduziert die Durchschlagsfeldstärke. Mehr Wasser und dichtere Kanäle mit längerem Tauchen erhöhen das Risiko des Durchschlags. Luftblasen im Guss lassen ebenfalls Wasser eindringen. Diese Faktoren verursachen Entladungsgeräusche während der Festigkeitsprüfung, wie bei der Testprobe #3 beobachtet.
4.3 Grundlegender Fehler
Der Fehler eines Transformators hängt nur von den magnetischen Eigenschaften des Eisens und den Wicklungsparametern ab. Vor und nach dem Tauchen bleiben die Anregungseigenschaften des Eisens und die Wicklungsimpedanz unverändert, und die Testdaten zeigen minimale Veränderungen des grundlegenden Fehlers.
Tauchtests haben auch gezeigt:
5 Vorschläge zur Qualitätskontrolle
Um schwere Isolierdefekte nach dem Tauchen bei häufigen extremen Wetterbedingungen zu vermeiden, schlagen wir folgende Maßnahmen vor:
6 Schlussfolgerungen
Diese Studie behandelt die Qualitätsbewertung von epoxidharz-isolierten Niederspannungstromwandlern nach schweren Regenfällen. Die wichtigsten Ergebnisse sind:
Diese Ergebnisse leiten Energieunternehmen und Hersteller bei der Bewertung und Wiederverwendung langfristig getauchter Transformatoren an.
