Impacto de la Inmersión a Largo Plazo en Transformadores de Corriente de Baja Tensión Aislados con Epoxi
1 Introducción
Los transformadores de corriente de baja tensión para medición, con una estructura de resina epoxi tipo pasante, se utilizan ampliamente en áreas de transformadores de distribución y para el consumo eléctrico de pequeñas y medianas empresas industriales y comerciales. Como un amplificador de rango para la medición de energía eléctrica, su rendimiento está directamente relacionado con la seguridad del consumo de electricidad y la precisión de los cálculos comerciales de los usuarios. Estudiar el impacto de la inmersión a largo plazo en estos transformadores es significativo en la práctica para determinar la calidad de numerosos transformadores de baja tensión inundados por lluvias extremas e inundaciones.
La investigación sobre la absorción de humedad en transformadores ha estado en curso durante mucho tiempo. Los resultados existentes no han cubierto las condiciones de inmersión a largo plazo, y la inmersión a largo plazo deteriora los transformadores de corriente más severamente que la absorción de humedad. En la prueba de tipo nacional para transformadores de corriente, solo los transformadores interiores tienen un nivel de protección IP20 y los exteriores tienen IP44; los estándares técnicos de la industria eléctrica y las compañías de red no lo han especificado. Para determinar si los transformadores sumergidos aún pueden usarse, este documento realiza una prueba de inmersión simulada, analiza los cambios de rendimiento post-inmersión y ofrece sugerencias de supervisión de calidad para mejorar la impermeabilidad de los transformadores.
2 Análisis teórico de las características de inmersión de los transformadores
Las principales características de los transformadores de corriente de baja tensión son las características de aislamiento y las características de medición. Las características de aislamiento incluyen principalmente la resistencia de aislamiento y el voltaje de soporte de frecuencia industrial, y las características de medición se reflejan en el error básico. Las características de inmersión se refieren a los cambios en la resistencia de aislamiento, el voltaje de soporte de frecuencia industrial y el error básico del transformador antes de la inmersión y después de la inmersión y secado.
2.1 Resistencia de aislamiento
La resistencia de aislamiento R se compone de la resistencia volumétrica Rv y la resistencia superficial Rs, como se muestra en la fórmula (1). La resistividad volumétrica ρv y la resistividad superficial ρs se muestran en las fórmulas (2) y (3).
En la fórmula, EV es la intensidad del campo eléctrico DC dentro del material aislante; JV es la densidad de corriente en estado estacionario; ES es la intensidad del campo eléctrico DC; α es la densidad de corriente lineal.
La resistencia de aislamiento se ve muy afectada por la humedad. Dado que la conductividad eléctrica del agua es mucho mayor que la de los materiales aislantes de resina epoxi, y el agua tiene una constante dieléctrica grande, lo que puede reducir la energía de ionización de los iones. Por lo tanto, cuando el material aislante está sumergido en agua, la resistividad superficial disminuye rápidamente, mientras que la resistividad volumétrica cambia poco; cuando el material sumergido se seca, si la resistencia al agua del material del medio es general o hay defectos en el interior del cuerpo colado, la resistividad superficial se recupera rápidamente, pero la resistividad volumétrica disminuye significativamente y no puede restaurarse eficazmente.
2.2 Voltaje de soporte de frecuencia industrial
El voltaje de prueba para el voltaje de soporte de frecuencia industrial se aplica entre el terminal secundario, la placa inferior y el suelo. Cuando está en un campo eléctrico no uniforme, la intensidad de campo de ruptura del medio se puede calcular aproximadamente mediante la fórmula (4).
En la fórmula, EBD es la intensidad de campo de ruptura (valor pico) entre los dos electrodos del material aislante; UBD es el voltaje de ruptura dieléctrica (valor efectivo); s es la distancia de ruptura, y η es el coeficiente de utilización del campo eléctrico.
2.3 Error básico
Los errores básicos de un transformador de corriente incluyen el error de relación y el error de fase. Independientemente de la condición de trabajo, el error básico no debe exceder el valor límite de error correspondiente al nivel de precisión especificado en el estándar antes de poder ser utilizado.
3 Condiciones de prueba
3.1 Selección de muestras de prueba
Se seleccionan aleatoriamente los transformadores de corriente de baja tensión aislados con resina epoxi para ser probados, y se realizan dos grupos de pruebas sucesivamente. El agrupamiento de pruebas y los parámetros de las muestras de prueba se muestran en la Tabla 1.
3.2 Equipos de prueba
El equipo y los parámetros utilizados en la prueba se muestran en la Tabla 2.
3.3 Prueba de inmersión
De acuerdo con la regulación IPX8 en GB/T 4208-2017 "Grados de protección proporcionados por los envolventes (códigos IP)", la prueba se lleva a cabo con agua limpia. Para los envolventes con una altura menor a 850 mm, el punto más bajo debe estar 1000 mm por debajo de la superficie del agua. Antes de la prueba, primero se mide la resistencia de aislamiento, el voltaje de soporte de frecuencia industrial y el error básico de la muestra de prueba, y luego se realiza la prueba de inmersión.
En el primer grupo de pruebas, se colocaron 3 muestras de prueba del mismo fabricante en el equipo de prueba de inmersión. Se inyectó agua del grifo, con una altura de nivel de líquido de 1000 mm y una temperatura del agua de 15 °C. Después de estar sumergidas en agua durante 5 días, se sacaron. Se limpiaron las gotas de agua con un paño seco y se dejaron reposar durante 15 minutos. Después de secar, se realizaron las pruebas. Posteriormente, se realizaron pruebas una vez al día durante 10 días. Finalmente, se airearon a temperatura ambiente durante 5 días y se realizaron pruebas nuevamente después de secar al aire. Para el segundo grupo de pruebas, se aumentó el tamaño de la muestra. Se sumergieron directamente en agua durante 10 días muestras de prueba de 5 fabricantes seleccionados al azar, luego se airearon durante 5 días y se volvieron a probar después de secar al aire.
3.4 Datos de prueba
3.4.1 Resistencia de aislamiento
La resistencia de aislamiento se midió utilizando el rango de voltaje DC de 500V. Los valores de resistencia de aislamiento (parciales) de los dos grupos de pruebas se muestran en la Tabla 3 y la Tabla 4.
La muestra de prueba #3 tuvo la tasa de cambio de resistencia de aislamiento más grande. Después de estar sumergida en agua durante 10 días, la resistencia de aislamiento fue de 43.3 MΩ. Después de estar aireada durante 5 días, la resistencia de aislamiento fue de 46.0 MΩ, y la tasa de cambio alcanzó -99%. Después de la prueba de inmersión y secado, las resistencias de aislamiento de las otras 7 muestras de prueba se recuperaron a la magnitud de orden de la resistencia de aislamiento en el estado seco inicial.
3.4.2 Voltaje de soporte de frecuencia industrial
Hubo un total de 8 muestras de prueba en los dos grupos de pruebas antes y después. Entre ellas, 7 pasaron la prueba de voltaje de soporte de frecuencia industrial. Solo la muestra de prueba #3 tuvo dificultades en la elevación de voltaje durante la prueba, y se pudo escuchar un sonido de descarga muy obvio. Después de la prueba, se encontraron trazas evidentes de agua en el interior de la unión entre la placa inferior y la resina epoxi de la muestra de prueba #3. Había una brecha evidente en la interfaz de colado de la resina de la placa inferior de esta muestra de prueba. La placa inferior de la muestra de prueba después de la prueba se muestra en la Figura 1. En un entorno húmedo con inmersión de agua, la humedad externa entra en el interior del cuerpo principal a través de la brecha y no puede ser expulsada, lo que resulta en una reducción del nivel de aislamiento.
3.4.3 Error básico
Se realizaron pruebas de error en 8 muestras de prueba tanto antes como después de la inmersión. Tomando como ejemplo la muestra de prueba #3, los datos de la prueba de error se muestran en la Tabla 5.
4 Análisis de la prueba
Los transformadores de corriente de baja tensión están compuestos principalmente de materiales aislantes, núcleos de hierro y bobinados. Utilizan un proceso de colado: la resina epoxi, el polvo de sílice micro, los agentes de endurecimiento, los aceleradores y los agentes de curado se mezclan en proporciones especificadas, se agitan uniformemente y se inyectan en moldes bajo ciertas condiciones para solidificar.
4.1 Resistencia de aislamiento
La Figura 2 es un histograma de la distribución de los datos de resistencia de aislamiento de los transformadores de corriente en diferentes grupos de prueba. La mayoría de los transformadores probados muestran cambios consistentes en la resistencia de aislamiento después de la inmersión y el secado: una caída inicial significativa durante la inmersión, luego un aumento hasta el orden de magnitud del estado seco original después del secado. Solo la muestra de prueba #3 tiene una tasa de cambio de resistencia de aislamiento del -99% después del secado, cerca del valor crítico calificado de 30 MΩ.
Para las muestras del Grupo de Prueba 2, los cambios en la resistencia de aislamiento varían después de la inmersión. #01, #03, #04, #05 bajan al valor crítico; #02 permanece casi sin cambios. Después de 5 días de secado, la mayoría vuelve al nivel de resistencia original, mostrando que #02 tiene una excelente calidad de colado de aislamiento sin penetración de agua después de la inmersión a largo plazo.
La temperatura (negligible aquí) y la humedad afectan la resistencia de aislamiento. Los cambios de humedad son grandes antes y después de la prueba. Normalmente, la resistividad superficial disminuye, mientras que la resistividad volumétrica se mantiene. Pero si el material aislante tiene baja resistencia al agua o defectos de colado, el medio aislante principal absorbe agua. Incluso después del secado, el agua interna apenas evapora. La resistividad superficial se recupera, pero la resistividad volumétrica desciende drásticamente e irreversiblemente, reduciendo la resistencia de aislamiento general.
4.2 Voltaje de soporte de frecuencia industrial
Los transformadores de corriente de baja tensión aislados con resina epoxi tienen un gran margen de aislamiento. Normalmente, la humedad superficial no causa descargas superficiales, y pasan la prueba de voltaje de soporte de frecuencia industrial después de la inmersión y el secado.
Sin embargo, los poros minúsculos en el medio aislante permiten que las moléculas de agua entren después de la inmersión, formando microporos llenos de agua y convirtiendo el dieléctrico sólido en un compuesto sólido-líquido. El agua en los microporos se polariza y deforma bajo el campo eléctrico, cambiando de esférico a elipsoidal, conectando canales y reduciendo la intensidad de campo de ruptura. Más agua y canales más densos con inmersión más larga aumentan el riesgo de ruptura. Las brechas de aire en el colado también permiten la entrada de agua. Estos factores causan sonidos de descarga durante la prueba de soporte de voltaje, como se vio en la muestra de prueba #3.
4.3 Error básico
El error de un transformador depende solo de las propiedades magnéticas del núcleo y los parámetros de bobinado. Antes y después de la inmersión, las características de excitación del núcleo y la impedancia del bobinado permanecen inalteradas, y los datos de prueba muestran una variación mínima del error básico.
Las pruebas de inmersión también revelaron:
5 Sugerencias de supervisión de calidad
Para evitar fallos graves de aislamiento después de la inmersión en medio de climas extremos frecuentes, se sugiere:
6 Conclusiones
Este estudio aborda la evaluación de la calidad de los transformadores de corriente de baja tensión aislados con resina epoxi después de la inmersión por lluvias torrenciales. Hallazgos clave:
Estos resultados guían a las compañías eléctricas y a los fabricantes en la evaluación y reutilización de transformadores sumergidos a largo plazo.
