تأثیر غوطه‌وری طولانی مدت بر ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین عایق‌بندی شده با رزین اپوکسی

1 مقدمه
ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین برای اندازه‌گیری، با ساختار رزین اپوکسی نوع عبوری، به طور گسترده در مناطق ترانسفورماتورهای توزیع و برای مصرف برق کوچک تا متوسط صنعتی و تجاری استفاده می‌شوند. به عنوان یک گسترش دامنه برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی، عملکرد آنها مستقیماً مرتبط با ایمنی مصرف برق و دقت محاسبات تجاری کاربران است. مطالعه تأثیر غوطه‌وری بلندمدت بر این ترانسفورماتورها از نظر عملی برای تعیین کیفیت تعداد زیادی از ترانسفورماتورهای ولتاژ پایین که توسط باران شدید و سیل‌ها غرق شده‌اند، اهمیت دارد.

تحقیقات درباره جذب رطوبت ترانسفورماتورها از مدت‌ها پیش در حال انجام است. نتایج موجود شامل شرایط غوطه‌وری بلندمدت نیستند و غوطه‌وری بلندمدت ترانسفورماتورهای جریان را بیشتر از جذب رطوبت تخریب می‌کند. در تست نوع استاندارد ملی برای ترانسفورماتورهای جریان، فقط سطح محافظت ترانسفورماتورهای داخل ساختمان IP20 و خارج ساختمان IP44 است؛ استانداردهای فنی صنعت برق و شرکت‌های شبکه آن را مشخص نکرده‌اند. برای تعیین اینکه آیا ترانسفورماتورهای غوطه‌ور شده همچنان قابل استفاده هستند، این مقاله یک تست غوطه‌وری شبیه‌سازی شده انجام می‌دهد، تغییرات عملکرد پس از غوطه‌وری را تحلیل می‌کند و پیشنهادات نظارت کیفی برای بهبود مقاومت آب‌بندی ترانسفورماتورها ارائه می‌دهد.

2 تحلیل نظری ویژگی‌های غوطه‌وری ترانسفورماتور

ویژگی‌های اصلی ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین شامل ویژگی‌های عایق‌بندی و اندازه‌گیری است. ویژگی‌های عایق‌بندی عمدتاً شامل مقاومت عایق و ولتاژ تحمل فرکانس تجاری است و ویژگی‌های اندازه‌گیری در خطای پایه منعکس می‌شود. ویژگی‌های غوطه‌وری به تغییرات مقاومت عایق، ولتاژ تحمل فرکانس تجاری و خطای پایه ترانسفورماتور قبل و بعد از غوطه‌وری و خشک کردن اشاره دارد.

2.1 مقاومت عایق

مقاومت عایق R از مقاومت حجمی Rv و مقاومت سطحی Rs تشکیل شده است، مانند فرمول (1). چگالی مقاومت حجمی ρv و چگالی مقاومت سطحی ρs در فرمول‌های (2) و (3) نشان داده شده است.

در این فرمول، EV قوت میدان الکتریکی مستقیم داخل ماده عایق‌بندی است؛ JV چگالی جریان حالت پایدار است؛ ES قوت میدان الکتریکی مستقیم است؛ α چگالی جریان خطی است.

مقاومت عایق به شدت تحت تأثیر رطوبت قرار می‌گیرد. چون هدایت الکتریکی آب بسیار بیشتر از مصالح عایق‌بندی رزین اپوکسی است و آب ثابت دی الکتریک بزرگی دارد که می‌تواند انرژی یونیزاسیون یون‌ها را کاهش دهد. بنابراین، وقتی ماده عایق‌بندی در آب غوطه‌ور می‌شود، مقاومت سطحی به سرعت کاهش می‌یابد، در حالی که مقاومت حجمی تغییر زیادی نمی‌کند؛ وقتی ماده غوطه‌ور خشک می‌شود، اگر مقاومت آب ماده میانی معمولی باشد یا در بدنه ریخته شده نقص وجود داشته باشد، مقاومت سطحی به سرعت باز می‌گردد، اما مقاومت حجمی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و نمی‌تواند موثر بازگردانده شود.

2.2 ولتاژ تحمل فرکانس تجاری

ولتاژ تست تحمل فرکانس تجاری بین پایانه ثانویه، صفحه پایین و زمین اعمال می‌شود. در میدان الکتریکی ناهمگن، می‌توان قوت میدان شکست ماده را تقریباً با فرمول (4) محاسبه کرد.

در این فرمول، EBD قوت میدان شکست (مقدار قله) بین دو الکترود ماده عایق‌بندی است؛ UBD ولتاژ شکست دی الکتریک (مقدار مؤثر) است؛ s فاصله شکست است و η ضریب استفاده از میدان الکتریکی است.

2.3 خطای پایه

خطاهای پایه ترانسفورماتور جریان شامل خطای نسبت و خطای فاز است. بدون توجه به شرایط کاری، خطای پایه نباید بیش از حد خطای محدودیت مربوط به سطح دقت مشخص شده در استاندارد قبل از استفاده بیشتر شود.

3 شرایط آزمون
3.1 انتخاب نمونه‌های آزمون

به طور تصادفی ترانسفورماتورهای جریان ولتاژ پایین با عایق‌بندی رزین اپوکسی انتخاب می‌شوند و دو گروه آزمون به ترتیب انجام می‌شود. گروه‌بندی آزمون و پارامترهای نمونه‌های آزمون در جدول 1 نشان داده شده است.

3.2 تجهیزات آزمون

تجهیزات و پارامترهای استفاده شده در آزمون در جدول 2 نشان داده شده است.

3.3 آزمون غوطه‌وری

بر اساس مقرره IPX8 در GB/T 4208 - 2017 "درجه‌های محافظت ارائه شده توسط پوشش‌ها (کدهای IP)"، آزمون با آب تمیز انجام می‌شود. برای پوشش‌هایی با ارتفاع کمتر از 850 میلی‌متر، نقطه پایین‌تر 1000 میلی‌متر زیر سطح آب قرار می‌گیرد. قبل از آزمون، ابتدا مقاومت عایق، ولتاژ تحمل فرکانس تجاری و خطای پایه نمونه آزمون اندازه‌گیری می‌شود و سپس آزمون غوطه‌وری انجام می‌شود.

در گروه اول آزمون‌ها، 3 نمونه آزمون از یک تولیدکننده در تجهیز آزمون غوطه‌وری قرار داده شدند. آب لوله‌کشی تزریق شد، با ارتفاع مایع 1000 میلی‌متر و دمای آب 15 درجه سانتی‌گراد. پس از 5 روز غوطه‌وری در آب، آنها خارج شدند. قطرات آب روی آنها با یک پارچه خشک پاک شد و 15 دقیقه در حال استراحت قرار گرفتند. پس از خشک کردن، آزمون‌ها انجام شدند. سپس هر روز برای 10 روز آزمون‌ها انجام شد. در نهایت، آنها در دمای اتاق برای 5 روز خشک شدند و پس از خشک کردن مجدد آزمون‌ها انجام شد. برای گروه دوم آزمون‌ها، اندازه نمونه افزایش یافت. نمونه‌های آزمون از 5 تولیدکننده تصادفی انتخاب شدند و مستقیماً برای 10 روز در آب غوطه‌ور شدند، سپس برای 5 روز خشک شدند و پس از خشک کردن مجدد آزمون‌ها انجام شد.

3.4 داده‌های آزمون
3.4.1 مقاومت عایق

مقاومت عایق با استفاده از دامنه ولتاژ DC 500V اندازه‌گیری شد. مقادیر مقاومت عایق (بخشی) از دو گروه آزمون در جدول 3 و جدول 4 نشان داده شده است.

نمونه آزمون شماره 3 بیشترین تغییر نرخ مقاومت عایق را داشت. پس از 10 روز غوطه‌وری در آب، مقاومت عایق 43.3 مگا‌اوم بود. پس از 5 روز خشک شدن، مقاومت عایق 46.0 مگا‌اوم شد و نرخ تغییر به -99% رسید. پس از آزمون غوطه‌وری و خشک کردن، مقاومت عایق 7 نمونه آزمون باقی‌مانده به مرتبه بزرگی مقاومت عایق در حالت خشک اولیه بازگشت.

3.4.2 ولتاژ تحمل فرکانس تجاری

در مجموع 8 نمونه آزمون در دو گروه آزمون قبل و بعد وجود داشت. از آنها 7 نمونه آزمون تحمل ولتاژ فرکانس تجاری را پشت سر گذاشتند. تنها نمونه آزمون شماره 3 در طول آزمون با مشکل افزایش ولتاژ مواجه شد و صدای بسیار واضح تخلیه شنیده می‌شد. پس از آزمون، آثار آب واضحی در میان اتصال صفحه پایین و رزین اپوکسی نمونه آزمون شماره 3 یافت شد. در این نمونه آزمون یک شکاف واضح در میان رزین صفحه پایین وجود داشت. صفحه پایین نمونه آزمون پس از آزمون در شکل 1 نشان داده شده است. در محیط مرطوب با غوطه‌وری در آب، رطوبت خارجی از طریق شکاف وارد داخل بدنه می‌شود و نمی‌تواند تخلیه شود، که منجر به کاهش سطح عایق می‌شود.

3.4.3 خطای پایه

آزمون‌های خطا بر روی 8 نمونه آزمون هم قبل و هم بعد از غوطه‌وری انجام شد. به عنوان مثال، داده‌های آزمون خطا برای نمونه آزمون شماره 3 در جدول 5 نشان داده شده است.

4 تحلیل آزمون

ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین عمدتاً از مواد عایق‌بندی، هسته‌های آهنی و پیچش‌ها تشکیل شده‌اند. آنها از فرآیند ریخته‌گری استفاده می‌کنند: رزین اپوکسی، پودر سیلیسیوم، عوامل تقویت‌کننده، عوامل تسریع‌کننده و عوامل تثبیت‌کننده در نسبت‌های مشخص مخلوط می‌شوند، به طور یکنواخت همزنده می‌شوند و تحت شرایط خاصی در قالب‌ها ریخته می‌شوند و سفت می‌شوند.

4.1 مقاومت عایق

شکل 2 نمودار ستونی توزیع داده‌های مقاومت عایق ترانسفورماتورهای جریان در گروه‌های آزمون مختلف است. بیشتر ترانسفورماتورهای آزمون شده تغییرات مقاومت عایق یکسانی را پس از غوطه‌وری و خشک کردن نشان می‌دهند: کاهش قابل توجه اولیه در طول غوطه‌وری، سپس بازگشت به مرتبه بزرگی مقاومت عایق در حالت خشک اولیه پس از خشک کردن. تنها نمونه آزمون شماره 3 نرخ تغییر مقاومت عایق -99% را پس از خشک کردن داشت که به مقدار بحرانی 30 مگا‌اوم نزدیک شده است.

برای نمونه‌های گروه آزمون 2، تغییرات مقاومت عایق پس از غوطه‌وری متفاوت است. #01، #03، #04، #05 به مقدار بحرانی کاهش می‌یابند؛ #02 تقریباً تغییر نمی‌کند. پس از 5 روز خشک کردن، بیشتر به سطح مقاومت اولیه بازمی‌گردند، که نشان می‌دهد #02 کیفیت ریخته‌گری عایق بسیار عالی دارد و پس از غوطه‌وری بلندمدت آب وارد نمی‌شود.

دمای (که در اینجا قابل اغماض است) و رطوبت تأثیر می‌گذارند بر مقاومت عایق. تغییرات رطوبت قبل و بعد از آزمون بسیار زیاد است. معمولاً، مقاومت سطحی کاهش می‌یابد در حالی که مقاومت حجمی تغییر زیادی نمی‌کند. اما اگر ماده عایق‌بندی مقاومت آب پایینی داشته باشد یا نقص در ریخته‌گری وجود داشته باشد، ماده عایق اصلی آب را جذب می‌کند. حتی پس از خشک کردن، آب داخلی تقریباً تبخیر نمی‌شود. مقاومت سطحی باز می‌گردد، اما مقاومت حجمی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و نمی‌تواند موثر بازگردانده شود.

4.2 ولتاژ تحمل فرکانس تجاری

ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین با عایق‌بندی رزین اپوکسی دارای حاشیه عایق بزرگی هستند. معمولاً، رطوبت سطحی منجر به تخلیه سطحی نمی‌شود و آنها پس از غوطه‌وری و خشک کردن تست تحمل ولتاژ فرکانس تجاری را می‌گذرانند.

با این حال، روزنه‌های کوچک در ماده عایق می‌توانند اجازه دهند تا مولکول‌های آب پس از غوطه‌وری وارد شوند، روزنه‌های کوچک پر از آب را تشکیل دهند و دی الکتریک جامد را به ترکیب جامد-مایع تبدیل کنند. آب در روزنه‌های کوچک تحت میدان الکتریکی قطبی شده و تغییر شکل می‌دهد، از کروی به بیضی، کانال‌های اتصال را ایجاد می‌کند و قوت میدان شکست را کاهش می‌دهد. با غوطه‌وری بیشتر، بیشتر آب و کانال‌های متراکم‌تر ریسک شکست را افزایش می‌دهند. روزنه‌های هوا در ریخته‌گری نیز اجازه می‌دهند تا آب وارد شود. این عوامل منجر به صدای تخلیه در طول تحمل ولتاژ می‌شوند، مانند آنچه در نمونه آزمون شماره 3 مشاهده شد.

4.3 خطای پایه

خطای ترانسفورماتور تنها به خصوصیات مغناطیسی هسته و پارامترهای پیچش بستگی دارد. قبل و بعد از غوطه‌وری، خصوصیات تحریک هسته و امپدانس پیچش تغییر نمی‌کند و داده‌های آزمون نشان می‌دهند که تغییرات خطای پایه کم است.

آزمون‌های غوطه‌وری همچنین نشان داد:

• 75٪ (6 از 8) از واشرهای پیچ دومی پوسیده شدند.

• 50٪ (4 نمونه) نشان دادند که رنگ رزین تباه شده است (اصلی قرمز کدر شماره 3، به طور قابل توجهی روشن شده است).

5 پیشنهادات نظارت کیفی

برای جلوگیری از خرابی عایق شدید پس از غوطه‌وری در شرایط آب و هوایی شدید مکرر، پیشنهادات شامل:

• تقویت نظارت تولید: استفاده از کامپوزیت‌های اپوکسی با مقاومت بالا در برابر آب؛ اجرای استانداردهای فرآیند ریخته‌گری صارم برای جلوگیری از روزنه‌های سطحی و حباب‌های هوا درونی.

• اضافه کردن آزمون‌های غوطه‌وری برای ترانسفورماتورها در مناطق بارانی و پایین‌دستی در طول آزمون‌های عملکرد کامل و نمونه‌برداری.

• ساخت توانایی آزمون‌های غیرمخرب (اشعه X) برای تحلیل تغییرات میانی پس از غوطه‌وری، که تأمین‌کنندگان را ترغیب می‌کند تا فرآیندها را بهبود بخشند.

• درج نیازهای آزمون غوطه‌وری در استانداردهای فنی، به ویژه برای ترانسفورماتورهای استفاده‌های خاص.

• همکاری با تولیدکنندگان رهبر برای توسعه ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری با مقاومت بالا در برابر آب.

6 نتیجه‌گیری

این مطالعه به ارزیابی کیفیت ترانسفورماتورهای جریان با ولتاژ پایین با عایق‌بندی رزین اپوکسی پس از غوطه‌وری در باران شدید می‌پردازد. یافته‌های کلیدی:

• پس از غوطه‌وری، مقاومت عایق معمولاً به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد اما پس از خشک کردن بیشتر باز می‌گردد. نمونه‌هایی با مقاومت عایق < 100 مگا‌اوم باید بازنشسته شوند.

• غوطه‌وری تأثیر کمی بر خطای پایه دارد.

• ترانسفورماتورهای غوطه‌ور شده نیاز به آزمون مجدد دارند؛ فقط واحد‌های مجاز می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

• پاداش