Impact de l'Immersion à Long Terme sur les Transformateurs de Courant Basse Tension Isolés par Résine Époxy
1 Introduction
Les transformateurs de courant basse tension pour comptage, avec une structure en résine époxy à noyau traversant, sont largement utilisés dans les zones de transformateurs de distribution et pour la consommation d'électricité des petites et moyennes industries et commerces. En tant qu'élargisseur de gamme pour le comptage de l'énergie électrique, leurs performances sont directement liées à la sécurité de la consommation d'électricité et à la précision des calculs commerciaux des utilisateurs. L'étude de l'impact d'une immersion à long terme sur ces transformateurs est significative pour déterminer la qualité de nombreux transformateurs basse tension inondés par des pluies et des inondations extrêmes.
La recherche sur l'absorption d'humidité des transformateurs se poursuit depuis longtemps. Les résultats existants n'ont pas couvert les conditions d'immersion à long terme, et l'immersion à long terme détériore plus sévèrement les transformateurs de courant que l'absorption d'humidité. Dans le test type national pour les transformateurs de courant, le niveau de protection des transformateurs intérieurs est IP20 et celui des transformateurs extérieurs est IP44 ; les normes techniques de l'industrie de l'électricité et des entreprises de réseau ne l'ont pas spécifié. Pour déterminer si les transformateurs immergés peuvent encore être utilisés, cet article mène un test d'immersion simulé, analyse les changements de performance après l'immersion et propose des suggestions de supervision de la qualité pour améliorer l'étanchéité des transformateurs.
2 Analyse théorique des caractéristiques d'immersion des transformateurs
Les principales caractéristiques des transformateurs de courant basse tension sont les caractéristiques d'isolation et les caractéristiques de comptage. Les caractéristiques d'isolation comprennent principalement la résistance d'isolation et la tension de tenue à fréquence industrielle, et les caractéristiques de comptage sont reflétées dans l'erreur fondamentale. Les caractéristiques d'immersion font référence aux changements de résistance d'isolation, de tension de tenue à fréquence industrielle et d'erreur fondamentale du transformateur avant et après l'immersion et le séchage.
2.1 Résistance d'isolation
La résistance d'isolation R est composée de la résistance volumique Rv et de la résistance superficielle Rs, comme indiqué dans la formule (1). La résistivité volumique ρv et la résistivité superficielle ρs sont indiquées dans les formules (2) et (3).
Dans la formule, EV est l'intensité du champ électrique continu à l'intérieur du matériau isolant ; JV est la densité de courant en régime permanent ; ES est l'intensité du champ électrique continu ; α est la densité de courant linéaire.
La résistance d'isolation est fortement affectée par l'humidité. Comme la conductivité électrique de l'eau est beaucoup plus élevée que celle des matériaux isolants en résine époxy, et que l'eau a une grande constante diélectrique, ce qui peut réduire l'énergie d'ionisation des ions. Par conséquent, lorsque le matériau isolant est immergé dans l'eau, la résistivité superficielle diminue rapidement, tandis que la résistivité volumique change peu ; lorsque le matériau immergé est séché, si la résistance à l'eau du matériau de support est générale ou s'il y a des défauts à l'intérieur du corps moulé, la résistivité superficielle se rétablit rapidement, mais la résistivité volumique diminue considérablement et ne peut pas être efficacement restaurée.
2.2 Tension de tenue à fréquence industrielle
La tension de test pour la tension de tenue à fréquence industrielle est appliquée entre le terminal secondaire, la plaque de fond et le sol. Dans un champ électrique non uniforme, la tension de rupture du milieu peut être approximativement calculée par la formule (4).
Dans la formule, EBD est la tension de rupture (valeur crête) entre les deux électrodes du matériau isolant ; UBD est la tension de rupture diélectrique (valeur efficace) ; s est la distance de rupture, et η est le coefficient d'utilisation du champ électrique.
2.3 Erreur fondamentale
Les erreurs fondamentales d'un transformateur de courant incluent l'erreur de rapport et l'erreur de phase. Quelle que soit la condition de fonctionnement, l'erreur fondamentale ne doit pas dépasser la valeur limite d'erreur correspondant au niveau de précision spécifié dans la norme avant qu'il puisse être utilisé.
3 Conditions de test
3.1 Sélection des échantillons de test
Sélectionnez aléatoirement les transformateurs de courant basse tension isolés en résine époxy à tester, et effectuez deux groupes de tests successivement. Le regroupement des tests et les paramètres des échantillons de test sont indiqués dans le tableau 1.
3.2 Équipement de test
L'équipement et les paramètres utilisés dans le test sont indiqués dans le tableau 2.
3.3 Test d'immersion
Conformément à la réglementation IPX8 dans la norme GB/T 4208 - 2017 "Degrés de protection fournis par les enveloppes (codes IP)", le test est effectué avec de l'eau propre. Pour les enveloppes d'une hauteur inférieure à 850 mm, le point le plus bas doit être 1000 mm en dessous de la surface de l'eau. Avant le test, mesurez d'abord la résistance d'isolation, la tension de tenue à fréquence industrielle et l'erreur fondamentale de l'échantillon de test, puis effectuez le test d'immersion.
Dans le premier groupe de tests, 3 échantillons de test provenant du même fabricant ont été placés dans l'équipement de test de plongée. De l'eau du robinet a été injectée, avec une hauteur de niveau de liquide de 1000 mm et une température de l'eau de 15 °C. Après avoir été immergés dans l'eau pendant 5 jours, ils ont été retirés. Les gouttes d'eau sur eux ont été essuyées avec un chiffon sec, et ils ont été laissés reposer pendant 15 minutes. Après le séchage, des tests ont été effectués. Ensuite, des tests ont été effectués une fois par jour pendant 10 jours. Enfin, ils ont été aérés à température ambiante pendant 5 jours, et des tests ont été effectués à nouveau après le séchage à l'air. Pour le deuxième groupe de tests, la taille de l'échantillon a été augmentée. Des échantillons de test provenant de 5 fabricants sélectionnés au hasard ont été directement immergés dans l'eau pendant 10 jours, puis aérés pendant 5 jours, et testés à nouveau après le séchage à l'air.
3.4 Données de test
3.4.1 Résistance d'isolation
La résistance d'isolation a été mesurée à l'aide de la plage de tension continue de 500 V. Les valeurs de résistance d'isolation (partielles) des deux groupes de tests sont indiquées dans les tableaux 3 et 4.
L'échantillon de test n°3 a eu le taux de changement de résistance d'isolation le plus élevé. Après avoir été immergé dans l'eau pendant 10 jours, la résistance d'isolation était de 43,3 MΩ. Après avoir été aéré pendant 5 jours, la résistance d'isolation était de 46,0 MΩ, et le taux de changement atteignait -99%. Après le test d'immersion et le séchage, les résistances d'isolation des 7 autres échantillons de test ont toutes récupéré l'ordre de grandeur de la résistance d'isolation dans l'état initial sec.
3.4.2 Tension de tenue à fréquence industrielle
Il y avait au total 8 échantillons de test dans les deux groupes de tests avant et après. Parmi eux, 7 ont passé le test de tension de tenue à fréquence industrielle. Seul l'échantillon de test n°3 a eu des difficultés lors de la montée en tension, et un son de décharge très net a pu être entendu. Après le test, des traces d'eau évidentes ont été trouvées à l'intérieur du joint entre la plaque de fond et la résine époxy de l'échantillon de test n°3. Il y avait une fente évidente à l'interface de coulée de la résine de la plaque de fond de cet échantillon de test. La plaque de fond de l'échantillon de test après le test est montrée dans la figure 1. Dans un environnement humide avec immersion dans l'eau, l'humidité externe pénètre à l'intérieur du corps principal par la fente et ne peut pas être évacuée, entraînant une réduction du niveau d'isolation.
3.4.3 Erreur fondamentale
Des tests d'erreur ont été effectués sur 8 échantillons de test avant et après l'immersion. Prenons l'échantillon de test n°3 comme exemple, les données de test d'erreur sont indiquées dans le tableau 5.
4 Analyse des tests
Les transformateurs de courant basse tension sont principalement composés de matériaux isolants, de noyaux et de bobinages. Ils utilisent un procédé de coulée : la résine époxy, la micro-poudre de silicium, les agents de durcissement, les accélérateurs et les agents de durcissement sont mélangés dans des proportions spécifiées, agités uniformément et injectés dans des moules sous certaines conditions pour la solidification.
4.1 Résistance d'isolation
La figure 2 est un histogramme de la distribution des données de résistance d'isolation des transformateurs de courant dans différents groupes de tests. La plupart des transformateurs testés montrent des changements cohérents de résistance d'isolation après l'immersion et le séchage : une chute initiale significative pendant l'immersion, puis une remontée à l'ordre de grandeur de la résistance d'isolation dans l'état initial sec après le séchage. Seul l'échantillon de test n°3 a un taux de changement de résistance d'isolation de -99% après le séchage, proche de la valeur critique qualifiée de 30 MΩ.
Pour les échantillons de test du Groupe 2, les changements de résistance d'isolation varient après l'immersion. #01, #03, #04, #05 tombent à la valeur critique ; #02 reste presque inchangé. Après 5 jours de séchage, ils retournent pour la plupart au niveau de résistance initial, montrant que #02 a une excellente qualité de coulée d'isolation sans pénétration d'eau après une immersion prolongée.
La température (négligeable ici) et l'humidité affectent la résistance d'isolation. Les changements d'humidité sont importants avant et après le test. Normalement, la résistivité superficielle diminue tandis que la résistivité volumique reste stable. Mais si le matériau isolant a une faible résistance à l'eau ou des défauts de coulée, le matériau isolant principal absorbe l'eau. Même après le séchage, l'eau interne est difficile à évaporer. La résistivité superficielle se rétablit, mais la résistivité volumique diminue considérablement et ne peut pas être efficacement restaurée, réduisant ainsi la résistance d'isolation globale.
4.2 Tension de tenue à fréquence industrielle
Les transformateurs de courant basse tension isolés en résine époxy ont une large marge d'isolation. Normalement, l'humidité superficielle ne provoque pas de décharge superficielle, et ils passent le test de tension de tenue à fréquence industrielle après l'immersion et le séchage.
Cependant, de minuscules pores dans le milieu isolant laissent entrer les molécules d'eau après l'immersion, formant des micropores remplis d'eau et transformant le diélectrique solide en un composite solide-liquide. L'eau dans les micropores polarise et se déforme sous l'effet du champ électrique, passant de sphérique à ellipsoïdal, créant des canaux de connexion et réduisant la tension de rupture. Plus il y a d'eau et de canaux plus denses, plus le risque de rupture augmente avec une immersion plus longue. Les espaces d'air dans la coulée laissent également entrer l'eau. Ces facteurs provoquent des sons de décharge pendant le test de tension de tenue, comme observé dans l'échantillon de test n°3.
4.3 Erreur fondamentale
L'erreur d'un transformateur dépend uniquement des propriétés magnétiques du noyau et des paramètres de bobinage. Avant et après l'immersion, les caractéristiques d'excitation du noyau et l'impédance de bobinage restent inchangées, et les données de test montrent une variation minimale de l'erreur fondamentale.
Les tests d'immersion ont également révélé :
5 Suggestions de supervision de la qualité
Pour éviter une défaillance d'isolation grave après l'immersion en cas de météo extrême fréquente, les suggestions incluent :
6 Conclusions
Cette étude aborde l'évaluation de la qualité des transformateurs de courant basse tension isolés en époxy après l'immersion dans de fortes pluies. Les principales conclusions sont :
Ces résultats guident les entreprises de l'électricité et les fabricants dans l'évaluation et la réutilisation des transformateurs immergés pendant une longue période.
