Impacto da inmersión a longo prazo en transformadores de corrente de baixa tensión con aislamento de resina epoxi
1 Introducción
Os transformadores de corrente de baixa tensión para medida, con unha estrutura de resina epoxi tipo núcleo pasante, son amplamente utilizados en áreas de transformadores de distribución e para o consumo eléctrico de pequenas e medianas industrias e comercios. Como ampliadores de rango para a medida da enerxía eléctrica, o seu rendemento está directamente relacionado coa seguridade do consumo de electricidade e a precisión dos cálculos comerciais dos usuarios. Estudar o impacto da inmersión a longo prazo nestes transformadores ten unha significación práctica para determinar a calidade de numerosos transformadores de baixa tensión inundados por chuvias extremas e inundacións.
A investigación sobre a absorción de humidade nos transformadores vén realizándose desde hai moito tempo. Os resultados existentes non cubren as condicións de inmersión a longo prazo, e a inmersión a longo prazo deteriora os transformadores de corrente de forma máis severa que a absorción de humidade. No ensaio de tipo nacional para transformadores de corrente, só se especifica un nivel de protección IP20 para os transformadores interiores e IP44 para os exteriores; os estándares técnicos da industria eléctrica e das empresas de rede non o especifican. Para determinar se os transformadores inmersos poden seguir sendo utilizados, este artigo realiza un ensaio de simulación de inmersión, analiza os cambios de rendemento despois da inmersión e ofrece suxestións de supervisión de calidade para mellorar a estanquidade dos transformadores.
2 Análise Teórica das Características de Inmersión dos Transformadores
As principais características dos transformadores de corrente de baixa tensión son as características de aislamento e as características de medida. As características de aislamento inclúen principalmente a resistencia de aislamento e a tensión de resistencia de frecuencia industrial, e as características de medida refíxanse no erro básico. As características de inmersión referíronse aos cambios na resistencia de aislamento, na tensión de resistencia de frecuencia industrial e no erro básico do transformador antes e despois da inmersión e secado.
2.1 Resistencia de Aislamento
A resistencia de aislamento R compónese da resistencia de volume Rv e da resistencia de superficie Rs, como se amosa na fórmula (1). A resistividade de volume ρv e a resistividade de superficie ρs mostráronse nas fórmulas (2) e (3).
Na fórmula, EV é a intensidade do campo eléctrico DC dentro do material aislante; JV é a densidade de corrente en estado estable; ES é a intensidade do campo eléctrico DC; α é a densidade de corrente linear.
A resistencia de aislamento ve afectada enormemente pola humidade. Dado que a conductividade eléctrica da auga é moito maior que a dos materiais aislantes de resina epoxi, e a auga ten unha constante dieléctrica grande, que pode reducir a enerxía de ionización dos íons. Polo tanto, cando o material aislante está inmerso na auga, a resistencia de superficie diminúe rapidamente, mentres que a resistencia de volume cambia pouco; cando o material inmerso está seco, se a resistencia á auga do material medio é xeral ou hai defectos dentro do corpo fundido, a resistencia de superficie recupera rapidamente, pero a resistencia de volume diminúe significativamente e non pode ser restaurada eficazmente.
2.2 Tensión de Resistencia de Frecuencia Industrial
A tensión de proba para a tensión de resistencia de frecuencia industrial aplícase entre o terminal secundario, a base e o terra. Cando está nun campo eléctrico non uniforme, a intensidade de campo de rotura do medio pódese calcular aproximadamente mediante a fórmula (4).
Na fórmula, EBD é a intensidade de campo de rotura (valor máximo) entre os dous electrodos do material aislante; UBD é a tensión de rotura dieléctrica (valor efectivo); s é a distancia de rotura, e η é o coeficiente de utilización do campo eléctrico.
2.3 Erro Básico
Os erros básicos dun transformador de corrente inclúen o erro de razón e o erro de fase. Independentemente das condicións de traballo, o erro básico non debe superar o valor límite de erro correspondente ao nivel de precisión especificado no estándar antes de poder ser utilizado.
3 Condicións de Ensaio
3.1 Selección de Amostras de Ensaio
Seleccione aleatoriamente os transformadores de corrente de baixa tensión aislados con resina epoxi para ser probados e realice dous grupos de ensaios consecutivos. A agrupación de ensaios e os parámetros das amostras de ensaio móstranse na Táboa 1.
3.2 Equipamento de Ensaio
O equipamento e os parámetros utilizados no ensaio móstranse na Táboa 2.
3.3 Ensaio de Inmersión
De acordo coa regulación IPX8 no GB/T 4208-2017 "Grados de Protección Proporcionados polas Cajas (Códigos IP)", o ensaio realiza-se con auga limpa. Para as cajas cunha altura inferior a 850 mm, o punto máis baixo debe estar 1000 mm por debaixo da superficie da auga. Antes do ensaio, mide-se primeiro a resistencia de aislamento, a tensión de resistencia de frecuencia industrial e o erro básico da mostra de ensaio, e despois realiza-se o ensaio de inmersión.
No primeiro grupo de ensaios, colocáronse 3 mostras de ensaio do mesmo fabricante no equipo de proba de inmersión. Inxectouse auga do grifo, cunha altura do nivel do líquido de 1000 mm e a temperatura da auga a 15 °C. Despois de estar inmersos na auga durante 5 días, retiráronse. As gotas de auga nelles foron limpas cun paño seco e deixáronse en reposo durante 15 minutos. Despois do secado, realizáronse os ensaios. Posteriormente, realizáronse ensaios unha vez por día durante 10 días. Finalmente, aireáronse a temperatura ambiente durante 5 días, e realizáronse novos ensaios despois do secado ao aire. Para o segundo grupo de ensaios, aumentouse o tamaño da mostra. Mostras de ensaio de 5 fabricantes seleccionados aleatoriamente inxeríronse directamente na auga durante 10 días, despois aireáronse durante 5 días, e volvéronse a probar despois do secado ao aire.
3.4 Datos de Ensaio
3.4.1 Resistencia de Aislamento
A resistencia de aislamento midiuse usando o rango de tensión DC de 500V. Os valores de resistencia de aislamento (parciais) dos dous grupos de ensaios móstranse na Táboa 3 e na Táboa 4.
A mostra de ensaio nº3 teve a maior taxa de cambio de resistencia de aislamento. Despois de estar inmersa na auga durante 10 días, a resistencia de aislamento foi de 43,3 MΩ. Despois de estar aireada durante 5 días, a resistencia de aislamento foi de 46,0 MΩ, e a taxa de cambio alcanzou -99%. Despois do ensaio de inmersión e secado, as resistencias de aislamento das outras 7 mostras de ensaio recuperáronse todos ao orde de magnitude da resistencia de aislamento no estado seco inicial.
3.4.2 Tensión de Resistencia de Frecuencia Industrial
Houbo un total de 8 mostras de ensaio nos dous grupos de ensaios antes e despois. Entre eles, 7 superaron o ensaio de tensión de resistencia de frecuencia industrial. Só a mostra de ensaio nº3 teve dificultades no aumento de tensión durante o ensaio, e pódese escoitar un sonido de descarga moi evidente. Despois do ensaio, atopáronse trazas evidentes de auga no interior da unión entre a base e a resina epoxi da mostra de ensaio nº3. Había unha brecha evidente na interface de fundición da resina da base desta mostra de ensaio. A base da mostra de ensaio despois do ensaio móstrase na Figura 1. Nun ambiente húmido con inmersión na auga, a humidade externa entra no interior do corpo principal a través da brecha e non pode ser expulsada, resultando nunha diminución do nivel de aislamento.
3.4.3 Erro Básico
Realizáronse ensaios de erro en 8 mostras de ensaio tanto antes como despois da inmersión. Tomando a mostra de ensaio nº3 como exemplo, os datos do ensaio de erro móstranse na Táboa 5.
4 Análise do Ensaio
Os transformadores de corrente de baixa tensión están compostos principalmente de materiais aislantes, núcleos de ferro e bobinas. Utilízanse un proceso de fundición: resina epoxi, micropó de silicio, agentes de endurecemento, aceleradores e catalizadores mezclánse en proporcións especificadas, remexense uniformemente e inxectanse en moldes ba temperaturas específicas para solidificarse.
4.1 Resistencia de Aislamento
A Figura 2 é un histograma da distribución de datos de resistencia de aislamento dos transformadores de corrente en diferentes grupos de ensaio. A maioría dos transformadores probados mostran cambios consistentes na resistencia de aislamento despois da inmersión e secado: unha diminución inicial significativa durante a inmersión, seguida dun aumento de volta ao orde de magnitude do estado seco inicial despois do secado. Só a mostra de ensaio nº3 ten unha taxa de cambio de resistencia de aislamento de -99% despois do secado, preto do valor crítico cualificado de 30 MΩ.
Para as mostras do Grupo de Ensaio 2, os cambios na resistencia de aislamento varían despois da inmersión. #01, #03, #04, #05 caen ao valor crítico; #02 permanece case sen cambios. Despois de 5 días de secado, a maioría volve ao nivel de resistencia orixinal, mostrando que #02 ten unha calidade de fundición de aislamento excelente sen penetración de auga despois da inmersión a longo prazo.
A temperatura (neglixible aquí) e a humidade afectan a resistencia de aislamento. Os cambios de humidade son grandes antes e despois do ensaio. Normalmente, a resistencia de superficie diminúe mentres que a resistencia de volume permanece. Pero se o material aislante ten baixa resistencia á auga ou defectos de fundición, o medio aislante principal absorbe auga. Incluso despois do secado, a auga interna difícilmente evapora. A resistencia de superficie recupera, pero a resistencia de volume diminúe significativamente e non pode ser restaurada eficazmente, reducindo a resistencia de aislamento global.
4.2 Tensión de Resistencia de Frecuencia Industrial
Os transformadores de corrente de baixa tensión aislados con resina epoxi teñen un gran margen de aislamento. Normalmente, a humidade superficial non causa descargas superficiais, e superan o ensaio de tensión de resistencia de frecuencia industrial despois da inmersión e secado.
Non obstante, as microfendas no medio aislante permíten que as moléculas de auga entren despois da inmersión, formando microporos cheos de auga e convirtendo o dieléctrico sólido nun compósito sólido-líquido. A auga nos microporos polarízase e deforma ba o campo eléctrico, cambiando de esférico a elipsoidal, conectando canles e reducindo a intensidade de campo de rotura. Máis auga e canles máis densos con maior inmersión aumentan o risco de rotura. As brechas de aire na fundición tamén permíten que entre a auga. Estes factores causan sons de descarga durante a tensión de resistencia, como se observa na mostra de ensaio nº3.
4.3 Erro Básico
O erro dun transformador depende só das propiedades magnéticas do núcleo e dos parámetros de bobinado. Antes e despois da inmersión, as características de excitación do núcleo e a impedancia do bobinado permanecen inalteradas, e os datos de ensaio mostran unha variación mínima do erro básico.
Os ensaios de inmersión tamén revelaron:
5 Suxestións de Supervisión de Calidade
Para evitar fallos graves de aislamento despois da inmersión ante climas extremos frecuentes, as suxestións inclúen:
6 Conclusións
Este estudo aborda a avaliación da calidade dos transformadores de corrente de baixa tensión aislados con resina epoxi despois da inmersión en chuvia forte. As principais conclusións son:
Estes resultados orientan ás compañías eléctricas e aos fabricantes na avaliación e reutilización de transformadores inmersos a longo prazo.
