Utjecaj dugotrajnog zanurivanja na niskonaponske transformatori struje s epoksidnom izolacijom

1 Uvod
Niskonaponski transformatori struje za mjerenje s strukturom epoksidne smole proizvedene metodom prolaska kroz jezgra široko se koriste u područjima distribucijskih transformatora i za potrebe manjih do srednje velikih industrijskih i trgovinskih potrošnji električne energije. Kao proširivači raspona mjerenja električne energije, njihove performanse izravno su povezane s sigurnošću potrošnje električne energije i točnošću trgovinskog računanja korisnika. Istraživanje utjecaja dugotrajnog zanuračenja na ove transformatore ima praktičnu važnost za određivanje kvalitete mnogih niskonaponskih transformatora koji su poplavljivi u ekstremnim padavinama i poplavama.

Istraživanje apsorpcije vlažnosti kod transformatora već dugo je u tijeku. Postojeći rezultati nisu pokrivali uvjete dugotrajnog zanuračenja, a dugotrajno zanuračenje više otežava rad transformatora struje nego apsorpcija vlažnosti. U nacionalnom standardnom tip testu za transformatore struje, samo unutarnji transformatori imaju stupanj zaštite IP20, a vanjski IP44; tehnički standardi elektrane i mreže ne definiraju ovaj stupanj. Da bi se utvrdilo mogu li se zanuriveni transformatori i dalje koristiti, ovaj rad provodi simulirani zanuračeni test, analizira promjene performansi nakon zanuračenja i nudi predloge za nadzor kvalitete kako bi se poboljšala vodootpornost transformatora.

2 Teorijska analiza karakteristika zanuračenja transformatora

Glavne karakteristike niskonaponskih transformatora struje su izolacijske karakteristike i karakteristike mjerenja. Izolacijske karakteristike uključuju otpornost na izolaciju i izdržljivost na napetost strujnog vala, a karakteristike mjerenja se odražavaju u osnovnoj grešci. Karakteristike zanuračenja odnose se na promjene otpornosti na izolaciju, izdržljivosti na napetost strujnog vala i osnovne greške transformatora prije i poslije zanuračenja i sušenja.

2.1 Otpornost na izolaciju

Otpornost na izolaciju R sastoji se od volumne otpornosti Rv i površinske otpornosti Rs, kao što je prikazano u formuli (1). Volumna specifična otpornost ρv i površinska specifična otpornost ρs su prikazane u formulama (2) i (3).

U formuli, E_V je DC električno polje unutar izolacijskog materijala; J_V je stacionarna gustoća struje; E_S je DC električno polje; α je linearna gustoća struje.

Otpornost na izolaciju značajno je ovisna o vlazi. Budući da je električna vodljivost vode mnogo veća od vodljivosti epoksidnih resinskih izolacijskih materijala, a voda ima veliku dielektričnu konstantu, koja može smanjiti ionizacijsku energiju iona, kada se izolacijski materijal zanuri u vodu, površinska otpornost brzo pada, dok se volumna otpornost malo mijenja; kada se zanurjeni materijal osuši, ako je vodootpornost medijuma opće ili postoje defekti unutar ljevanog tijela, površinska otpornost brzo se oporavi, ali volumna otpornost značajno pada i ne može se efektivno obnoviti.

2.2 Izdržljivost na napetost strujnog vala

Testna napetost za izdržljivost na napetost strujnog vala primjenjuje se između sekundarnog terminala, dnevnice i zemlje. Kada se nalazi u neuniformnom električnom polju, prekidna napetost medija može se približno izračunati formulom (4).

U formuli, E_BD je prekidna napetost (vrhovna vrijednost) između dva elektroda izolacijskog materijala; U_BD jeste prekidna napetost (efektivna vrijednost); s je prekidna udaljenost, a η je faktor iskorištenja električnog polja.

2.3 Osnovna greška

Osnovne greške transformatora struje uključuju omjernu grešku i faznu grešku. Bez obzira na radne uvjete, osnovna greška ne smije premašiti granicnu vrijednost greške koja odgovara navedenoj razini točnosti prije upotrebe.

3 Testni uvjeti
3.1 Odabir testnih uzoraka

Slučajno odaberite niskonaponske transformatore struje s izolacijom od epoksidne smole koje će se testirati, te provedite dvije grupe testova redom. Grupiranje testova i parametri testnih uzoraka prikazani su u tablici 1.

3.2 Testna oprema

Oprema i parametri korišteni u testu prikazani su u tablici 2.

3.3 Zanuračeni test

Prema propisu IPX8 u GB/T 4208 - 2017 "Stupnjevi zaštite pruženi oklopima (IP kodovi)", test se provodi s čistom vodom. Za oklope s visinom manjom od 850 mm, najniže točke trebaju biti 1000 mm ispod površine vode. Prije testa, prvo se mjeri otpornost na izolaciju, izdržljivost na napetost strujnog vala i osnovna greška testnog uzorka, a zatim se provodi zanuračeni test.

U prvoj grupi testova, tri testna uzorka istog proizvođača postavljeni su u opremu za potapljanje. Ubacen je vodovod, s visinom fluida od 1000 mm i temperaturom vode od 15 °C. Nakon pet dana zanuračenja, uzorci su izvučeni. Kapi vode su sa njih otirane suhom krpom, ostavljeni su na suho 15 minuta, a zatim su testirani. Zatim su testovi provodili svakog dana tijekom 10 dana. Konačno, uzorci su sušeni na sobnoj temperaturi 5 dana, a ponovno su testirani nakon sušenja. Za drugu grupu testova, povećan je broj uzoraka. Testni uzorci od 5 slučajno odabranih proizvođača direktno su zanurjeni u vodu 10 dana, zatim sušeni 5 dana, a ponovno su testirani nakon sušenja.

3.4 Testni podaci
3.4.1 Otpornost na izolaciju

Otpornost na izolaciju mjerena je pomoću opsega DC napetosti od 500V. Vrijednosti otpornosti na izolaciju (djelomično) za dvije grupe testova prikazane su u tablicama 3 i 4.

Uzorak #3 imao je najveću stopu promjene otpornosti na izolaciju. Nakon zanuračenja u vodu 10 dana, otpornost na izolaciju bila je 43.3 MΩ. Nakon sušenja 5 dana, otpornost na izolaciju bila je 46.0 MΩ, a stopa promjene dosegnula je - 99%. Nakon zanuračenog testa i sušenja, otpornosti na izolaciju ostalih 7 testnih uzoraka sve se oporavile na redoslijed magnituda otpornosti na izolaciju u početnom suhom stanju.

3.4.2 Izdržljivost na napetost strujnog vala

Ukupno je bilo 8 testnih uzoraka u dvije grupe testova prije i poslije. Među njima, 7 je prošlo test izdržljivosti na napetost strujnog vala. Samo uzorak #3 imao je teškoće s povećanjem napetosti tijekom testa, a vrlo se jasno mogao čuti zvuk diskretne razrade. Nakon testa, unutar spojnog dijela između dnevnice i epoksidne smole uzorka #3 otkriveni su očiti tragovi vode. Postojala je očita rupa na presjeku ljevanja dnevnice ovog testnog uzorka. Dnevnik testnog uzorka nakon testa prikazan je na slici 1. U vlažnom okruženju s zanuračenjem vode, spoljašnja vlažnost ulazi unutar glavnog tijela kroz razmak i ne može se isprazniti, što dovodi do smanjenja razine izolacije.

3.4.3 Osnovna greška

Testiranje grešaka provodilo se na 8 testnih uzoraka prije i poslije zanuračenja. Kao primjer, podaci o testiranju grešaka uzorka #3 prikazani su u tablici 5.

4 Analiza testa

Niskonaponski transformatori struje uglavnom se sastoje od izolacijskih materijala, željezne jezgre i navijanja. Koriste se ljevac: epoksidna smola, silikonski mikroni prah, tvar za čvršćenje, ubrzivači i tvari za tvrdenje miješaju se u određenim proporcijama, ravnomjerno se miješaju i pod određenim uvjetima injiciraju u kalupove za solidifikaciju.

4.1 Otpornost na izolaciju

Slika 2 prikazuje histogram raspodjele podataka o otpornosti na izolaciju transformatora struje u različitim grupama testova. Većina testiranih transformatora pokazuje konzistentne promjene otpornosti na izolaciju nakon zanuračenja i sušenja: značajno padanje tijekom zanuračenja, a zatim povratak na originalnu magnitudu suhe stanje nakon sušenja. Samo uzorak #3 ima stopu promjene otpornosti na izolaciju od - 99% nakon sušenja, blizu kritične vrijednosti od 30 MΩ.

Za uzorke druge skupine testova, promjene otpornosti na izolaciju variraju nakon zanuračenja. #01, #03, #04, #05 padaju na kritičnu vrijednost; #02 ostaje gotovo nepromijenjen. Nakon 5-dnevnog sušenja, većina se vraća na originalni nivo otpornosti, što pokazuje da #02 ima odličnu kvalitetu ljevanja izolacije bez penetracije vode nakon dugotrajnog zanuračenja.

Temperatura (zanemariva ovdje) i vlažnost utječu na otpornost na izolaciju. Promjene vlažnosti su velike prije i poslije testa. Normalno, površinska specifična otpornost pada, dok se volumna specifična otpornost ne mijenja. Ali ako izolacijski materijal ima nisku vodootpornost ili defekte ljevanja, glavni izolacijski medij apsorbira vodu. Čak i nakon sušenja, unutarnja voda teško evaporira. Površinska specifična otpornost se oporavlja, ali volumna specifična otpornost dramatično pada i ne može se efektivno obnoviti, smanjujući ukupnu otpornost na izolaciju.

4.2 Izdržljivost na napetost strujnog vala

Transformatori struje s izolacijom od epoksidne smole imaju veliki izolacijski margine. Normalno, površinska vlažnost ne uzrokuje površinsku razradu, i oni prođu test izdržljivosti na napetost strujnog vala nakon zanuračenja i sušenja.

Međutim, male poroznosti u izolacijskom mediju dopuštaju ulazak molekula vode nakon zanuračenja, formirajući mikropore punjene vodom i pretvarajući čvrsti dielektrik u kompozit čvrsto-tekuće faze. Voda u mikroporima polarizira i deformira se pod djelovanjem električnog polja, mijenjajući se od sferične u eliptičnu, povezujući kanale i smanjujući prekidnu napetost. Više vode i gušće kanale s dužim zanuračenjem povećavaju rizik od prekida. Zračni razmaci u ljevanju također dopuštaju ulazak vode. Ovi faktori uzrokuju zvuk razrade tijekom testa izdržljivosti na napetost, kao što je vidljivo na uzorku #3.

4.3 Osnovna greška

Greška transformatora ovisi samo o magnetnim svojstvima jezgre i parametrima navijanja. Prije i poslije zanuračenja, pobudna karakteristika jezgre i impedancija navijanja ostaju nepromijenjene, a testni podaci pokazuju minimalnu varijaciju osnovne greške.

Zanuračeni testovi su također otkrili:

• 75% (6 od 8) šljive na sekundarnim terminalima su se zakorojile.

• 50% (4 uzorka) pokazali su beljenje boje smole (originalno Bordo 3, značajno svijetlije).

5 Predlozi za nadzor kvalitete

Kako bi se izbjegao ozbiljan propad izolacije nakon zanuračenja u čestim ekstremnim vremenskim uvjetima, predlozi uključuju:

• Jačanje nadzora proizvodnje: Upotreba visoko vodootpornih epoksidnih kompozita; strogo pridržavanje standarda ljevanja kako bi se spriječili površinski razmaci i unutarnji zračni bubnjevi.

• Dodavanje zanuračenih testova za transformatore u kišnim i nizinskim područjima tijekom cijelog testiranja performansi i uzorkovanja.

• Izgradnja sposobnosti bezzavršnog testiranja (X-zraka) za analizu promjena unutarnjeg medija nakon zanuračenja, poticanje dobavljača da poboljšaju procese.

• Uključivanje zahtjeva za zanuračenim testom u tehničke standarde, posebno za specijalne transformatore.

• Suradnja s vodećim proizvođačima na razvoju visoko vodootpornih transformatora za mjerenje.

6 Zaključci

Ovo istraživanje obrađuje procjenu kvalitete niskonaponskih transformatora struje s izolacijom od epoksidne smole nakon zanuračenja u teškim padavinama. Ključni zaključci:

• Nakon zanuračenja, otpornost na izolaciju obično drastično pada, ali se većinom oporavlja nakon sušenja. Uzorci s otpornošću na izolaciju < 100 M&Omega; trebaju biti izbačeni.

• Zanuračenje gotovo ne utječe na osnovnu grešku.

• Zanuriveni transformatori zahtijevaju ponovno testiranje; samo kvalificirani uređaji mogu ostati u upotrebi.

• Zanuračeni testovi pomažu u otkrivanju defekata ljevanja.

Ovi rezultati vode elektranama i proizvođačima u procjeni i ponovnoj uporabi transformatora dulje zanuračenih.