Impatto dell'immersione a lungo termine sui trasformatori di corrente a bassa tensione isolati con resina epossidica
1 Introduzione
I trasformatori di corrente a bassa tensione per la misurazione, con struttura in resina epossidica a nucleo passante, sono ampiamente utilizzati nelle aree dei trasformatori di distribuzione e per il consumo elettrico piccolo-medio industriale e commerciale. Come espansori di gamma per la misurazione dell'energia elettrica, le loro prestazioni sono direttamente correlate alla sicurezza del consumo di energia e all'accuratezza dei calcoli commerciali degli utenti. Studiare l'impatto dell'immersione a lungo termine su questi trasformatori è significativo dal punto di vista pratico per determinare la qualità di numerosi trasformatori a bassa tensione allagati da piogge e alluvioni estreme.
La ricerca sull'assorbimento di umidità nei trasformatori è in corso da tempo. I risultati esistenti non hanno coperto le condizioni di immersione a lungo termine, e l'immersione prolungata degrada i trasformatori di corrente più severamente rispetto all'assorbimento di umidità. Nella prova di tipo nazionale per i trasformatori di corrente, solo quelli interni hanno un grado di protezione IP20 e quelli esterni IP44; gli standard tecnici dell'industria elettrica e delle società di rete non lo specificano. Per determinare se i trasformatori immersi possono ancora essere utilizzati, questo articolo effettua una prova simulata di immersione, analizza le variazioni delle prestazioni post-immersione e offre suggerimenti di sorveglianza della qualità per migliorare l'idrorepellenza dei trasformatori.
2 Analisi Teorica delle Caratteristiche di Immersione del Trasformatore
Le principali caratteristiche dei trasformatori di corrente a bassa tensione sono le caratteristiche d'isolamento e le caratteristiche di misurazione. Le caratteristiche d'isolamento comprendono principalmente la resistenza d'isolamento e la tensione di resistenza a frequenza di rete, mentre le caratteristiche di misurazione si riflettono nell'errore fondamentale. Le caratteristiche di immersione si riferiscono alle variazioni della resistenza d'isolamento, della tensione di resistenza a frequenza di rete e dell'errore fondamentale del trasformatore prima e dopo l'immersione e l'essiccazione.
2.1 Resistenza d'Isolamento
La resistenza d'isolamento R è composta dalla resistenza volumetrica Rv e dalla resistenza superficiale Rs, come mostrato nella formula (1). La resistività volumetrica ρv e la resistività superficiale ρs sono mostrati nelle formule (2) e (3).
Nella formula, EV è l'intensità del campo elettrico continuo all'interno del materiale isolante; JV è la densità di corrente a stato stazionario; ES è l'intensità del campo elettrico continuo; α è la densità di corrente lineare.
La resistenza d'isolamento è fortemente influenzata dall'umidità. Poiché la conducibilità elettrica dell'acqua è molto superiore a quella dei materiali isolanti in resina epossidica, e l'acqua ha una grande costante dielettrica, che può ridurre l'energia di ionizzazione degli ioni. Pertanto, quando il materiale isolante viene immerso in acqua, la resistività superficiale diminuisce rapidamente, mentre la resistività volumetrica cambia poco; quando il materiale immerso viene essiccato, se la resistenza all'acqua del materiale del mezzo è generica o ci sono difetti all'interno del corpo fuso, la resistività superficiale si ripristina rapidamente, ma la resistività volumetrica diminuisce significativamente e non può essere efficacemente ripristinata.
2.2 Tensione di Resistenza a Frequenza di Rete
La tensione di prova per la tensione di resistenza a frequenza di rete viene applicata tra il terminale secondario, il fondo e il terreno. In un campo elettrico non uniforme, la tensione di rottura del mezzo può essere approssimativamente calcolata con la formula (4).
Nella formula, EBD è la tensione di rottura (valore di picco) tra i due elettrodi del materiale isolante; UBD è la tensione di rottura dielettrica (valore effettivo); s è la distanza di rottura, e η è il coefficiente di utilizzo del campo elettrico.
2.3 Errore Fondamentale
Gli errori fondamentali di un trasformatore di corrente includono l'errore di rapporto e l'errore di fase. Indipendentemente dalle condizioni di lavoro, l'errore fondamentale non deve superare il valore limite di errore corrispondente al livello di precisione specificato nello standard prima di poter essere utilizzato.
3 Condizioni di Prova
3.1 Selezione dei Campioni di Prova
Vengono selezionati casualmente i trasformatori di corrente a bassa tensione isolati in resina epossidica da sottoporre a prova, e vengono condotte due serie di prove successive. La suddivisione in gruppi e i parametri dei campioni di prova sono mostrati nella Tabella 1.
3.2 Attrezzature di Prova
Le attrezzature e i parametri utilizzati nella prova sono mostrati nella Tabella 2.
3.3 Prova di Immersione
Secondo la normativa IPX8 in GB/T 4208 - 2017 "Gradi di Protezione Forniti dai Contenitori (Codici IP)", la prova viene effettuata con acqua pulita. Per i contenitori con un'altezza inferiore a 850 mm, il punto più basso deve essere 1000 mm sotto il livello dell'acqua. Prima della prova, si misura la resistenza d'isolamento, la tensione di resistenza a frequenza di rete e l'errore fondamentale del campione di prova, e poi si effettua la prova di immersione.
Nel primo gruppo di prove, 3 campioni di prova dello stesso produttore sono stati inseriti nell'attrezzatura di prova subacquea. È stata iniettata acqua del rubinetto, con un livello di liquido di 1000 mm e una temperatura dell'acqua di 15 °C. Dopo essere stati immersi in acqua per 5 giorni, sono stati estratti. Le gocce d'acqua su di essi sono state asciugate con un panno asciutto e lasciati in posizione verticale per 15 minuti. Dopo l'essiccazione, sono state effettuate le prove. Successivamente, le prove sono state condotte una volta al giorno per 10 giorni. Infine, sono stati arieggiati a temperatura ambiente per 5 giorni, e le prove sono state effettuate nuovamente dopo l'essiccazione all'aria. Nel secondo gruppo di prove, la dimensione del campione è stata aumentata. Sono stati immersi direttamente in acqua per 10 giorni i campioni di prova di 5 produttori selezionati casualmente, poi arieggiati per 5 giorni e testati nuovamente dopo l'essiccazione all'aria.
3.4 Dati di Prova
3.4.1 Resistenza d'Isolamento
La resistenza d'isolamento è stata misurata utilizzando la gamma di tensione continua a 500V. I valori di resistenza d'isolamento (parziali) dei due gruppi di prove sono mostrati nella Tabella 3 e nella Tabella 4.
Il campione di prova #3 ha avuto la massima variazione percentuale della resistenza d'isolamento. Dopo essere stato immerso in acqua per 10 giorni, la resistenza d'isolamento era di 43,3 MΩ. Dopo essere stato arieggiato per 5 giorni, la resistenza d'isolamento era di 46,0 MΩ, e la variazione percentuale era del -99%. Dopo la prova di immersione e l'essiccazione, le resistenze d'isolamento dei rimanenti 7 campioni di prova sono tutte tornate all'ordine di grandezza della resistenza d'isolamento nello stato asciutto iniziale.
3.4.2 Tensione di Resistenza a Frequenza di Rete
C'erano un totale di 8 campioni di prova nei due gruppi di prove prima e dopo. Tra questi, 7 hanno superato la prova di tensione di resistenza a frequenza di rete. Solo il campione di prova #3 ha avuto difficoltà nel rialzo di tensione durante la prova, e si poteva sentire un suono di scarica molto evidente. Dopo la prova, sono state trovate tracce evidenti di acqua all'interno della giunzione tra il fondo e la resina epossidica del campione di prova #3. C'era una chiara fessura all'interfaccia di colata della resina del fondo di questo campione di prova. Il fondo del campione di prova dopo la prova è mostrato nella Figura 1. In un ambiente umido con immersione in acqua, l'umidità esterna entra all'interno del corpo principale attraverso la fessura e non può essere dissipata, causando una riduzione del livello d'isolamento.
3.4.3 Errore Fondamentale
Sono state condotte prove di errore su 8 campioni di prova sia prima che dopo l'immersione. Prendendo come esempio il campione di prova #3, i dati della prova di errore sono mostrati nella Tabella 5.
4 Analisi della Prova
I trasformatori di corrente a bassa tensione sono composti principalmente da materiali isolanti, nuclei di ferro e avvolgimenti. Utilizzano un processo di fusione: resina epossidica, micropolvere di silicio, agenti di irrobustimento, acceleranti e agenti di polimerizzazione vengono miscelati in proporzioni specifiche, mescolati in modo uniforme e iniettati in stampi in determinate condizioni per solidificarsi.
4.1 Resistenza d'Isolamento
La Figura 2 è un istogramma della distribuzione dei dati di resistenza d'isolamento dei trasformatori di corrente in diversi gruppi di prova. La maggior parte dei trasformatori provati mostra cambiamenti consistenti nella resistenza d'isolamento dopo l'immersione e l'essiccazione: una notevole diminuzione iniziale durante l'immersione, seguita da un aumento fino all'ordine di grandezza della resistenza d'isolamento nello stato asciutto iniziale dopo l'essiccazione. Solo il campione di prova #3 ha una variazione percentuale della resistenza d'isolamento del -99% dopo l'essiccazione, vicino al valore critico qualificato di 30 MΩ.
Per i campioni del Gruppo di Prova 2, i cambiamenti della resistenza d'isolamento variano dopo l'immersione. #01, #03, #04, #05 scendono al valore critico; #02 rimane quasi invariato. Dopo 5 giorni di essiccazione, la maggior parte ritorna al livello di resistenza originale, dimostrando che #02 ha un'eccellente qualità di fusione dell'isolamento senza penetrazione d'acqua dopo l'immersione a lungo termine.
La temperatura (trascurabile qui) e l'umidità influenzano la resistenza d'isolamento. L'umidità cambia notevolmente prima e dopo la prova. Normalmente, la resistività superficiale diminuisce, mentre la resistività volumetrica rimane stabile. Ma se il materiale isolante ha una bassa resistenza all'acqua o difetti di fusione, il mezzo isolante principale assorbe acqua. Anche dopo l'essiccazione, l'acqua interna difficilmente evapora. La resistività superficiale si ripristina, ma la resistività volumetrica diminuisce drasticamente e non può essere efficacemente ripristinata, abbassando la resistenza d'isolamento complessiva.
4.2 Tensione di Resistenza a Frequenza di Rete
I trasformatori di corrente a bassa tensione isolati in resina epossidica hanno un grande margine di isolamento. Normalmente, l'umidità superficiale non causa scariche superficiali, e superano la prova di tensione di resistenza a frequenza di rete dopo l'immersione e l'essiccazione.
Tuttavia, minuscole porosità nel mezzo isolante permettono ai molecole d'acqua di entrare dopo l'immersione, formando microcavità riempite d'acqua e trasformando il dielettrico solido in un composto solido-liquido. L'acqua nelle microcavità si polarizza e si deforma sotto il campo elettrico, passando da una forma sferica a ellissoidale, creando canali di collegamento e riducendo la tensione di rottura. Più acqua e canali più densi con un'immersione più lunga aumentano il rischio di rottura. Anche le fessure nell'impasto permettono l'ingresso dell'acqua. Questi fattori causano rumori di scarica durante la prova di resistenza, come visto nel campione di prova #3.
4.3 Errore Fondamentale
L'errore di un trasformatore dipende solo dalle proprietà magnetiche del nucleo e dai parametri di avvolgimento. Prima e dopo l'immersione, le caratteristiche di eccitazione del nucleo e l'impedenza dell'avvolgimento rimangono invariate, e i dati di prova mostrano una variazione minima dell'errore fondamentale.
Le prove di immersione hanno anche rivelato:
5 Suggerimenti per la Sorveglianza della Qualità
Per evitare gravi fallimenti d'isolamento dopo l'immersione in caso di frequenti condizioni meteorologiche estreme, i suggerimenti includono:
6 Conclusioni
Questo studio affronta la valutazione della qualità dei trasformatori di corrente a bassa tensione isolati in resina epossidica dopo l'immersione in forti piogge. I principali risultati sono:
Questi risultati guidano le società elettriche e i produttori nella valutazione e nel riutilizzo dei trasformatori a lungo immersi.
