長期浸漬がエポキシ絶縁低電流変換器に及ぼす影響

Felix Spark

フィールド: 故障とメンテナンス

China

1 導入
計量用の低電圧電流変換器は、コア貫通型エポキシ樹脂構造で広く使用されており、配電変圧器エリアや中小規模の産業・商業電力消費に広く利用されています。電力計測の範囲拡張装置として、これらの変換器の性能は電力消費の安全性とユーザーの取引計算の正確性に直接関連しています。長期浸漬の影響を研究することは、極端な雨や洪水によって浸水した多数の低電圧変換器の品質を決定するために実際的な意義があります。

変換器の水分吸収に関する研究は長年行われていますが、既存の結果は長期浸漬条件をカバーしていません。長期浸漬は、水分吸収よりも電流変換器をより深刻に劣化させます。国の標準型試験では、屋内変換器の保護レベルはIP20、屋外変換器はIP44であり、電力業界や電力網会社の技術基準では指定されていません。浸水した変換器がまだ使用可能かどうかを確認するため、本論文では模擬浸漬試験を行い、浸漬後の性能変化を分析し、変換器の防水性を向上させるための品質監視の提案を行います。

2 変換器浸漬特性の理論的分析

低電圧電流変換器の主な特性は絶縁特性と計測特性です。絶縁特性には主に絶縁抵抗と商用周波数耐電圧が含まれ、計測特性は基本誤差に反映されます。浸漬特性とは、変換器の浸漬前後および乾燥後の絶縁抵抗、商用周波数耐電圧、および基本誤差の変化を指します。

2.1 絶縁抵抗

絶縁抵抗 R は体積抵抗 Rv と表面抵抗 Rs で構成され、式 (1) に示されています。体積電気抵抗 ρv と表面電気抵抗 ρs はそれぞれ式 (2) と (3) に示されています。

式中、EV は絶縁材料内の直流電場強度、JV は定常電流密度、ES は直流電場強度、α は線形電流密度です。

絶縁抵抗は湿度に大きく影響されます。水の導電性はエポキシ樹脂絶縁材料よりもはるかに高く、また水は大きな誘電率を持ち、イオンのイオン化エネルギーを減少させるため、絶縁材料が水に浸かると表面電気抵抗が急速に低下しますが、体積電気抵抗はほとんど変化しません。浸水した材料が乾燥すると、もし絶縁材料の防水性が一般またはキャストボディ内部に欠陥がある場合、表面電気抵抗は急速に回復しますが、体積電気抵抗は大幅に低下し、効果的に回復できません。

2.2 商用周波数耐電圧

商用周波数耐電圧試験の試験電圧は二次端子、底板と接地との間に適用されます。非一様電界では、媒体の破壊電界強度は式 (4) で近似計算できます。

式中、EBD は絶縁材料の両電極間の破壊電界強度（ピーク値）、UBD は絶縁破壊電圧（有効値）、s は破壊距離、η は電界利用係数です。

2.3 基本誤差

電流変換器の基本誤差には比誤差と位相誤差があります。どのような動作条件下でも、基本誤差は標準で規定された精度レベルに対応する誤差限界値を超えてはなりません。

3 試験条件
3.1 試験サンプルの選択

ランダムに選ばれたエポキシ樹脂絶縁低電圧電流変換器を試験し、2つのグループに分けて試験を行います。試験サンプルのグループ分けとパラメータは表1に示されています。

3.2 試験設備

試験で使用される設備とパラメータは表2に示されています。

3.3 浸漬試験

GB/T 4208-2017「防護等級（IPコード）」のIPX8規格に基づき、清潔な水を使用して試験を行います。高さが850 mm未満のエンクロージャーの場合、最も低い点は水面から1000 mm以下にする必要があります。試験前にまず試験サンプルの絶縁抵抗、商用周波数耐電圧、および基本誤差を測定し、その後浸漬試験を行います。

第1グループの試験では、同じメーカーからの3つの試験サンプルをダイビング試験装置に入れました。水道水を注入し、液面の高さを1000 mm、水温を15°Cに設定しました。5日間水に浸した後、取り出し、乾いた布で水滴を拭き取り、15分間静置しました。乾燥後、試験を行いました。その後、10日間毎日試験を行い、最後に室温で5日間空気乾燥し、再び試験を行いました。第2グループの試験では、サンプルサイズを増やしました。5つのランダムに選ばれたメーカーからの試験サンプルを直接10日間水に浸し、その後5日間空気乾燥し、再び試験を行いました。

3.4 試験データ
3.4.1 絶縁抵抗

絶縁抵抗は500V DC電圧範囲で測定しました。2つのグループの試験における絶縁抵抗値（一部）は表3と表4に示されています。

#3試験サンプルは最大の絶縁抵抗変化率を示しました。10日間水に浸した後、絶縁抵抗は43.3 MΩでした。5日間空気乾燥後、絶縁抵抗は46.0 MΩとなり、変化率は-99%に達しました。浸漬試験と乾燥後、残りの7つの試験サンプルの絶縁抵抗はすべて初期の乾燥状態のオーダーに回復しました。

3.4.2 商用周波数耐電圧

2つのグループの試験では、合計8つの試験サンプルがあり、そのうち7つが商用周波数耐電圧試験に合格しました。#3試験サンプルのみ、試験中に昇圧が困難で、非常に明確な放電音が聞こえました。試験後、#3試験サンプルの底板とエポキシ樹脂の接合部内部に明確な水痕が見られました。この試験サンプルの底板樹脂の注ぎ口に明らかな隙間がありました。試験後の試験サンプルの底板は図1に示されています。湿った環境で水に浸すと、外部の湿気が隙間を通って主体内部に入り、排出されず、絶縁レベルが低下します。

3.4.3 基本誤差

浸漬前後に8つの試験サンプルで誤差試験を行いました。#3試験サンプルを例に、誤差試験データは表5に示されています。

4 試験分析

低電圧電流変換器は主に絶縁材料、鉄心、巻線で構成されています。鋳造プロセスを使用しており、エポキシ樹脂、シリコン微粉末、タフニング剤、促進剤、硬化剤を規定の割合で混合し、均一に攪拌し、一定の条件下でモールドに注入して固化します。

4.1 絶縁抵抗

図2は異なる試験グループの電流変換器の絶縁抵抗データ分布のヒストグラムです。多くの試験された変換器は浸漬と乾燥後の絶縁抵抗変化が一貫しています：浸漬時の初期の急激な低下、その後乾燥により元の乾燥状態のオーダーに戻ります。#3試験サンプルのみ、乾燥後の絶縁抵抗変化率が-99%に達し、30 MΩの合格臨界値に近づきました。

第2試験グループのサンプルでは、浸漬後の絶縁抵抗変化が異なります。#01、#03、#04、#05は臨界値に低下しました；#02はほぼ変化ありませんでした。5日間の乾燥後、大部分は元の抵抗レベルに戻りました。これは#02が優れた絶縁鋳造品質を持ち、長期浸漬後も水が浸透しないことを示しています。

温度（ここでは無視可能）と湿度は絶縁抵抗に影響します。湿度は試験前後に大きく変化します。通常、表面電気抵抗は低下し、体積電気抵抗はほとんど変化しません。しかし、絶縁材料の防水性が低いまたは鋳造欠陥がある場合、主な絶縁媒体が水を吸収します。乾燥後も内部の水はほとんど蒸発せず、表面電気抵抗は回復しますが、体積電気抵抗は大幅に低下し、回復不能になります。

4.2 商用周波数耐電圧

エポキシ樹脂絶縁低電圧電流変換器は大きな絶縁余裕を持っています。通常、表面の湿気は表面放電を引き起こさず、浸漬と乾燥後も商用周波数耐電圧試験に合格します。

しかし、浸漬後、絶縁媒体の微細な孔から水分子が入り込み、水で満たされた微孔を形成し、固体絶縁体を固体-液体複合体に変えます。電界下で微孔内の水は極化し、球形から楕円形に変形し、チャネルをつなげ、破壊電界強度を低下させます。より多くの水と密集したチャネル、長い浸漬時間は破壊リスクを増加させます。鋳造時の空気孔も水を通します。これらの要因が耐電圧試験中の放電音を引き起こし、#3試験サンプルで見られました。