Wpływ długotrwałego zanurzenia na transformatory prądowe niskiego napięcia izolowane epoksydowo

1 Wprowadzenie
Niskonapięciowe transformatory prądowe do pomiarów, z konstrukcją przezśrodkową z żywicy epoksydowej, są szeroko stosowane w obszarach transformatorów dystrybucyjnych oraz dla małych i średnich instalacji przemysłowych i handlowych. Jako rozszerzacz zakresu pomiaru energii elektrycznej, ich wydajność bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo zużycia energii i dokładność obliczeń handlowych użytkowników. Badanie wpływu długotrwałego zanurzenia na te transformatory ma praktyczne znaczenie dla oceny jakości wielu niskonapięciowych transformatorów zalanym przez ekstremalne deszcze i powodzie.

Badania nad pochłanianiem wilgoci przez transformatory trwają od dawna. Istniejące wyniki nie obejmują warunków długotrwałego zanurzenia, a długotrwałe zanurzenie degraduje transformatory prądowe bardziej niż pochłanianie wilgoci. W krajowym standardzie typowym dla transformatorów prądowych, tylko transformatory wewnętrzne mają stopień ochrony IP20, a zewnętrzne IP44; techniczne standardy branży energetycznej i przedsiębiorstw sieciowych tego nie określają. Aby ustalić, czy zanurzone transformatory mogą być nadal używane, niniejszy artykuł przeprowadza symulowany test zanurzenia, analizuje zmiany wydajności po zanurzeniu i proponuje sugestie dotyczące nadzoru jakości, aby poprawić wodoszczelność transformatorów.

2 Teoretyczna analiza charakterystyk zanurzenia transformatora

Główne cechy niskonapięciowych transformatorów prądowych to właściwości izolacyjne i właściwości pomiarowe. Właściwości izolacyjne obejmują głównie opór izolacji i napięcie wytrzymałościowe częstotliwości sieciowej, a właściwości pomiarowe są odzwierciedlone w podstawowym błędzie. Charakterystyki zanurzenia odnoszą się do zmian oporu izolacji, napięcia wytrzymałościowego częstotliwości sieciowej i podstawowego błędu transformatora przed zanurzeniem i po zanurzeniu oraz suszeniu.

2.1 Opór izolacji

Opór izolacji R składa się z objętościowego oporu Rv i powierzchniowego oporu Rs, jak pokazano w formule (1). Objętościowa rezystywność ρv i powierzchniowa rezystywność ρs są pokazane w formułach (2) i (3).

W formule, EV jest natężeniem pola elektrycznego stałoprądowego wewnątrz materiału izolacyjnego; JV jest gęstością prądu stanu ustalonego; ES jest natężeniem pola elektrycznego stałoprądowego; α jest liniową gęstością prądu.

Opór izolacji jest bardzo wpływany przez wilgotność. Ponieważ przewodnictwo elektryczne wody jest znacznie wyższe niż u żywicy epoksydowej jako materiału izolacyjnego, a woda ma dużą stałą dielaktyczną, która może obniżyć energię jonizacji jonów. Dlatego, gdy materiał izolacyjny jest zanurzony w wodzie, powierzchniowa rezystywność szybko maleje, podczas gdy objętościowa rezystywność zmienia się niewielce; gdy zanurzony materiał jest wysuszany, jeśli odporność na wodę materiału jest przeciętna lub istnieją wady wlewu, powierzchniowa rezystywność szybko wraca do normy, ale objętościowa rezystywność znacznie spada i nie może być efektywnie przywrócona.

2.2 Napięcie wytrzymałościowe częstotliwości sieciowej

Napięcie testowe dla napięcia wytrzymałościowego częstotliwości sieciowej jest zastosowane między drugim terminalem, podłożem i ziemią. W nieregularnym polu elektrycznym, napięcie przebijające medium można przybliżać za pomocą wzoru (4).

W formule, EBD jest napięciem przebijającym (wartością szczytową) między dwoma elektrodami materiału izolacyjnego; UBD jest napięciem przebijającym dielektryki (wartością skutecznej); s to odległość przebijająca, a η to współczynnik wykorzystania pola elektrycznego.

2.3 Podstawowy błąd

Podstawowe błędy transformatora prądowego obejmują błąd proporcji i błąd fazowy. Niezależnie od warunków pracy, podstawowy błąd nie może przekroczyć wartości granicznej błędu odpowiadającej precyzji określonej w standardzie, aby mógł być używany.

3 Warunki testowe
3.1 Wybór próbek testowych

Losowo wybieramy testowane niskonapięciowe transformatory prądowe z izolacją żywicową epoksydową i przeprowadzamy dwa kolejne grupy testów. Grupowanie testowe i parametry próbek testowych są przedstawione w Tabeli 1.

3.2 Urządzenia testowe

Urządzenia i parametry używane w teście są przedstawione w Tabeli 2.

3.3 Test zanurzenia

Zgodnie z regulacją IPX8 w GB/T 4208 - 2017 "Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy (kody IP)", test jest przeprowadzany z czystą wodą. Dla obudów o wysokości mniejszej niż 850 mm, najniższy punkt powinien być 1000 mm poniżej powierzchni wody. Przed testem, najpierw mierzymy opór izolacji, napięcie wytrzymałościowe częstotliwości sieciowej i podstawowy błąd próbki testowej, a następnie przeprowadzamy test zanurzenia.

W pierwszej grupie testów, 3 próbki testowe z tego samego producenta zostały umieszczone w urządzeniu do testów nurkowych. Wstrzyknięto wodę z kranu, z poziomem cieczy wynoszącym 1000 mm i temperaturą wody 15 °C. Po zanurzeniu w wodzie przez 5 dni, próbki zostały wyjęte. Kropelki wody na nich zostały usunięte suchym ręcznikiem, a próbki pozostawiono na 15 minut. Po wysuszeniu przeprowadzono testy. Następnie testy były przeprowadzane co dzień przez 10 dni. Na końcu próbki były wentylowane w temperaturze pokojowej przez 5 dni, a po wysuszeniu przeprowadzono ponowne testy. W drugiej grupie testów, rozmiar próbki został zwiększony. Probeski testowe z 5 losowo wybranych producentów zostały bezpośrednio zanurzone w wodzie na 10 dni, a następnie wentylowane przez 5 dni, a po wysuszeniu przeprowadzono ponowne testy.

3.4 Dane testowe
3.4.1 Opór izolacji

Opór izolacji był mierzony przy użyciu zakresu napięcia stałoprądowego 500V. Wartości oporu izolacji (częściowe) dwóch grup testów są przedstawione w Tabeli 3 i Tabeli 4.

Próbka testowa nr 3 miała największą zmianę stopy oporu izolacji. Po zanurzeniu w wodzie przez 10 dni, opór izolacji wynosił 43,3 MΩ. Po wysuszeniu przez 5 dni, opór izolacji wynosił 46,0 MΩ, a zmiana stopy wyniosła -99%. Po teście zanurzenia i wysuszeniu, opory izolacji pozostałych 7 próbek testowych wszystkie wróciły do rzędu wielkości oporu izolacji w początkowym stanie suchym.

3.4.2 Napięcie wytrzymałościowe częstotliwości sieciowej

Było łącznie 8 próbek testowych w dwóch grupach testów przed i po. Spośród nich, 7 przeszło test napięcia wytrzymałościowego częstotliwości sieciowej. Tylko próbka testowa nr 3 miała trudności z podnoszeniem napięcia podczas testu, a można było słyszeć bardzo wyraźny dźwięk rozładowania. Po teście, wewnątrz połączenia między podłożem a żywicą epoksydową próbki testowej nr 3 znaleziono wyraźne ślady wody. Była wyraźna szczelina na styku żywicy podłożowej tej próbki testowej. Podłoże próbki testowej po teście jest przedstawione na Rysunku 1. W wilgotnym środowisku z zanurzeniem w wodę, zewnętrzna wilgoć wniknęła do wnętrza głównego ciała przez szczelinę i nie mogła być odprowadzona, co spowodowało obniżenie poziomu izolacji.

3.4.3 Podstawowy błąd

Testy błędów zostały przeprowadzone na 8 próbkach testowych zarówno przed, jak i po zanurzeniu. Na przykład, dane testowe błędów dla próbki testowej nr 3 są przedstawione w Tabeli 5.

4 Analiza testów

Niskonapięciowe transformatory prądowe składają się głównie z materiałów izolacyjnych, rdzeni i zwinięć. Używana jest technologia wlewu: żywica epoksydowa, mikroproszek krzemu, środki wzmacniające, akceleratory i środki utwardzające są mieszane w określonych proporcjach, mieszane równomiernie i wlewane do forem w określonych warunkach do solidifikacji.

4.1 Opór izolacji

Rysunek 2 przedstawia histogram rozkładu danych oporu izolacji transformatorów prądowych w różnych grupach testowych. Większość testowanych transformatorów pokazuje spójne zmiany oporu izolacji po zanurzeniu i wysuszeniu: znaczne początkowe spadki podczas zanurzenia, a następnie wzrost z powrotem do pierwotnego rzędu wielkości w stanie suchym. Tylko próbka testowa nr 3 ma zmianę stopy oporu izolacji -99% po wysuszeniu, blisko krytycznej wartości kwalifikacji 30 MΩ.

Dla próbek testowych Grupy 2, zmiany oporu izolacji różnią się po zanurzeniu. #01, #03, #04, #05 spadają do wartości granicznej; #02 pozostaje prawie bez zmian. Po wysuszeniu przez 5 dni, większość wraca do pierwotnego poziomu oporu, pokazując, że #02 ma doskonałą jakość wlewu izolacyjnego bez penetracji wody po długotrwałym zanurzeniu.

Temperatura (tu zaniedbywana) i wilgotność wpływają na opór izolacji. Zmiany wilgotności są duże przed i po teście. Normalnie, powierzchniowa rezystywność spada, podczas gdy objętościowa rezystywność pozostaje. Ale jeśli materiał izolacyjny ma niską odporność na wodę lub wady wlewu, główne medium izolacyjne absorbuje wodę. Nawet po wysuszeniu, wewnętrzna woda trudno paruje. Powierzchniowa rezystywność odzyskuje, ale objętościowa rezystywność gwałtownie spada i nie może być efektywnie przywrócona, obniżając ogólny opór izolacji.

4.2 Napięcie wytrzymałościowe częstotliwości sieciowej

Niskonapięciowe transformatory prądowe z izolacją żywicową epoksydową mają duży margines izolacji. Normalnie, wilgoć powierzchniowa nie powoduje rozładowania powierzchniowego, a one przechodzą test napięcia wytrzymałościowego częstotliwości sieciowej po zanurzeniu i wysuszeniu.

Jednak małe porowatości w medium izolacyjnym pozwalają molekułom wody wejść po zanurzeniu, tworząc mikropory wypełnione wodą i przekształcając stałe介质电容变为固液复合电介质。微孔中的水分子在电场下极化变形，从球形变为椭圆形，形成导电通道，降低击穿场强。随着浸水时间的延长，水分和通道密度增加，击穿风险加大。铸件中的气隙也会让水分进入，这些因素导致耐压试验时出现放电声，如#3试验样品所示。 ### 4.3 基本误差 变压器的基本误差仅取决于铁芯的磁特性和绕组参数。浸水前后，铁芯的励磁特性和绕组阻抗不变，测试数据表明基本误差变化很小。 浸水试验还揭示了以下问题： - 8个二次端子螺丝垫圈中有75%（6个）生锈。 - 50%（4个样品）树脂颜色变浅（原为棕红色3号，显著变浅）。 ### 5 质量监督建议 为了避免极端天气频繁发生后浸水导致的严重绝缘失效，建议包括： - 加强制造监督：使用高防水环氧复合材料；严格执行铸造工艺标准，防止表面缝隙和内部气泡。 - 在多雨或低洼地区的全性能检验和抽样检验中增加浸水试验。 - 建立无损检测（X射线）能力，分析浸水后内部介质的变化，推动供应商改进工艺。 - 将浸水试验要求纳入技术标准，特别是对于特殊用途的变压器。 - 与领先制造商合作开发高防水计量变压器。 ### 6 结论 本研究针对大雨浸泡后的环氧绝缘低压电流互感器的质量评估。主要发现如下： - 浸水后，绝缘电阻通常急剧下降，但干燥后大多恢复。绝缘电阻小于100 MΩ的样品应退役。 - 浸水对基本误差影响不大。 - 浸水后的变压器需要重新测试，只有合格的才能继续使用。 - 浸水试验有助于检测铸造缺陷。 这些结果指导电力公司和制造商评估和再利用长期浸水的变压器。 请确认以上翻译是否符合您的要求。