Impacto da Imersão de Longo Prazo em Transformadores de Corrente de Baixa Tensão Isolados com Epoxy
1 Introdução
Transformadores de corrente de baixa tensão para medição, com estrutura de resina epóxi do tipo passagem central, são amplamente utilizados em áreas de transformadores de distribuição e para consumo de eletricidade de pequeno a médio porte industrial e comercial. Como um expansor de faixa para medição de energia elétrica, seu desempenho está diretamente relacionado à segurança do consumo de eletricidade e à precisão dos cálculos comerciais dos usuários. Estudar o impacto da imersão de longo prazo nesses transformadores é significativo na prática para determinar a qualidade de numerosos transformadores de baixa tensão inundados por chuvas extremas e inundações.
A pesquisa sobre a absorção de umidade pelos transformadores tem sido realizada há muito tempo. Os resultados existentes não cobrem as condições de imersão de longo prazo, e a imersão de longo prazo deteriora os transformadores de corrente mais severamente do que a absorção de umidade. No teste de tipo nacional para transformadores de corrente, apenas os transformadores internos têm nível de proteção IP20 e os externos têm IP44; os padrões técnicos da indústria de energia e das empresas de rede não especificam isso. Para determinar se os transformadores imersos ainda podem ser usados, este artigo realiza um teste de simulação de imersão, analisa as mudanças de desempenho pós-imersão e oferece sugestões de supervisão de qualidade para melhorar a impermeabilização dos transformadores.
2 Análise Teórica das Características de Imersão do Transformador
As principais características dos transformadores de corrente de baixa tensão são as características de isolamento e as características de medição. As características de isolamento incluem principalmente resistência de isolamento e tensão de resistência de frequência de linha, e as características de medição são refletidas no erro básico. As características de imersão referem-se às mudanças na resistência de isolamento, tensão de resistência de frequência de linha e erro básico do transformador antes e depois da imersão e secagem.
2.1 Resistência de Isolamento
A resistência de isolamento R é composta pela resistência volumétrica Rv e pela resistência superficial Rs, conforme mostrado na fórmula (1). A resistividade volumétrica ρv e a resistividade superficial ρs são mostradas nas fórmulas (2) e (3).
Na fórmula, EV é a intensidade do campo elétrico DC dentro do material isolante; JV é a densidade de corrente em estado estacionário; ES é a intensidade do campo elétrico DC; α é a densidade de corrente linear.
A resistência de isolamento é muito afetada pela umidade. Como a condutividade elétrica da água é muito maior do que a dos materiais isolantes de resina epóxi, e a água tem uma grande constante dielétrica, que pode reduzir a energia de ionização dos íons. Portanto, quando o material isolante é imerso em água, a resistividade superficial diminui rapidamente, enquanto a resistividade volumétrica muda pouco; quando o material imerso é seco, se a resistência à água do material do meio é geral ou há defeitos internos no corpo fundido, a resistividade superficial recupera-se rapidamente, mas a resistividade volumétrica diminui significativamente e não pode ser efetivamente restaurada.
2.2 Tensão de Resistência de Frequência de Linha
A tensão de teste para a tensão de resistência de frequência de linha é aplicada entre o terminal secundário, a placa inferior e o solo. Em um campo elétrico não uniforme, a tensão de ruptura do meio pode ser aproximadamente calculada pela fórmula (4).
Na fórmula, EBD é a tensão de ruptura (valor de pico) entre os dois eletrodos do material isolante; UBD é a tensão de ruptura dielétrica (valor eficaz); s é a distância de ruptura, e η é o coeficiente de utilização do campo elétrico.
2.3 Erro Básico
Os erros básicos de um transformador de corrente incluem erro de razão e erro de fase. Independentemente da condição de trabalho, o erro básico não deve exceder o valor limite de erro correspondente ao nível de precisão especificado no padrão antes de poder ser usado.
3 Condições de Teste
3.1 Seleção de Amostras de Teste
Selecione aleatoriamente os transformadores de corrente de baixa tensão isolados com resina epóxi a serem testados e realize dois grupos de testes sucessivamente. A agrupação de testes e os parâmetros das amostras de teste são mostrados na Tabela 1.
3.2 Equipamento de Teste
O equipamento e os parâmetros utilizados no teste são mostrados na Tabela 2.
3.3 Teste de Imersão
De acordo com a regulamentação IPX8 da GB/T 4208-2017 "Graus de Proteção Fornecidos por Invólucros (Códigos IP)", o teste é realizado com água limpa. Para invólucros com altura inferior a 850 mm, o ponto mais baixo deve estar 1000 mm abaixo da superfície da água. Antes do teste, primeiro mede-se a resistência de isolamento, a tensão de resistência de frequência de linha e o erro básico da amostra de teste, e então realiza-se o teste de imersão.
No primeiro grupo de testes, 3 amostras de teste do mesmo fabricante foram colocadas no equipamento de teste de mergulho. Água potável foi injetada, com a altura do nível líquido sendo 1000 mm e a temperatura da água a 15 °C. Após serem imersas em água por 5 dias, foram retiradas. As gotas de água nelas foram removidas com um pano seco, e elas foram deixadas em repouso por 15 minutos. Após a secagem, foram realizados testes. Posteriormente, foram realizados testes uma vez por dia durante 10 dias. Finalmente, foram arejadas à temperatura ambiente por 5 dias, e testes foram realizados novamente após a secagem. Para o segundo grupo de testes, o tamanho da amostra foi aumentado. Amostras de teste de 5 fabricantes selecionados aleatoriamente foram imersas diretamente em água por 10 dias, então arejadas por 5 dias, e testadas novamente após a secagem.
3.4 Dados de Teste
3.4.1 Resistência de Isolamento
A resistência de isolamento foi medida usando a faixa de tensão DC de 500V. Os valores de resistência de isolamento (parciais) dos dois grupos de testes são mostrados na Tabela 3 e Tabela 4.
A amostra de teste #3 teve a maior taxa de mudança de resistência de isolamento. Após ser imersa em água por 10 dias, a resistência de isolamento foi de 43,3 MΩ. Após ser arejada por 5 dias, a resistência de isolamento foi de 46,0 MΩ, e a taxa de mudança atingiu -99%. Após o teste de imersão e secagem, as resistências de isolamento das restantes 7 amostras de teste todas se recuperaram para a ordem de magnitude da resistência de isolamento no estado inicial seco.
3.4.2 Tensão de Resistência de Frequência de Linha
Houve um total de 8 amostras de teste nos dois grupos de testes antes e depois. Entre eles, 7 passaram no teste de tensão de resistência de frequência de linha. Apenas a amostra de teste #3 teve dificuldade em aumentar a tensão durante o teste, e um som de descarga muito evidente pôde ser ouvido. Após o teste, foram encontradas marcas de água evidentes no interior da junção entre a placa inferior e a resina epóxi da amostra de teste #3. Havia uma lacuna evidente na interface de fundição da resina da placa inferior desta amostra de teste. A placa inferior da amostra de teste após o teste é mostrada na Figura 1. Em um ambiente úmido com imersão em água, a umidade externa entra no interior do corpo principal através da lacuna e não pode ser drenada, resultando em uma redução no nível de isolamento.
3.4.3 Erro Básico
Testes de erro foram realizados em 8 amostras de teste tanto antes quanto após a imersão. Tomando a amostra de teste #3 como exemplo, os dados do teste de erro são mostrados na Tabela 5.
4 Análise de Teste
Os transformadores de corrente de baixa tensão são compostos principalmente por materiais isolantes, núcleos de ferro e enrolamentos. Eles usam um processo de fundição: resina epóxi, micropó de silício, agentes de endurecimento, aceleradores e agentes de cura são misturados em proporções especificadas, agitados uniformemente e injetados em moldes sob certas condições para solidificação.
4.1 Resistência de Isolamento
A Figura 2 é um histograma da distribuição de dados de resistência de isolamento de transformadores de corrente em diferentes grupos de teste. A maioria dos transformadores testados mostra mudanças consistentes de resistência de isolamento após imersão e secagem: uma queda inicial significativa durante a imersão, seguida por um retorno à ordem de magnitude do estado seco inicial após a secagem. Apenas a amostra de teste #3 tem uma taxa de mudança de resistência de isolamento de -99% após a secagem, próxima ao valor crítico qualificado de 30 MΩ.
Para as amostras do Grupo de Teste 2, as mudanças de resistência de isolamento variam após a imersão. #01, #03, #04, #05 caem para o valor crítico; #02 permanece quase inalterado. Após 5 dias de secagem, a maioria retorna ao nível de resistência original, mostrando que #02 tem excelente qualidade de fundição de isolamento, sem penetração de água após imersão de longo prazo.
A temperatura (negligenciável aqui) e a umidade afetam a resistência de isolamento. As mudanças de umidade são grandes antes e depois do teste. Normalmente, a resistividade superficial diminui, enquanto a resistividade volumétrica permanece. Mas se o material isolante tem baixa resistência à água ou defeitos de fundição, o meio de isolamento principal absorve água. Mesmo após a secagem, a água interna mal evapora. A resistividade superficial se recupera, mas a resistividade volumétrica cai drasticamente e não pode ser efetivamente restaurada, reduzindo a resistência de isolamento geral.
4.2 Tensão de Resistência de Frequência de Linha
Os transformadores de corrente de baixa tensão isolados com resina epóxi têm uma grande margem de isolamento. Normalmente, a umidade superficial não causa descargas superficiais, e eles passam no teste de tensão de resistência de frequência de linha após a imersão e secagem.
No entanto, poros minúsculos no meio isolante permitem que as moléculas de água entrem após a imersão, formando microporos preenchidos com água e transformando o dielétrico sólido em um compósito sólido-líquido. A água nos microporos polariza e deforma sob o campo elétrico, mudando de esférico para elipsoidal, conectando canais e reduzindo a tensão de ruptura. Mais água e canais mais densos com imersão mais longa aumentam o risco de ruptura. Lacunas de ar na fundição também permitem a entrada de água. Esses fatores causam sons de descarga durante a tensão de resistência, como visto na amostra de teste #3.
4.3 Erro Básico
O erro de um transformador depende apenas das propriedades magnéticas do núcleo e dos parâmetros de enrolamento. Antes e depois da imersão, as características de excitação do núcleo e a impedância de enrolamento permanecem inalteradas, e os dados de teste mostram variação mínima de erro básico.
Os testes de imersão também revelaram:
5 Sugestões de Supervisão de Qualidade
Para evitar falhas graves de isolamento após a imersão em meio a climas extremos frequentes, as sugestões incluem:
6 Conclusões
Este estudo aborda a avaliação da qualidade de transformadores de corrente de baixa tensão isolados com resina epóxi após a imersão em chuvas fortes. As principais conclusões são:
Esses resultados orientam as empresas de energia e fabricantes na avaliação e reutilização de transformadores imersos por longos períodos.
