Влияние длительного погружения на эпоксидные изоляционные низковольтные трансформаторы тока
1 Введение
Низковольтные трансформаторы тока для измерений с эпоксидной смолой в виде обмотки широко используются в зонах распределительных трансформаторов и для малых и средних промышленных и коммерческих потребителей электроэнергии. Как расширители диапазона учета электроэнергии, их производительность напрямую связана с безопасностью потребления электроэнергии и точностью торговых расчетов пользователей. Изучение влияния длительного погружения на эти трансформаторы имеет практическое значение для определения качества многих низковольтных трансформаторов, затопленных в результате экстремальных дождей и наводнений.
Исследования по поглощению влаги трансформаторами ведутся давно. Существующие результаты не охватывают условия длительного погружения, и длительное погружение оказывает более серьезное разрушающее воздействие на трансформаторы тока, чем поглощение влаги. В национальном стандарте типовых испытаний трансформаторов тока защитный уровень для внутренних трансформаторов составляет IP20, а для внешних — IP44; технические стандарты энергетической отрасли и сетевых компаний это не уточняют. Для определения возможности дальнейшего использования затопленных трансформаторов в данной работе проводится имитационное испытание погружения, анализируются изменения характеристик после погружения, и предлагаются рекомендации по улучшению водонепроницаемости трансформаторов.
2 Теоретический анализ характеристик погружения трансформаторов
Основными характеристиками низковольтных трансформаторов тока являются изоляционные характеристики и метрологические характеристики. Изоляционные характеристики включают в себя сопротивление изоляции и синусоидальное напряжение выдержки, а метрологические характеристики отражаются в базовой погрешности. Характеристики погружения относятся к изменениям сопротивления изоляции, синусоидального напряжения выдержки и базовой погрешности трансформатора до и после погружения и сушки.
2.1 Сопротивление изоляции
Сопротивление изоляции R состоит из объемного сопротивления Rv и поверхностного сопротивления Rs, как показано в формуле (1). Объемная электрическая проводимость ρv и поверхностная электрическая проводимость ρs показаны в формулах (2) и (3).
В формуле, EV — это напряженность постоянного электрического поля внутри изоляционного материала; JV — плотность стационарного тока; ES — напряженность постоянного электрического поля; α — линейная плотность тока.
Сопротивление изоляции сильно зависит от влажности. Поскольку электропроводность воды значительно выше, чем у эпоксидных смол, используемых в качестве изоляционного материала, и у воды большая диэлектрическая проницаемость, которая может снижать энергию ионизации ионов, при погружении изоляционного материала в воду поверхностная электрическая проводимость быстро уменьшается, тогда как объемная электрическая проводимость изменяется незначительно. После сушки погруженного материала, если водостойкость материала невелика или имеются дефекты внутри заливки, поверхностная электрическая проводимость восстанавливается быстро, но объемная электрическая проводимость значительно уменьшается и не может быть эффективно восстановлена.
2.2 Синусоидальное напряжение выдержки
Испытательное напряжение для синусоидального напряжения выдержки подается между вторичным выводом, нижней пластиной и землей. При неравномерном электрическом поле пробивное напряжение среды можно приблизительно рассчитать по формуле (4).
В формуле, EBD — это пробивное напряжение (пиковое значение) между двумя электродами изоляционного материала; UBD — напряжение пробоя диэлектрика (эффективное значение); s — расстояние пробоя, η — коэффициент использования электрического поля.
2.3 Базовая погрешность
Базовые погрешности трансформатора тока включают в себя погрешность отношения и фазовую погрешность. Независимо от рабочих условий, базовая погрешность не должна превышать допустимое значение погрешности, соответствующее классу точности, указанному в стандарте, прежде чем он может быть использован.
3 Условия испытаний
3.1 Выбор образцов для испытаний
Случайным образом выбираются эпоксидные низковольтные трансформаторы тока, которые будут подвергнуты испытаниям, и проводятся две группы испытаний последовательно. Группировка испытаний и параметры образцов показаны в таблице 1.
3.2 Испытательное оборудование
Оборудование и параметры, используемые в испытании, показаны в таблице 2.
3.3 Испытание погружением
Согласно правилу IPX8 в GB/T 4208-2017 "Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (IP-коды)", испытание проводится с использованием чистой воды. Для оболочек высотой менее 850 мм, самая низкая точка должна находиться на 1000 мм ниже поверхности воды. Перед испытанием сначала измеряются сопротивление изоляции, синусоидальное напряжение выдержки и базовая погрешность образца, затем проводится испытание погружением.
В первой группе испытаний три образца от одного производителя помещались в оборудование для испытаний на погружение. Заливалась водопроводная вода, уровень жидкости составлял 1000 мм, температура воды 15 °C. После пятидневного погружения образцы извлекались, капли воды удалялись сухой тряпкой, и они оставались на 15 минут. После сушки проводились испытания. Затем испытания проводились ежедневно в течение 10 дней. Наконец, образцы выдерживались при комнатной температуре в течение 5 дней, и после этого проводились повторные испытания. Во второй группе испытаний увеличивалось количество образцов. Образцы от пяти случайно выбранных производителей погружались в воду на 10 дней, затем выдерживались при комнатной температуре в течение 5 дней, и после этого проводились повторные испытания.
3.4 Данные испытаний
3.4.1 Сопротивление изоляции
Сопротивление изоляции измерялось в диапазоне постоянного напряжения 500 В. Значения сопротивления изоляции (частично) двух групп испытаний показаны в таблицах 3 и 4.
У образца №3 было наибольшее изменение сопротивления изоляции. После 10-дневного погружения сопротивление изоляции составило 43,3 МОм. После 5-дневной сушки сопротивление изоляции составило 46,0 МОм, и коэффициент изменения достиг -99%. После испытания на погружение и сушку сопротивление изоляции оставшихся семи образцов восстановилось до порядка величины сопротивления изоляции в исходном сухом состоянии.
3.4.2 Синусоидальное напряжение выдержки
В обеих группах испытаний до и после было всего 8 образцов. Из них 7 прошли испытание на синусоидальное напряжение выдержки. Только образец №3 имел трудности при повышении напряжения, и во время испытания был слышен очень явственный звук разряда. После испытания внутри образца №3, между нижней пластиной и эпоксидной смолой, были обнаружены явные следы воды. В этом образце на границе заливки нижней пластины была заметна явная щель. Нижняя пластина образца после испытания показана на рисунке 1. В условиях влажной среды, когда образец погружается в воду, влага через щель проникает внутрь основного корпуса и не может быть удалена, что приводит к снижению уровня изоляции.
3.4.3 Базовая погрешность
Испытания на погрешность были проведены на 8 образцах до и после погружения. В качестве примера, данные испытаний на погрешность образца №3 показаны в таблице 5.
4 Анализ испытаний
Низковольтные трансформаторы тока состоят в основном из изоляционных материалов, сердечников и обмоток. Они изготавливаются методом литья: эпоксидная смола, микропорошок кремния, модификаторы, ускорители и отвердители смешиваются в определенных пропорциях, равномерно перемешиваются и заливаются в формы при определенных условиях для затвердевания.
4.1 Сопротивление изоляции
Рисунок 2 представляет собой гистограмму распределения данных сопротивления изоляции трансформаторов в различных группах испытаний. Большинство испытанных трансформаторов демонстрируют последовательные изменения сопротивления изоляции после погружения и сушки: значительное первоначальное снижение во время погружения, затем восстановление до исходного порядка величины в сухом состоянии. Только образец №3 имеет коэффициент изменения сопротивления изоляции -99% после сушки, близкий к критическому значению 30 МОм.
Для образцов второй группы изменения сопротивления изоляции после погружения различны. Образцы №01, №03, №04, №05 снижаются до критического значения; образец №02 остается практически неизменным. После 5-дневной сушки большинство возвращаются к исходному уровню сопротивления, что свидетельствует о том, что у образца №02 отличное качество изоляционного литья, без проникновения воды после длительного погружения.
Температура (здесь незначительна) и влажность влияют на сопротивление изоляции. Изменения влажности до и после испытания существенны. Обычно поверхностная электрическая проводимость уменьшается, в то время как объемная электрическая проводимость остается почти неизменной. Однако, если изоляционный материал имеет низкую водостойкость или дефекты заливки, основной изоляционный материал впитывает воду. Даже после сушки внутренняя вода плохо испаряется. Поверхностная электрическая проводимость восстанавливается, но объемная электрическая проводимость значительно снижается и не может быть эффективно восстановлена, что приводит к общему снижению сопротивления изоляции.
4.2 Синусоидальное напряжение выдержки
Эпоксидные низковольтные трансформаторы тока имеют большой запас изоляции. Обычно поверхностная влага не вызывает поверхностных разрядов, и они проходят испытание на синусоидальное напряжение выдержки после погружения и сушки.
Однако мельчайшие поры в изоляционном материале позволяют молекулам воды проникать после погружения, образуя водонаполненные микропоры, превращая твердый диэлектрик в твердо-жидкую композицию. Вода в микропорах поляризуется и деформируется под действием электрического поля, переходя от сферической формы к эллипсоидальной, создавая каналы, которые снижают пробивное напряжение. Более высокое содержание воды, более плотные каналы и более длительное погружение увеличивают риск пробоя. Воздушные пузырьки в заливке также способствуют проникновению воды. Эти факторы вызывают звуки разрядов при испытании на синусоидальное напряжение выдержки, как это было замечено на образце №3.
4.3 Базовая погрешность
Погрешность трансформатора зависит только от магнитных свойств сердечника и параметров обмоток. До и после погружения возбуждающие характеристики сердечника и импеданс обмоток остаются неизменными, и данные испытаний показывают минимальные изменения базовой погрешности.
Испытания погружением также показали:
5 Рекомендации по качественному надзору
Чтобы избежать серьезных отказов изоляции после погружения в условиях частых экстремальных погодных условий, предлагается:
6 Заключение
В данном исследовании рассматривается оценка качества эпоксидных низковольтных трансформаторов тока после длительного погружения в воду. Основные выводы:
Эти результаты помогут энергетическим компаниям и производителям в оценке и повторном использовании трансформаторов, длительно находящихся в воде.
