Vpliv dolgoročnega vmešavanja na nizevnapetostne pretvornike toka s epoksidno izolacijo
1 Uvod
Nizevni preobrazovalniki za merjenje z strukturami iz epoksidne smole so široko uporabljani v področjih distribucijskih transformatorjev in za manjše do srednje velike industrijske in komercialne električne porabe. Kot razširjalnik obsega za merjenje električne energije je njihovo delovanje neposredno povezano z varnostjo električne porabe in natančnostjo trgovinskih izračunov uporabnikov. Raziskovanje dolgoročnega učinka potapljanja na te preobrazovalnike ima praktičen pomen za določitev kakovosti velikega števila nizevnih preobrazovalnikov, ki so bili poplavljeni zaradi ekstremnih dežev in poplav.
Raziskovanje absorpcije vlage v preobrazovalnikih se je odvijalo že dolgo. Do zdaj doseženi rezultati niso zajeli pogojev dolgoročnega učinka potapljanja, pri čemer dolgoročno potapljanje preobrazovalnike slabijo bolj kot absorpcija vlage. V nacionalnem standardu tipiziranja preobrazovalnikov je le za notranje preobrazovalnike predpisana stopnja zaščite IP20, za zunanje pa IP44; tehnični standardi elektroenergetske industrije in omrežnih družb tega niso posebej določili. Da bi se določilo, ali lahko potopljeni preobrazovalniki še uporabljajo, ta članek izvede simulativni poskus potapljanja, analizira spremembe delovanja po potapljanju in ponuja priporočila za nadzor kakovosti za izboljšanje vodootpeljevanja preobrazovalnikov.
2 Teoretična analiza lastnosti potapljanja preobrazovalnika
Glavne lastnosti nizevnih preobrazovalnikov so izolacijske lastnosti in lastnosti merjenja. Izolacijske lastnosti vključujejo predvsem upornost izolacije in izdržnost napetosti strmanske frekvence, lastnosti merjenja pa so odražene v osnovni napaki. Lastnosti potapljanja se nanašajo na spremembe upornosti izolacije, izdržnosti napetosti strmanske frekvence in osnovne napake preobrazovalnika pred in po potapljanju ter sušenju.
2.1 Upornost izolacije
Upornost izolacije R je sestavljena iz volumske upornosti Rv in površinske upornosti Rs, kot je prikazano v enačbi (1). Volumska upornost ρv in površinska upornost ρs so prikazani v enačbah (2) in (3).
V enačbi je EV DC električno polje znotraj izolacijskega materiala; JV je stacionarna gostota toka; ES je DC električno polje; α je linearna gostota toka.
Upornost izolacije je močno vplivana na vlago. Ker je električna prevodnost vode mnogo večja kot pri epoksidnih izolacijskih materialih, in ker voda ima velik dielektrični konstantni, ki lahko zmanjša jonizacijsko energijo ionov, se pri potapljanju izolacijskega materiala v vodo površinska upornost hitro zmanjša, medtem ko se volumska upornost malo spremeni; ko je namakan material sušen, če je odpornost vode medija splošna ali če so notranji defekti v litini, se površinska upornost hitro obnovi, vendar se volumska upornost znatno zmanjša in se ne more učinkovito obnoviti.
2.2 Izdržnost napetosti strmanske frekvence
Preizkusna napetost za izdržnost napetosti strmanske frekvence se uporablja med sekundarnim terminalom, dnom in zemljo. V neuniformnem električnem polju se lahko lomljivo polje medija približno izračuna s formulo (4).
V formuli je EBD lomljivo polje (vrhovna vrednost) med dvema elektrodama izolacijskega materiala; UBD je napetost dielektričnega loma (efektivna vrednost); s je razdalja do loma, in η je koeficient izkoriščenosti električnega polja.
2.3 Osnovna napaka
Osnovne napake preobrazovalnika vključujejo napako razmerja in fazno napako. Ne glede na delovne pogoje mora biti osnovna napaka manjša od mejne vrednosti napake, ki jo določa standard, preden se preobrazovalnik lahko uporablja.
3 Pogoji poskusa
3.1 Izbor vzorcev za poskus
Naključno izberemo epoksidno izolirane nizevne preobrazovalnike, ki jih želimo preizkusiti, in izvedemo dve skupini poskusov. Skupine poskusov in parametri vzorcev so prikazani v Tabeli 1.
3.2 Poskusna oprema
Oprema in parametri, uporabljeni v poskusu, so prikazani v Tabeli 2.
3.3 Potapljanje v vodo
V skladu s predpisom IPX8 v GB/T 4208-2017 "Stopnje zaščite, ki jih zagotavljajo ohišja (IP kode)", se poskus izvede z čisto vodo. Za ohišja z višino manjšo od 850 mm naj bo najnižja točka 1000 mm pod površino vode. Pred poskusom najprej izmerimo upornost izolacije, izdržnost napetosti strmanske frekvence in osnovno napako vzorca, nato pa izvedemo poskus potapljanja.
V prvi skupini poskusov smo postavili tri vzorce istega proizvajalca v opremo za potapljanje. Vstavili smo pitno vodo, višina tekočine je bila 1000 mm, temperatura vode pa 15 °C. Po petdnevnem potapljanju smo jih izvlečli, suho pladnjo smo odstranili kapljice vode in jih pustili stojeti 15 minut. Po sušenju smo izvedli poskuse. Nato smo izvajali poskuse vsak dan 10 dni. Nazadnje smo jih sušili 5 dni pri sobni temperaturi in ponovno izvedli poskuse po sušenju. Za drugo skupino poskusov smo povečali velikost vzorca. Vzorce iz pet naključno izbranih proizvajalcev smo neposredno potopili v vodo 10 dni, nato sušili 5 dni in ponovno preizkušali po sušenju.
3.4 Podatki poskusa
3.4.1 Upornost izolacije
Upornost izolacije smo meritve izvedli z obsegi 500 V DC. Vrednosti upornosti izolacije (delno) za obe skupini poskusov so prikazane v Tabeli 3 in Tabeli 4.
Vzorec št. 3 je imel največjo spremembo upornosti izolacije. Po 10-dnevnem potapljanju v vodo je bil upornost izolacije 43,3 MΩ. Po 5-dnevnem sušenju je bil upornost izolacije 46,0 M&Ω, sprememba pa je dosegla -99%. Po poskusu potapljanja in sušenja so se upornosti izolacije ostalih 7 vzorcev vrnile na red velikosti upornosti izolacije v prvotnem suhom stanju.
3.4.2 Izdržnost napetosti strmanske frekvence
Skupaj je bilo 8 vzorcev v obeh skupinah poskusov pred in po. Od njih je 7 uspešno prešlo preizkus izdržnosti napetosti strmanske frekvence. Samo vzorec št. 3 je imel težave pri povečevanju napetosti med poskusom, pri čemer je bilo močno slišno izpuščanje. Po poskusu so bile na vrhu vzorca št. 3 odkrite očitne sledi vode med dnem in epoksidno smolo. Na tem vzorku je bil očiten presled med dnem in litinom. Dno vzorca po poskusu je prikazano na Sliki 1. V vlage okolju z potapljanjem v vodo se zunanja vlaga vstopi notranjosti telesa preko presleda in se ne more izpustiti, kar povzroča zmanjšanje ravnive izolacije.
3.4.3 Osnovna napaka
Na 8 vzorcev smo izvedli preizkuse napak pred in po potapljanju. Kako primer vzorca št. 3, podatki preizkusa napak so prikazani v Tabeli 5.
4 Analiza poskusa
Nizevni preobrazovalniki so predvsem sestavljeni iz izolacijskih materialov, železnih jedrov in navijal. Uporabljajo se postopek litje: epoksidna smola, silikonski mikroprah, utrjevala, pospeševala in čvrstilna sredstva se mešajo v določenih razmerjih, premesajo enakomerno in vstavijo v forme pod določenimi pogoji za čvrščenje.
4.1 Upornost izolacije
Slika 2 je histogram porazdelitve podatkov upornosti izolacije preobrazovalnikov v različnih skupinah poskusov. Večina preizkušenih preobrazovalnikov kaže enakomerno spremembo upornosti izolacije po potapljanju in sušenju: bistven padec med potapljanjem, nato povrat na prvotno red velikosti suhega stanja. Le vzorec št. 3 ima spremembo upornosti izolacije -99% po sušenju, blizu kritične vrednosti 30 M&Ω.
Za vzorce druge skupine poskusov se spremembe upornosti izolacije po potapljanju razlikujejo. #01, #03, #04, #05 padajo na kritično vrednost; #02 ostaja skoraj nespremenjeno. Po 5-dnevnem sušenju se večina vrnijo na prvotno raven upornosti, kar kaže, da ima #02 odlično kakovost litja izolacije brez vstopa vode po dolgotrajnem potapljanju.
Temperatura (zdej zanemarljiva) in vlaga vplivata na upornost izolacije. Spremembe vlage so velike pred in po poskusu. Običajno se površinska upornost zmanjša, medtem ko se volumska upornost malo spremeni. Če ima izolacijski material nizko odpornost na vodo ali ima defekte v litiji, glavni izolacijski sredstvo absorbira vodo. Čeprav se po sušenju površinska upornost obnovi, volumska upornost zmanjša nenazorazno in se ne more učinkovito obnoviti, kar zmanjša celotno upornost izolacije.
4.2 Izdržnost napetosti strmanske frekvence
Epoksidno izolirani nizevni preobrazovalniki imajo velik okvir izolacije. Običajno površinska vlaga ne povzroča površinskega izpusta, in preizkusi izdržnosti napetosti strmanske frekvence so uspešni po potapljanju in sušenju.
Vendar majhne luknje v izolacijskem sredstvu po potapljanju pustijo vstop vode, kar ustvarja vodne mikroluknje in pretvori trdno dielektriko v trdo-tekočno kombinacijo. Voda v mikroluknjah se polarizira in deformira pod električnim poljem, spremeni se iz sferične v eliptično, povezuje kanale in zmanjša lomljivo polje. Več vode in gostočne kanale s daljšim potapljanjem povečajo tveganje loma. Zrak v litiji tudi pusti vstop vode. Ti dejavniki povzročajo izpustne zvoke med preizkusi izdržnosti napetosti, kot je bilo opazljivo na vzorecu št. 3.
4.3 Osnovna napaka
Napaka preobrazovalnika je odvisna samo od magnetnih lastnosti jedra in parametrov navijala. Pred in po potapljanju se lastnosti vzbuževanja jedra in impedanca navijala ne spremenijo, podatki preizkusa kažejo minimalno spremembo osnovne napake.
Poskusi potapljanja so tudi razkrili:
5 Priporočila za nadzor kakovosti
Da se izognejo težkim težavam z izolacijo po potapljanju med pogostimi ekstremnimi vremenskimi razmerami, so priporočila:
6 Zaključki
Ta raziskava obravnava ocenjevanje kakovosti epoksidno izoliranih nizevnih preobrazovalnikov po potapljanju v močni deževni padavinah. Ključne ugotovitve so:
Ti rezultati vodijo električne družbe in proizvajalce pri ocenjevanju in ponovni uporabi dolgo potopljenih preobrazovalnikov.
