Uticaj dugotrajnog uronjenja na niskonaponske transformere struje sa epoksidnoj izolacijom
1 Uvod
Niskonaponski transformatori struje za merenje, sa strukturom od epoksidne smole pročitljivog tipa, široko se koriste u područjima distribucijskih transformatora i za manju do srednju industrijsku i trgovinsku potrošnju električne energije. Kao proširivači opsega merenja električne energije, njihove performanse direktno se odnose na sigurnost potrošnje električne energije i preciznost trgovinskih izračuna korisnika. Istraživanje uticaja dugotrajnog zaronjenja na ove transformatore ima praktičnu važnost za određivanje kvaliteta mnogih niskonaponskih transformatora poplavljenoj ekstremnim kišom i poplavama.
Istraživanja apsorpcije vlage transformatora već dugo traju. Postojeći rezultati nisu pokrivali uslove dugotrajnog zaronjenja, a dugotrajno zaronjenje više degradira transformatore struje nego apsorpcija vlage. U nacionalnom standardnom tip testu za transformatore struje, samo unutarnji transformatori imaju stopu zaštite IP20, a spoljnji IP44; tehnički standardi elektrane i kompanija mreže to nisu specificirali. Da bi se utvrdilo da li zaronjeni transformatori mogu dalje biti korišćeni, ovaj rad vrši simulirani test zaronjenja, analizira promene performansi nakon zaronjenja i daje predloge za nadzor kvaliteta kako bi se poboljšala vodootpornost transformatora.
2 Teoretska analiza karakteristika zaronjenja transformatora
Glavne karakteristike niskonaponskih transformatora struje su karakteristike izolacije i karakteristike merenja. Karakteristike izolacije uglavnom uključuju otpornost izolacije i izdržljivost napona strujnog talasa, a karakteristike merenja se odražavaju u osnovnoj grešci. Karakteristike zaronjenja odnose se na promene otpornosti izolacije, izdržljivosti napona strujnog talasa i osnovne greške transformatora pre i posle zaronjenja i sušenja.
2.1 Otpornost izolacije
Otpornost izolacije R sastoji se od volumenske otpornosti Rv i površinske otpornosti Rs, kao što je prikazano formulom (1). Volumenska specifična otpornost ρv i površinska specifična otpornost ρs su prikazane formulama (2) i (3).
U formuli, EV je DC polje unutar izolacionog materijala; JV je stabilna gustina struje; ES je DC polje; α je linearna gustina struje.
Otpornost izolacije značajno se pogađa vlagoćom. Pošto je električna provodljivost vode znatno veća od one epoksidnih smolnih izolacionih materijala, a voda ima veliku dielektričnu konstantu, koja može smanjiti ionizacijsku energiju jonova. Stoga, kada se izolacioni materijal zaroni u vodu, površinska otpornost brzo pada, dok se volumenska otpornost malo menja; kada se zaronjeni materijal osuši, ako je otpor vodi materijala uobičajen ili postoje defekti unutar litane forme, površinska otpornost brzo se oporavi, ali volumenska otpornost značajno pada i ne može se efektivno vratiti.
2.2 Izdržljivost napona strujnog talasa
Testni napon za izdržljivost napona strujnog talasa primenjuje se između sekundarnog terminala, donje ploče i zemlje. Kada se nalazi u neuniformnom električnom polju, slomno polje medija može se aproksimativno izračunati formulom (4).
U formuli, EBD je slomno polje (vrhovna vrednost) između dva elektroda izolacionog materijala; UBD je naponska slomna vrednost (efektivna vrednost); s je rastojanje sloma, a η je koeficijent iskorišćenja polja.
2.3 Osnovna greška
Osnovne greške transformatora struje uključuju grešku omjera i faznu grešku. Bez obzira na radni uslov, osnovna greška ne smije premašiti granicnu vrednost greške koja odgovara nivou tačnosti definisanom u standardu pre upotrebe.
3 Uslovi testiranja
3.1 Odabir uzoraka za testiranje
Slučajno se biraju epoksidno-izolirani niskonaponski transformatori struje koji će se testirati, i vrše se dve grupe testova redom. Grupisanje testova i parametri testnih uzoraka prikazani su u Tabeli 1.
3.2 Testna oprema
Oprema i parametri korišćeni u testu prikazani su u Tabeli 2.
3.3 Test zaronjenja
Prema reguli IPX8 u GB/T 4208 - 2017 "Stepeni zaštite pruženi oklopima (IP kodovi)", test se vrši sa čistom vodom. Za oklope visine manje od 850 mm, najniža tačka treba da bude 1000 mm ispod površine vode. Pre testa, najpre se mere otpornost izolacije, izdržljivost napona strujnog talasa i osnovna greška testnog uzorka, a zatim se vrši test zaronjenja.
U prvoj grupi testova, 3 testna uzorka istog proizvođača su postavljeni u opremu za potapanje. Ubacena je voda, visina tekućine je 1000 mm, a temperatura vode 15 °C. Nakon pet dana zaronjenja, uzorci su izvučeni. Kaplje vode su sa njih osušene suhom platnom, i ostavljene su da stoje 15 minuta. Nakon sušenja, vršeni su testovi. Zatim, testovi su se vršili svakog dana tokom 10 dana. Konačno, sušeni su na sobnoj temperaturi 5 dana, i ponovo su testirani nakon sušenja. Za drugu grupu testova, broj uzoraka je povećan. Testni uzorci od 5 nasumično odabranih proizvođača su direktno zaronjeni u vodu 10 dana, zatim sušeni 5 dana, i ponovo testirani nakon sušenja.
3.4 Testni podaci
3.4.1 Otpornost izolacije
Otpornost izolacije je mjerena u rasponu 500V DC napona. Vrijednosti otpornosti izolacije (djelomično) za dvije grupe testova prikazane su u Tabeli 3 i Tabeli 4.
Testni uzorak #3 imao je najveću stopu promene otpornosti izolacije. Nakon 10 dana zaronjenja, otpornost izolacije iznosila je 43,3 MΩ. Nakon 5 dana sušenja, otpornost izolacije iznosila je 46,0 MΩ, a stopa promene dosegnula -99%. Nakon testa zaronjenja i sušenja, otpornosti izolacije preostalih 7 testnih uzoraka sve se vratile na redosled magnituda otpornosti izolacije u početnom suhom stanju.
3.4.2 Izdržljivost napona strujnog talasa
Ukupno je bilo 8 testnih uzoraka u dvije grupe testova pre i posle. Među njima, 7 je prošlo test izdržljivosti napona strujnog talasa. Samo testni uzorak #3 imao je teškoće pri penjanju napona tijekom testa, i jasno se mogao čuti zvuk diskretne razrade. Nakon testa, unutar spoja između donje ploče i epoksidne smole testnog uzorka #3 otkriveni su očigledni tragovi vode. Postojao je očigledan razmak na ljevanom sučelju donje ploče ovog testnog uzorka. Donja ploča testnog uzorka nakon testa prikazana je na Slici 1. U vlažnom okruženju sa zaronjenjem vode, spoljašnja vlaga ulazi unutra glavnog tela kroz razmak i ne može se isprazniti, što dovodi do smanjenja razine izolacije.
3.4.3 Osnovna greška
Testiranje grešaka vršeno je na 8 testnih uzoraka pre i posle zaronjenja. Kao primer, testni podaci greške za testni uzorak #3 prikazani su u Tabeli 5.
4 Analiza testa
Niskonaponski transformatori struje uglavnom se sastoje od izolacionih materijala, željezničkih jezgra i namota. Koriste se postupkom litanja: epoksidna smola, silikonski mikroprašak, čvrstoća, ubrzivači i pečalni agensi se mešaju u određenim proporcijama, ravnomerno se miješaju i ubacuju u kalupove pod određenim uslovima za solidifikaciju.
4.1 Otpornost izolacije
Slika 2 je histogram raspodele podataka otpornosti izolacije transformatora struje u različitim grupama testova. Većina testiranih transformatora pokazuje konzistentne promene otpornosti izolacije nakon zaronjenja i sušenja: značajan početni pad tijekom zaronjenja, zatim porast nazad na originalni redosled magnituda suhe stanje. Samo testni uzorak #3 ima stopu promene otpornosti izolacije od -99% nakon sušenja, blizu kritične vrijednosti od 30 MΩ.
Za uzorke Testne grupe 2, promene otpornosti izolacije variraju nakon zaronjenja. #01, #03, #04, #05 padaju na kritičnu vrijednost; #02 ostaje skoro nepromenjen. Nakon 5 dana sušenja, većina se vraća na originalni nivo otpornosti, pokazujući da #02 ima odličnu kvalitetu izolacionog litanja bez penetracije vode nakon dugotrajnog zaronjenja.
Temperatura (zanemarljiva ovde) i vlaga utiču na otpornost izolacije. Promene vlage su velike pre i posle testa. Normalno, površinska specifična otpornost pada, dok volumenska specifična otpornost ostaje. Ali, ako izolacioni materijal ima niski otpor vodi ili defekte litanja, glavni izolacioni medij apsorbira vodu. Čak i nakon sušenja, unutrašnja voda teško isparava. Površinska specifična otpornost se oporavi, ali volumenska specifična otpornost drastično pada i ne može se efektivno vratiti, smanjujući ukupnu otpornost izolacije.
4.2 Izdržljivost napona strujnog talasa
Epoksidno-izolirani niskonaponski transformatori struje imaju veliki margine izolacije. Normalno, površinska vlaga ne dovodi do površinske razrade, i oni prođu test izdržljivosti napona strujnog talasa nakon zaronjenja i sušenja.
Međutim, sitne poreske kanalice u izolacionom mediju dopuštaju ulazak molekula vode nakon zaronjenja, formirajući pore popunjene vodom i pretvarajući čvrsti dielektrik u kompozit čvrsto-tekuće faze. Voda u poreskim kanalicama polarizuje i deformiše se pod dejstvom električnog polja, menjajući se od sferičnog u elipsoidni oblik, povezujući kanale i smanjujući slomno polje. Više vode i gusće kanale sa dužim zaronjenjem povećavaju rizik od sloma. Zračni razmaci u litanju takođe dopuštaju ulazak vode. Ovi faktori dovode do zvuka razrade tijekom testa izdržljivosti napona, kao što je vidljivo na testnom uzorku #3.
4.3 Osnovna greška
Greška transformatora zavisi samo od magnetnih osobina jezgra i parametara namota. Pre i posle zaronjenja, magnetske osobine jezgra i impedancija namota ostaju nepromenjene, a testni podaci pokazuju minimalnu promenu osnovne greške.
Testovi zaronjenja takođe su otkrili:
5 Predlozi za nadzor kvaliteta
Da bi se izbegla ozbiljna porasta izolacije nakon zaronjenja uz česte ekstremne vremenske prilike, predlozi uključuju:
6 Zaključci
Ovo istraživanje se bavi procenom kvaliteta epoksidno-izoliranih niskonaponskih transformatora struje nakon zaronjenja teškim kišama. Ključni zaključci:
Ovi rezultati vode elektranama i proizvođačima u ocjeni/ponovnoj upotrebi transformatora dugotrajno zaronjenih.
