ผลกระทบจากการแช่ในระยะยาวต่อหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำที่มีฉนวนอีพ็อกซี่

1 บทนำ
หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำสำหรับการวัด ที่มีโครงสร้างเรซินอีพอกซี่แบบผ่านแกน เป็นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในพื้นที่เครื่องแปลงไฟฟ้าและสำหรับการบริโภคไฟฟ้าขนาดเล็กถึงกลางของภาคอุตสาหกรรมและพาณิชย์ การเป็นตัวขยายช่วงสำหรับการวัดพลังงานไฟฟ้า ประสิทธิภาพของพวกมันมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความปลอดภัยในการใช้ไฟฟ้าและการคำนวณทางการค้าของผู้ใช้ การศึกษาผลกระทบจากการแช่น้ำนานๆ บนหม้อแปลงเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดคุณภาพของหม้อแปลงแรงดันต่ำจำนวนมากที่ถูกน้ำท่วมจากฝนและน้ำท่วมอย่างรุนแรง

การวิจัยเกี่ยวกับการดูดซึมน้ำของหม้อแปลงได้ดำเนินมาอย่างยาวนาน ผลลัพธ์ที่มีอยู่ไม่ได้ครอบคลุมสภาพการแช่น้ำนานๆ และการแช่น้ำนานๆ มีผลกระทบร้ายแรงกว่าการดูดซึมน้ำ ในมาตรฐานการทดสอบประเภทของประเทศสำหรับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ระดับการป้องกันของหม้อแปลงภายในอาคารคือ IP20 และของภายนอกอาคารคือ IP44; มาตรฐานเทคนิคของอุตสาหกรรมไฟฟ้าและบริษัทสายส่งไฟฟ้าไม่ได้ระบุไว้ เพื่อกำหนดว่าหม้อแปลงที่ถูกแช่น้ำสามารถใช้งานต่อไปได้หรือไม่ บทความนี้ทำการทดสอบการแช่น้ำจำลอง วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพหลังการแช่น้ำ และเสนอข้อแนะนำในการกำกับดูแลคุณภาพเพื่อปรับปรุงการกันน้ำของหม้อแปลง

2 การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของการแช่น้ำของหม้อแปลง

คุณสมบัติหลักของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำคือคุณสมบัติฉนวนและคุณสมบัติการวัด คุณสมบัติฉนวนรวมถึงความต้านทานฉนวนและความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ และคุณสมบัติการวัดสะท้อนให้เห็นในความผิดพลาดพื้นฐาน คุณสมบัติการแช่น้ำหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานฉนวน ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ และความผิดพลาดพื้นฐานของหม้อแปลงก่อนและหลังการแช่น้ำและอบแห้ง

2.1 ความต้านทานฉนวน

ความต้านทานฉนวน R ประกอบด้วยความต้านทานปริมาตร Rv และความต้านทานผิว Rs ตามที่แสดงในสูตร (1) ความต้านทานปริมาตร ρv และความต้านทานผิว ρs แสดงในสูตร (2) และ (3)

ในสูตร EV คือความแข็งแรงของสนามไฟฟ้ากระแสตรงภายในวัสดุฉนวน JV คือความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าคงที่ ES คือความแข็งแรงของสนามไฟฟ้ากระแสตรง α คือความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเชิงเส้น

ความต้านทานฉนวนได้รับผลกระทบอย่างมากจากความชื้น เนื่องจากความนำไฟฟ้าของน้ำสูงกว่าวัสดุฉนวนเรซินอีพอกซี่มาก และน้ำมีค่าคงที่ไดเอเล็กทริกสูง ทำให้ลดพลังงานไอออนได้ ดังนั้น เมื่อวัสดุฉนวนถูกแช่น้ำ ความต้านทานผิวจะลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ความต้านทานปริมาตรเปลี่ยนแปลงน้อย เมื่อวัสดุที่แช่น้ำถูกอบแห้ง หากความต้านทานน้ำของวัสดุกลางเป็นปกติหรือมีข้อบกพร่องภายในตัวหล่อ ความต้านทานผิวจะฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว แต่ความต้านทานปริมาตรจะลดลงอย่างมากและไม่สามารถฟื้นตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2.2 ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ

แรงดันทดสอบสำหรับความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบถูกนำไปใช้ระหว่างเทอร์มินอลรอง พื้นฐานและพื้นดิน เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำลายสื่อสามารถคำนวณได้โดยประมาณจากสูตร (4)

ในสูตร EBD คือความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำลาย (ค่าสูงสุด) ระหว่างสองขั้วของวัสดุฉนวน UBD คือแรงดันที่ทำลายฉนวน (ค่ามีผลจริง) s คือระยะทางที่ทำลาย และ η คือสัมประสิทธิ์การใช้งานสนามไฟฟ้า

2.3 ความผิดพลาดพื้นฐาน

ความผิดพลาดพื้นฐานของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้ารวมถึงความผิดพลาดอัตราส่วนและความผิดพลาดเฟส ไม่ว่าจะอยู่ในสภาพการทำงานใด ความผิดพลาดพื้นฐานต้องไม่เกินค่าจำกัดความผิดพลาดที่ระบุในมาตรฐานตามความแม่นยำก่อนจึงสามารถใช้งานได้

3 สภาวะการทดสอบ
3.1 การเลือกตัวอย่างทดสอบ

เลือกหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำที่มีฉนวนเรซินอีพอกซี่แบบสุ่ม และทำการทดสอบสองกลุ่มติดต่อกัน รายละเอียดการแบ่งกลุ่มและพารามิเตอร์ของตัวอย่างทดสอบแสดงในตาราง 1

3.2 อุปกรณ์ทดสอบ

อุปกรณ์และพารามิเตอร์ที่ใช้ในการทดสอบแสดงในตาราง 2

3.3 การทดสอบการแช่น้ำ

ตามกฎระเบียบ IPX8 ใน GB/T 4208 - 2017 "ระดับการป้องกันที่ให้โดยเคส (รหัส IP)" การทดสอบนี้ดำเนินการด้วยน้ำสะอาด สำหรับเคสที่มีความสูงน้อยกว่า 850 มม. จุดต่ำสุดควรอยู่ใต้น้ำ 1000 มม. ก่อนทดสอบ วัดความต้านทานฉนวน ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ และความผิดพลาดพื้นฐานของตัวอย่างทดสอบ จากนั้นทำการทดสอบการแช่น้ำ

ในการทดสอบกลุ่มแรก ตัวอย่างทดสอบ 3 ตัวจากผู้ผลิตเดียวกันถูกวางลงในอุปกรณ์ทดสอบการดำน้ำ น้ำประปาถูกฉีดเข้าไป โดยความสูงของระดับน้ำคือ 1000 มม. และอุณหภูมิน้ำคือ 15 °C หลังจากแช่น้ำ 5 วัน นำออกมา เช็ดหยดน้ำด้วยผ้าแห้ง และปล่อยให้แห้ง 15 นาที หลังจากนั้นทำการทดสอบ จากนั้นทำการทดสอบทุกวันเป็นเวลา 10 วัน ท้ายที่สุด ปล่อยให้แห้งในอุณหภูมิห้อง 5 วัน และทำการทดสอบอีกครั้งหลังจากแห้ง ในกลุ่มทดสอบที่สอง ขนาดตัวอย่างถูกเพิ่มขึ้น ตัวอย่างทดสอบจากผู้ผลิต 5 รายที่เลือกแบบสุ่มถูกแช่น้ำโดยตรงเป็นเวลา 10 วัน แล้วปล่อยให้แห้งในอุณหภูมิห้อง 5 วัน และทำการทดสอบอีกครั้งหลังจากแห้ง

3.4 ข้อมูลการทดสอบ
3.4.1 ความต้านทานฉนวน

ความต้านทานฉนวนถูกวัดโดยใช้ช่วงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 500V ค่าความต้านทานฉนวน (บางส่วน) ของการทดสอบสองกลุ่มแสดงในตาราง 3 และตาราง 4

ตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3 มีอัตราการเปลี่ยนแปลงความต้านทานฉนวนสูงสุด หลังจากแช่น้ำ 10 วัน ความต้านทานฉนวนคือ 43.3 MΩ หลังจากแห้ง 5 วัน ความต้านทานฉนวนคือ 46.0 MΩ และอัตราการเปลี่ยนแปลงคือ -99% หลังจากการทดสอบการแช่น้ำและอบแห้ง ความต้านทานฉนวนของตัวอย่างทดสอบที่เหลือทั้งหมด 7 ตัว ฟื้นตัวกลับสู่ระดับความต้านทานฉนวนในสถานะแห้งเริ่มต้น

3.4.2 ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ

มีตัวอย่างทดสอบทั้งหมด 8 ตัวในสองกลุ่มทดสอบก่อนและหลัง ซึ่ง 7 ตัวผ่านการทดสอบความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ ตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3 เท่านั้นมีปัญหาในการเพิ่มแรงดันในระหว่างการทดสอบ และสามารถได้ยินเสียงปล่อยประจุอย่างชัดเจน หลังจากการทดสอบ พบว่ามีรอยน้ำอย่างชัดเจนภายในจุดเชื่อมระหว่างพื้นฐานและเรซินอีพอกซี่ของตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3 มีช่องว่างอย่างชัดเจนที่ขอบการหล่อของเรซินพื้นฐานของตัวอย่างทดสอบนี้ ภาพของพื้นฐานของตัวอย่างทดสอบหลังจากการทดสอบแสดงในรูปที่ 1 ในสภาพแวดล้อมที่ชื้นเมื่อแช่น้ำ ความชื้นภายนอกจะเข้าสู่ภายในตัวหล่อผ่านช่องว่างและไม่สามารถระบายออกได้ ทำให้ระดับความต้านทานฉนวนลดลง

3.4.3 ความผิดพลาดพื้นฐาน

ทำการทดสอบความผิดพลาดบนตัวอย่างทดสอบ 8 ตัวทั้งก่อนและหลังการแช่น้ำ โดยใช้ตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3 เป็นตัวอย่าง ข้อมูลการทดสอบความผิดพลาดแสดงในตาราง 5

4 การวิเคราะห์การทดสอบ

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำประกอบด้วยวัสดุฉนวน แกนเหล็ก และวงจรพัน ใช้กระบวนการหล่อ: เรซินอีพอกซี่ ผงซิลิกอนขนาดเล็ก สารเสริมความเหนียว สารเร่งปฏิกิริยา และสารทำให้แข็งถูกผสมในอัตราส่วนที่กำหนด คนให้เข้ากัน และฉีดเข้าแม่พิมพ์ภายใต้สภาวะที่กำหนดเพื่อทำให้แข็งตัว

4.1 ความต้านทานฉนวน

รูปที่ 2 เป็นแผนภูมิแท่งของข้อมูลการกระจายความต้านทานฉนวนของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าในกลุ่มทดสอบที่แตกต่างกัน หม้อแปลงส่วนใหญ่ที่ทดสอบแสดงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานฉนวนอย่างสอดคล้องกันหลังจากแช่น้ำและอบแห้ง: ลดลงอย่างชัดเจนในระหว่างการแช่น้ำ แล้วกลับขึ้นสู่ระดับความต้านทานฉนวนในสถานะแห้งเริ่มต้น ตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3 มีอัตราการเปลี่ยนแปลงความต้านทานฉนวน -99% หลังจากอบแห้ง ใกล้เคียงกับค่าวิกฤติที่เหมาะสม 30 MΩ

สำหรับตัวอย่างทดสอบกลุ่มที่ 2 ความต้านทานฉนวนเปลี่ยนแปลงแตกต่างกันหลังจากแช่น้ำ หมายเลข 01, 03, 04, 05 ลดลงถึงค่าวิกฤติ หมายเลข 02 แทบไม่เปลี่ยนแปลง หลังจากอบแห้ง 5 วัน ส่วนใหญ่กลับสู่ระดับความต้านทานเดิม แสดงว่าหมายเลข 02 มีคุณภาพการหล่อฉนวนที่ยอดเยี่ยม ไม่มีน้ำซึมผ่านหลังจากแช่น้ำนานๆ

อุณหภูมิ (ที่ไม่สำคัญในที่นี้) และความชื้นส่งผลต่อความต้านทานฉนวน ความชื้นเปลี่ยนแปลงอย่างมากก่อนและหลังการทดสอบ ตามปกติ ความต้านทานผิวลดลง ในขณะที่ความต้านทานปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลง แต่หากวัสดุฉนวนมีความต้านทานน้ำต่ำหรือมีข้อบกพร่องในการหล่อ วัสดุฉนวนหลักจะดูดซึมน้ำ แม้ว่าจะอบแห้งแล้ว น้ำภายในก็แทบไม่ระเหิด ความต้านทานผิวฟื้นตัว แต่ความต้านทานปริมาตรลดลงอย่างมากและไม่สามารถฟื้นตัวได้ ทำให้ความต้านทานฉนวนโดยรวมลดลง

4.2 ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบ

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำที่มีฉนวนเรซินอีพอกซี่มีช่องว่างฉนวนที่ใหญ่ ตามปกติ ความชื้นผิวไม่ทำให้เกิดการปล่อยประจุผิว และสามารถผ่านการทดสอบความต้านทานแรงดันไฟฟ้าความถี่ของระบบหลังจากแช่น้ำและอบแห้ง

อย่างไรก็ตาม รูพรุนเล็กๆ ในวัสดุฉนวนทำให้โมเลกุลน้ำเข้าไปหลังจากแช่น้ำ ทำให้เกิดรูพรุนที่เต็มไปด้วยน้ำและเปลี่ยนฉนวนแข็งเป็นฉนวนผสมแข็ง-เหลว น้ำในรูพรุนขั้วลักษณะและเปลี่ยนรูปร่างจากทรงกลมเป็นรูปวงรี ทำให้เกิดช่องทางเชื่อมโยงและลดความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำลาย น้ำมากขึ้นและช่องทางหนาแน่นขึ้นจากการแช่น้ำนานๆ ทำให้มีความเสี่ยงในการทำลายเพิ่มขึ้น ช่องว่างในกระบวนการหล่อก็ทำให้น้ำเข้าไป ปัจจัยเหล่านี้ทำให้เกิดเสียงปล่อยประจุในระหว่างการทดสอบความต้านทานแรงดันไฟฟ้า เช่น ในตัวอย่างทดสอบหมายเลข 3

4.3 ความผิดพลาดพื้นฐาน

ความผิดพลาดของหม้อแปลงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติแม่เหล็กของแกนและพารามิเตอร์วงจรพัน ทั้งก่อนและหลังการแช่น้ำ คุณสมบัติการกระตุ้นของแกนและความต้านทานวงจรพันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง และข้อมูลการทดสอบแสดงว่าความผิดพลาดพื้นฐานมีการเปลี่ยนแปลงน้อย

การทดสอบการแช่น้ำยังเผยให้เห็นว่า:

• 75% (6 จาก 8) ของแหวนล็อคสกรูเทอร์มินอลรองเกิดสนิม

• 50% (4 ตัวอย่าง) แสดงการเปลี่ยนสีของเรซิน (เดิมเป็นสีแดงน้ำตาลหมายเลข 3 กลายเป็นสีอ่อนลงอย่างมาก)

5 ข้อเสนอแนะในการกำกับดูแลคุณภาพ

เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายฉนวนรุนแรงหลังจากการแช่น้ำในสภาพอากาศรุนแรงที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง ข้อเสนอแนะรวมถึง:

• เพิ่มการกำกับดูแลการผลิต: ใช้วัสดุคอมโพสิตอีพอกซี่ที่มีความกันน้ำสูง; บังคับใช้มาตรฐานกระบวนการหล่ออย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันช่องว่างผิวและฟองอากาศภายใน

• เพิ่มการทดสอบการแช่น้ำสำหรับหม้อแปลงในพื้นที่ฝนตกหนักและพื้นที่ต่ำในระหว่างการตรวจสอบสมรรถนะเต็มรูปแบบและการสุ่มตรวจ

• พัฒนาความสามารถในการทดสอบไม่ทำลาย (X-ray) เพื่วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของวัสดุภายในหลังจากการแช่น้ำ ผลักดันผู้ผลิตให้ปรับปรุงกระบวนการ

• รวมข้อกำหนดการทดสอบการแช่น้ำเข้าไว้ในมาตรฐานเทคนิค โดยเฉพาะสำหรับหม้อแปลงที่ใช้งานพิเศษ

• ร่วมมือกับผู้ผลิตชั้นนำในการพัฒนาหม้อแปลงวัดที่มีความกันน้ำสูง

6 สรุป

การศึกษานี้เน้นการประเมินคุณภาพของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำที่มีฉนวนเรซินอีพอกซี่หลังจากการแช่น้ำหนักมาก ผลลัพธ์สำคัญ:

• หลังจากการแช่น้ำ ความต้านทานฉนวนลดลงอย่างชัดเจน แต่ส่วนใหญ่ฟื้นตัวหลังจากอบแห้ง ตัวอย่างทดสอบที่มีความต้านทานฉนวน < 100 MΩ ควรถูกปลดประจำการ

• การแช่น้ำมีผลกระทบต่อความผิดพลาดพื้นฐานน้อย

• หม้อแปลงที่ถูกแช่น้ำต้องทำการทดสอบใหม่ และเฉพาะตัวที่ผ่านการทดสอบเท่านั้นที่สามารถใช้งานต่อไปได้

• การทดสอบการแช่น้ำช่วยในการตรวจจับข้อบกพร่องในการหล่อ

ผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยให้บริษัทไฟฟ้าและผู้ผลิตสามารถประเมินและนำหม้อแปลงที่ถูกแช่น้ำนานๆ กลับมาใช้งานได้