Вплив тривалого занурення на епоксидно-ізольовані низьковольтні трансформатори струму
1 Вступ
Низковольтні трансформатори струму для вимірювання, з епоксидно-резиновою конструкцією, широко використовуються у розподільних трансформаторних підстанціях та для невеликих та середніх промислових та комерційних споживачів електроенергії. Як розширителі діапазону вимірювання електроенергії, їхня продуктивність безпосередньо пов'язана з безпекою споживання електроенергії та точністю обчислень користувачів. Дослідження впливу довготривалого занурення на ці трансформатори має практичне значення для визначення якості багатьох низковольтних трансформаторів, затоплених через екстремальні дощі та паводки.
Дослідження відносно вигрітання трансформаторів вологістю триває давно. Існуючі результати не охоплюють умови довготривалого занурення, і довготривале занурення сильніше погіршує трансформатори струму, ніж вигрітання вологістю. У національному стандартному типовому тесті для трансформаторів струму, рівень захисту внутрішніх трансформаторів становить IP20, а зовнішніх - IP44; технічні стандарти енергетичної галузі та мережевих компаній це не визначають. Для визначення, чи можна продовжувати використовувати занурені трансформатори, ця робота проводить симульоване занурення, аналізує зміни продуктивності після занурення та надає пропозиції щодо контролю якості для покращення водонепроникності трансформаторів.
2 Теоретичний аналіз характеристик занурення трансформаторів
Основні характеристики низковольтних трансформаторів струму – це характеристики ізоляції та вимірювання. Характеристики ізоляції включають опір ізоляції та напругу випробування промислової частоти, а характеристики вимірювання відображаються в основній похибці. Характеристики занурення стосуються змін опору ізоляції, напруги випробування промислової частоти та основної похибки трансформатора перед зануренням, після занурення та після сушіння.
2.1 Опір ізоляції
Опір ізоляції R складається з об'ємного опору Rv та поверхневого опору Rs, як показано в формулі (1). Об'ємна резистентність ρv та поверхнева резистентність ρs показані в формулах (2) та (3).
У формулі, EV – це напруженість постійного струму всередині ізоляційного матеріалу; JV – це стаціонарна густина струму; ES – це напруженість постійного струму; α – це лінійна густина струму.
Опір ізоляції сильно впливає на вологість. Оскільки електропровідність води значно вища, ніж епоксидно-резинових ізоляційних матеріалів, а вода має велику диелектричну сталу, що може знизити енергію іонізації іонів. Тому, коли ізоляційний матеріал занурений у воду, поверхневий опір швидко зменшується, тоді як об'ємний опір майже не змінюється; коли занурений матеріал просушений, якщо водонепроникність середовища загальна або є дефекти всередині заливки, поверхневий опір швидко відновлюється, але об'ємний опір значно зменшується і не може бути ефективно відновлений.
2.2 Напруга випробування промислової частоти
Напруга випробування промислової частоти прикладається між вторинним кінцевим, нижньою плитою та землею. У нерівномірному електричному полі, пробійну напругу середовища можна наближено обчислити за формулою (4).
У формулі, EBD – це пробійна напруга (пікова значення) між двома електродами ізоляційного матеріалу; UBD – це пробійна напруга (ефективне значення); s – це пробійна відстань, а η – це коефіцієнт використання електричного поля.
2.3 Основна похибка
Основні похибки трансформатора струму включають похибку співвідношення та фазову похибку. Незалежно від робочих умов, основна похибка не повинна перевищувати граничне значення похибки, відповідне класу точності, вказаному в стандарті, перш ніж вона може бути використана.
3 Умови випробування
3.1 Вибір випробувальних зразків
Випадково виберіть епоксидно-резинові низковольтні трансформатори струму для випробування та проведіть два групи випробувань послідовно. Групування випробувань та параметри випробувальних зразків показані в таблиці 1.
3.2 Обладнання для випробувань
Обладнання та параметри, використані в випробуванні, показані в таблиці 2.
3.3 Випробування занурення
Згідно з правилом IPX8 відповідно до GB/T 4208-2017 "Ступені захисту, забезпечувані оболонками (коди IP)", випробування проводиться з чистою водою. Для оболонок, висота яких менша за 850 мм, найнижча точка повинна бути на 1000 мм нижче поверхні води. Перед випробуванням, спочатку виміряйте опір ізоляції, напругу випробування промислової частоти та основну похибку випробувального зразка, а потім проведіть випробування занурення.
У першій групі випробувань, три випробувальних зразки одного виробника були поміщені в обладнання для занурення. Було заповнено водопровідною водою, рівень рідини становив 1000 мм, а температура води становила 15 °C. Після занурення в воду на 5 днів, вони були витягнуті. Краплі води на них були протертої сухою тряпкою, і вони були залишені на 15 хвилин. Після просушування, були проведені випробування. Потім, випробування проводилися щодня протягом 10 днів. Нарешті, вони були висушувані при кімнатній температурі протягом 5 днів, і після висушування були проведені повторні випробування. У другій групі випробувань, обсяг вибірки був збільшений. Випробувальні зразки від 5 випадково вибраних виробників були безпосередньо занурені в воду на 10 днів, потім висушувані при кімнатній температурі протягом 5 днів, і після висушування були проведені повторні випробування.
3.4 Дані випробувань
3.4.1 Опір ізоляції
Опір ізоляції вимірювався за допомогою діапазону напруги постійного струму 500V. Значення опору ізоляції (частково) для двох груп випробувань показані в таблицях 3 і 4.
Випробувальний зразок №3 мав найбільший коефіцієнт зміни опору ізоляції. Після занурення в воду на 10 днів, опір ізоляції становив 43,3 МΩ. Після висушування на 5 днів, опір ізоляції становив 46,0 МΩ, а коефіцієнт зміни досяг -99%. Після випробування занурення та просушування, опори ізоляції решти семи випробувальних зразків повернулися до порядку величини опору ізоляції в початковому сухому стані.
3.4.2 Напруга випробування промислової частоти
Всього було 8 випробувальних зразків у двох групах випробувань до і після. Серед них, 7 пройшли випробування напругою випробування промислової частоти. Лише випробувальний зразок №3 мав труднощі з підвищенням напруги під час випробування, і можна було чути дуже очевидний звук розряду. Після випробування, були знайдені очевидні сліди води всередині з'єднання між нижньою плитою та епоксидно-резиновим матеріалом випробувального зразка №3. Була очевидна щілина на залитому інтерфейсі нижньої плити цього випробувального зразка. Нижня плита випробувального зразка після випробування показана на малюнку 1. У вологому середовищі з зануренням води, зовнішня волога проникає всередину основного корпусу через щілину і не може бути виштовхнута, що призводить до зниження рівня ізоляції.
3.4.3 Основна похибка
Було проведено випробування похибок для 8 випробувальних зразків як до, так і після занурення. На прикладі випробувального зразка №3, дані випробувань похибок показані в таблиці 5.
4 Аналіз випробувань
Низковольтні трансформатори струму головним чином складаються з ізоляційних матеріалів, сердечників та обмоток. Вони використовують процес заливки: епоксидна смола, кремнієва мікрошка, модифікатори, акселератори та закріплювачі змішуються в заданих пропорціях, перемішуються рівномірно та заливаються в форми під певними умовами для затвердіння.
4.1 Опір ізоляції
Малюнок 2 – це гістограма розподілу даних опору ізоляції трансформаторів струму в різних групах випробувань. Більшість випробованих трансформаторів показують однакові зміни опору ізоляції після занурення та просушування: значне початкове зниження під час занурення, а потім підвищення до початкового порядку величини сухого стану після просушування. Лише випробувальний зразок №3 має коефіцієнт зміни опору ізоляції -99% після просушування, близький до критичного значення 30 МΩ.
Для випробувальних зразків групи 2, зміни опору ізоляції після занурення відрізняються. #01, #03, #04, #05 знижуються до критичного значення; #02 майже не змінюється. Після 5-денного просушування, вони в основному повертаються до початкового рівня опору, що показує, що #02 має відмінну якість заливки ізоляції без проникнення води після довготривалого занурення.
Температура (зневажена тут) та вологість впливають на опір ізоляції. Зміни вологістю перед і після випробувань великі. Зазвичай, поверхневий опір знижується, тоді як об'ємний опір майже не змінюється. Але якщо ізоляційний матеріал має низьку водонепроникність або дефекти заливки, основний ізоляційний матеріал вбирає воду. Навіть після просушування, внутрішня вода важко випаровується. Поверхневий опір відновлюється, але об'ємний опір значно знижується і не може бути ефективно відновлений, що призводить до зниження загального опору ізоляції.
4.2 Напруга випробування промислової частоти
Епоксидно-резинові низковольтні трансформатори струму мають великий запас ізоляції. Зазвичай, поверхнева вологість не призводить до поверхневого розряду, і вони проходять випробування напругою випробування промислової частоти після занурення та просушування.
Однак, мікропори в ізоляційному середовищі дають можливість водним молекулам проникати після занурення, утворюючи пори, заповнені водою, і перетворюючи твердий диелектрик на твердо-рідке комплексне середовище. Вода в порах поляризується та деформується під впливом електричного поля, змінюючи форму від сферичної до еліпсоїдної, створюючи канал для зв'язку та знижуючи напругу пробою. Більше води, густіші канали та довгіший час занурення збільшують ризик пробою. Пори в заливці також дають можливість воді проникати. Ці фактори викликають звуки розряду під час випробування на напругу, як це було побачено на випробувальному зразку №3.
4.3 Основна похибка
Похибка трансформатора залежить лише від магнітних властивостей сердечника та параметрів обмоток. До і після занурення, характеристики збудження сердечника та опір обмоток залишаються незмінними, і дані випробувань показують мінімальні зміни основної похибки.
Випробування занурення також виявили:
5 Пропозиції щодо контролю якості
Щоб уникнути серйозного зниження ізоляції після занурення в умовах постійних екстремальних погодних умов, пропонуються такі рекомендації:
6 Висновки
Це дослідження стосується оцінки якості епоксидно-резинових низковольтних трансформаторів струму після занурення в воду через сильні дощі. Основні висновки:
