Tác động của Ngâm lâu dài đối với Biến áp dòng điện hạ thế được cách điện bằng Epoxy
1 Giới thiệu
Các biến áp đo dòng điện hạ thế có cấu trúc nhựa epoxy lõi thông được sử dụng rộng rãi trong các khu vực biến áp phân phối và cho tiêu thụ điện của các doanh nghiệp công nghiệp và thương mại nhỏ đến trung bình. Là thiết bị mở rộng dải đo cho đo lường năng lượng điện, hiệu suất của chúng liên quan trực tiếp đến an toàn tiêu thụ điện và độ chính xác trong tính toán giao dịch của người dùng. Nghiên cứu về tác động của ngâm lâu dài đối với các biến áp này có ý nghĩa thực tế lớn để xác định chất lượng của nhiều biến áp hạ thế bị ngập bởi mưa lớn và lũ lụt cực đoan.
Nghiên cứu về khả năng hấp thụ độ ẩm của biến áp đã được tiến hành từ lâu. Kết quả hiện tại chưa bao gồm điều kiện ngâm lâu dài, và ngâm lâu dài làm hỏng biến áp đo dòng điện nghiêm trọng hơn so với việc hấp thụ độ ẩm. Trong thử nghiệm loại theo tiêu chuẩn quốc gia cho biến áp đo dòng điện, chỉ có biến áp trong nhà có cấp bảo vệ IP20 và biến áp ngoài trời có cấp bảo vệ IP44; các tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành điện và công ty lưới điện chưa quy định điều này. Để xác định xem biến áp đã ngâm nước có thể sử dụng được hay không, bài viết này tiến hành thử nghiệm ngâm mô phỏng, phân tích sự thay đổi hiệu suất sau khi ngâm, và đưa ra đề xuất giám sát chất lượng để cải thiện khả năng chống thấm nước của biến áp.
2 Phân tích Lý thuyết về Đặc tính Ngâm Biến Áp
Các đặc trưng chính của biến áp đo dòng điện hạ thế là đặc trưng cách điện và đặc trưng đo lường. Đặc trưng cách điện chủ yếu bao gồm điện trở cách điện và điện áp chịu đựng tần số công nghiệp, và đặc trưng đo lường được phản ánh qua sai số cơ bản. Đặc trưng ngâm nước đề cập đến sự thay đổi của điện trở cách điện, điện áp chịu đựng tần số công nghiệp, và sai số cơ bản của biến áp trước và sau khi ngâm nước và sấy khô.
2.1 Điện trở Cách Điện
Điện trở cách điện R được tạo thành từ điện trở khối Rv và điện trở bề mặt Rs, như được hiển thị trong công thức (1). Độ dẫn điện khối ρv và độ dẫn điện bề mặt ρs được hiển thị trong công thức (2) và (3).
Trong công thức, EV là cường độ điện trường DC bên trong vật liệu cách điện; JV là mật độ dòng điện ổn định; ES là cường độ điện trường DC; α là mật độ dòng điện tuyến tính.
Điện trở cách điện bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ ẩm. Do độ dẫn điện của nước cao hơn nhiều so với vật liệu cách điện bằng nhựa epoxy, và nước có hằng số điện môi lớn, có thể giảm năng lượng ion hóa của các ion. Do đó, khi vật liệu cách điện bị ngâm nước, điện trở bề mặt giảm nhanh, trong khi điện trở khối ít thay đổi; khi vật liệu đã ngâm được sấy khô, nếu khả năng chống nước của vật liệu trung gian là bình thường hoặc có khuyết tật bên trong thân đúc, điện trở bề mặt hồi phục nhanh, nhưng điện trở khối giảm đáng kể và không thể khôi phục hiệu quả.
2.2 Điện Áp Chịu Đựng Tần Số Công Nghiệp
Điện áp thử nghiệm cho điện áp chịu đựng tần số công nghiệp được áp dụng giữa đầu cuối thứ cấp, đế và đất. Trong trường hợp trường điện không đồng đều, cường độ điện trường phá hủy của môi trường có thể được tính gần đúng bằng công thức (4).
Trong công thức, EBD là cường độ điện trường phá hủy (giá trị đỉnh) giữa hai điện cực của vật liệu cách điện; UBD là điện áp phá hủy điện môi (giá trị hiệu dụng); s là khoảng cách phá hủy, và η là hệ số sử dụng điện trường.
2.3 Sai Số Cơ Bản
Sai số cơ bản của biến áp đo dòng điện bao gồm sai số tỷ lệ và sai số pha. Dù trong điều kiện làm việc nào, sai số cơ bản cũng không được vượt quá giới hạn sai số tương ứng với cấp độ chính xác được quy định trong tiêu chuẩn trước khi có thể sử dụng.
3 Điều Kiện Thử Nghiệm
3.1 Chọn Mẫu Thử Nghiệm
Ngẫu nhiên chọn các biến áp đo dòng điện hạ thế cách điện bằng nhựa epoxy để thử nghiệm, và tiến hành hai nhóm thử nghiệm liên tiếp. Nhóm thử nghiệm và các tham số của mẫu thử nghiệm được hiển thị trong Bảng 1.
3.2 Thiết Bị Thử Nghiệm
Thiết bị và các tham số được sử dụng trong thử nghiệm được hiển thị trong Bảng 2.
3.3 Thử Nghiệm Ngâm Nước
Theo quy định IPX8 trong GB/T 4208 - 2017 "Cấp Bảo Vệ Cung Cấp bởi Vỏ Bọc (Mã IP)", thử nghiệm được tiến hành với nước sạch. Đối với vỏ có chiều cao dưới 850 mm, điểm thấp nhất phải cách mặt nước 1000 mm. Trước khi thử nghiệm, hãy đo điện trở cách điện, điện áp chịu đựng tần số công nghiệp, và sai số cơ bản của mẫu thử nghiệm, sau đó tiến hành thử nghiệm ngâm nước.
Trong nhóm thử nghiệm đầu tiên, 3 mẫu thử nghiệm từ cùng một nhà sản xuất được đặt vào thiết bị thử nghiệm ngâm. Nước máy được bơm vào, với chiều cao mực nước là 1000 mm và nhiệt độ nước là 15 °C. Sau khi ngâm nước trong 5 ngày, chúng được lấy ra. Các giọt nước trên chúng được lau sạch bằng vải khô, và để yên trong 15 phút. Sau khi sấy khô, các thử nghiệm được tiến hành. Tiếp theo, các thử nghiệm được tiến hành mỗi ngày trong 10 ngày. Cuối cùng, chúng được để trong không khí ở nhiệt độ phòng trong 5 ngày, và thử nghiệm lại sau khi sấy khô. Đối với nhóm thử nghiệm thứ hai, kích thước mẫu được tăng lên. Mẫu thử nghiệm từ 5 nhà sản xuất được chọn ngẫu nhiên được ngâm trực tiếp trong nước trong 10 ngày, sau đó để trong không khí trong 5 ngày, và thử nghiệm lại sau khi sấy khô.
3.4 Dữ Liệu Thử Nghiệm
3.4.1 Điện Trở Cách Điện
Điện trở cách điện được đo bằng dải điện áp DC 500V. Giá trị điện trở cách điện (một phần) của hai nhóm thử nghiệm được hiển thị trong Bảng 3 và Bảng 4.
Mẫu thử nghiệm #3 có tỷ lệ thay đổi điện trở cách điện lớn nhất. Sau khi ngâm nước trong 10 ngày, điện trở cách điện là 43,3 MΩ. Sau khi để trong không khí trong 5 ngày, điện trở cách điện là 46,0 MΩ, và tỷ lệ thay đổi đạt -99%. Sau thử nghiệm ngâm nước và sấy khô, điện trở cách điện của 7 mẫu thử nghiệm còn lại đều hồi phục về mức độ của điện trở cách điện trong trạng thái khô ban đầu.
3.4.2 Điện Áp Chịu Đựng Tần Số Công Nghiệp
Có tổng cộng 8 mẫu thử nghiệm trong hai nhóm thử nghiệm trước và sau. Trong đó, 7 mẫu đã vượt qua thử nghiệm điện áp chịu đựng tần số công nghiệp. Chỉ mẫu thử nghiệm #3 gặp khó khăn trong việc tăng điện áp, và có thể nghe thấy âm thanh phóng điện rõ rệt. Sau khi thử nghiệm, phát hiện dấu vết nước rõ ràng bên trong mối nối giữa đế và nhựa epoxy của mẫu thử nghiệm #3. Có khe hở rõ ràng ở giao diện đổ đế nhựa của mẫu thử nghiệm này. Đế của mẫu thử nghiệm sau khi thử nghiệm được hiển thị trong Hình 1. Trong môi trường ẩm ướt có ngâm nước, độ ẩm bên ngoài xâm nhập vào bên trong thân chính thông qua khe hở và không thể thoát ra, dẫn đến giảm mức độ cách điện.
3.4.3 Sai Số Cơ Bản
Các thử nghiệm sai số được tiến hành trên 8 mẫu thử nghiệm cả trước và sau khi ngâm. Lấy mẫu thử nghiệm #3 làm ví dụ, dữ liệu thử nghiệm sai số được hiển thị trong Bảng 5.
4 Phân Tích Thử Nghiệm
Biến áp đo dòng điện hạ thế chủ yếu bao gồm vật liệu cách điện, lõi sắt, và cuộn dây. Chúng sử dụng quy trình đúc: nhựa epoxy, bột silic vi, chất tăng cường, chất xúc tác, và chất làm cứng được trộn theo tỷ lệ quy định, khuấy đều, và được tiêm vào khuôn dưới điều kiện nhất định để đông cứng.
4.1 Điện Trở Cách Điện
Hình 2 là biểu đồ phân bố dữ liệu điện trở cách điện của biến áp trong các nhóm thử nghiệm khác nhau. Hầu hết các biến áp được thử nghiệm cho thấy sự thay đổi điện trở cách điện nhất quán sau khi ngâm và sấy khô: giảm đáng kể ban đầu khi ngâm, sau đó tăng trở lại mức độ ban đầu khi sấy khô. Chỉ mẫu thử nghiệm #3 có tỷ lệ thay đổi điện trở cách điện -99% sau khi sấy khô, gần với giá trị giới hạn hợp lệ 30 MΩ.
Đối với mẫu thử nghiệm Nhóm 2, sự thay đổi điện trở cách điện sau khi ngâm khác nhau. #01, #03, #04, #05 giảm xuống giá trị giới hạn; #02 hầu như không thay đổi. Sau 5 ngày sấy khô, chúng hầu hết đều trở lại mức độ điện trở ban đầu, cho thấy #02 có chất lượng đúc cách điện tuyệt vời, không có nước xâm nhập sau thời gian ngâm lâu dài.
Nhiệt độ (không đáng kể ở đây) và độ ẩm ảnh hưởng đến điện trở cách điện. Độ ẩm thay đổi đáng kể trước và sau thử nghiệm. Thông thường, điện trở bề mặt giảm trong khi điện trở khối ít thay đổi. Nhưng nếu vật liệu cách điện có khả năng chống nước thấp hoặc có khuyết tật đúc, môi trường cách điện chính sẽ hấp thụ nước. Ngay cả sau khi sấy khô, nước bên trong cũng khó bay hơi. Điện trở bề mặt hồi phục, nhưng điện trở khối giảm mạnh và không thể khôi phục, làm giảm tổng điện trở cách điện.
4.2 Điện Áp Chịu Đựng Tần Số Công Nghiệp
Biến áp đo dòng điện hạ thế cách điện bằng nhựa epoxy có biên độ cách điện lớn. Thường thì độ ẩm bề mặt không gây phóng điện bề mặt, và chúng vượt qua thử nghiệm điện áp chịu đựng tần số công nghiệp sau khi ngâm và sấy khô.
Tuy nhiên, các lỗ nhỏ trong môi trường cách điện cho phép phân tử nước xâm nhập sau khi ngâm, tạo thành các lỗ vi nhỏ chứa nước và biến môi trường điện môi rắn thành hỗn hợp rắn-chất lỏng. Nước trong các lỗ vi nhỏ phân cực và biến dạng dưới tác động của điện trường, chuyển từ hình cầu sang hình elip, tạo nên các kênh kết nối và giảm cường độ điện trường phá hủy. Nhiều nước và các kênh dày đặc hơn, thời gian ngâm lâu hơn làm tăng nguy cơ phá hủy. Các khe hở trong quá trình đúc cũng cho phép nước xâm nhập. Những yếu tố này gây ra tiếng ồn phóng điện trong quá trình chịu điện áp, như được thấy trong mẫu thử nghiệm #3.
4.3 Sai Số Cơ Bản
Sai số của biến áp chỉ phụ thuộc vào đặc tính từ của lõi và các tham số cuộn dây. Trước và sau khi ngâm, đặc tính kích thích của lõi và trở kháng cuộn dây không thay đổi, và dữ liệu thử nghiệm cho thấy sự thay đổi sai số cơ bản tối thiểu.
Các thử nghiệm ngâm nước cũng tiết lộ:
5 Đề Xuất Giám Sát Chất Lượng
Để tránh sự hỏng hóc cách điện nghiêm trọng sau khi ngâm giữa các điều kiện thời tiết cực đoan, các đề xuất bao gồm:
6 Kết Luận
Nghiên cứu này giải quyết vấn đề đánh giá chất lượng của biến áp đo dòng điện hạ thế cách điện bằng nhựa epoxy sau khi ngâm trong mưa lớn. Các phát hiện chính:
Các kết quả này hướng dẫn các công ty điện và nhà sản xuất trong việc đánh giá và tái sử dụng các biến áp đã ngâm nước lâu.
