Причины растрескивания обмоток в сухих трансформаторах с литой эпоксидной изоляцией и механизм влияния термоциклирования

1. Многомерные факторы, провоцирующие растрескивание обмоток

Растрескивание обмоток является не следствием единичного отказа, а результатом взаимодействия множества факторов, включая материалы, технологические процессы, конструктивное проектирование и условия эксплуатации.

1.1 Эволюция структуры изоляции и несоответствие свойств материалов

1.2 Неправильный контроль процессов литья и отверждения

При литье, если не применяется высококачественное вакуумное литье или дегазация недостаточна, внутри смолы, вероятно, останутся пузырьки воздуха. На этапе отверждения, если профили нагрева, выдержки и охлаждения контролируются неправильно, смола не может отверждаться медленно и равномерно, что приводит к чрезмерным внутренним остаточным напряжениям, создающим внутренние дефекты, предрасполагающие материал к последующему растрескиванию.

1.3 Воздействие механических напряжений и электромагнитных сил

Во время эксплуатации трансформаторы подвергаются внешним механическим вибрациям, а также огромным электромагнитным силам во время коротких замыканий. Если намотка катушки неплотная или методы поддержки и фиксации недостаточны, повторяющиеся электромагнитные силы и вибрация могут вызвать деформацию катушки, повреждение изоляционного слоя и даже растрескивание.

1.4 Суровые условия эксплуатации

Длительное воздействие высоких температур ускоряет термическое старение и термическое разложение смолы, снижая ее механическую прочность. В жарких и влажных условиях проникновение влаги вызывает гидролиз сложных эфиров в смоле, образуя микропоры на поверхности. Кроме того, коррозионные газы в таких средах, как химические заводы (например, диоксид серы, хлор), могут воздействовать на изоляционный материал и разрушать его молекулярную структуру.

2. Механизм влияния термических циклов на слой смоляной изоляции

Среди описанных выше факторов термические циклы (температурные циклы) являются основным физическим механизмом, проходящим через весь жизненный цикл оборудования, выступая в роли «катализатора», ускоряющего распространение трещин. Исследования показывают, что «термомеханическая усталость», вызванная термическими циклами, гораздо чаще вызывает микротрещины в изоляционном слое, чем непрерывное воздействие высоких температур. Его воздействие на слой смоляной изоляции проявляется преимущественно в следующих четырех аспектах.

2.1 Накопление и усталость от переменных термических напряжений

Из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения (КТР) между смолой и проводником, а также между смолой и стекловолоконным армированием, термические циклы создают переменные растягивающие и сдвиговые напряжения на границах раздела материалов. По мере увеличения числа циклов эти напряжения ослабляют прочность межфазной адгезии, возникают микротрещины, которые постепенно распространяются, в конечном итоге перерастая в сквозное растрескивание.

2.2 Ухудшение микроструктуры материала

Под воздействием переменных температурных напряжений при термическом циклировании сшитая сетка эпоксидной смолы постепенно деградирует, а свободный объем внутри материала увеличивается. На микроскопическом уровне это проявляется в виде пустот и микротрещин на поверхностях излома; на макроскопическом уровне это выражается в снижении прочности изоляционного материала к пробою переменным напряжением.

2.3 Критический эффект температуры стеклования (Tg)

Когда рабочая температура приближается к температуре стеклования (Tg) эпоксидной смолы или превышает ее, коэффициент теплового расширения резко возрастает, а модуль упругости претерпевает значительные изменения. В этот момент материал переходит из жесткого стеклообразного состояния в высокоэластичное состояние, его сопротивление деформации резко падает, а концентрация внутренних напряжений, вызванная термическим циклированием, с большей вероятностью приводит к отслоению на границе раздела и растрескиванию.

2.4 Порочный круг, запускающий частичный разряд (ЧР)

Растрескивание, вызванное термическим циклированием, создает микро-воздушные зазоры внутри изоляционного слоя. Поскольку диэлектрическая проницаемость смолы намного выше, чем у воздуха, при переменном напряжении напряженность электрического поля в воздушном зазоре распределяется обратно пропорционально диэлектрической проницаемости, что приводит к чрезвычайно высокой напряженности поля внутри зазора. Это легко провоцирует возникновение частичного разряда. Высокоэнергетические частицы, генерируемые ЧР, дополнительно эродируют и деградируют эпоксидную смолу, образуя порочный круг «растрескивание → ЧР → электрическая эрозия → усугубление растрескивания», что в конечном итоге приводит к пробою изоляции.

3. Резюме и системная стратегия защиты

Таким образом, растрескивание обмоток в сухих трансформаторах с литой эпоксидной изоляцией по своей сути является проблемой усталости материала и структурного разрушения, вызванной многофакторным сопряжением. Для фундаментального решения этой проблемы необходимо разработать системную стратегию защиты как на этапе производства, так и на этапе эксплуатации.

Только путем сочетания улучшения внутренних свойств материалов с управлением эксплуатацией и техническим обслуживанием на протяжении всего жизненного цикла можно эффективно противостоять разрушительному воздействию термических циклов, обеспечивая долгосрочную безопасную и стабильную работу сухих трансформаторов.