Jaka jest charakterystyka wyładowania niezupełnego transformatora suchego z żywicą epoksydową?

Jeśli jesteś inżynierem ds. specyfikacji, kierownikiem zakładu lub specjalistą ds. infrastruktury elektrycznej ważącym transformatory, prawie na pewno natknąłeś się na transformatory suche z żywicy epoksydowej — są one głównymi elementami nowoczesnej, niskoemisyjnej dystrybucji energii do zastosowań wewnętrznych, zewnętrznych i przemysłowych. Jednak dla każdego, kto określa te jednostki, wyładowanie niezupełne (PD) jest cechą niepodlegającą negocjacjom, którą należy zrozumieć. W przeciwieństwie do transformatorów wypełnionych olejem, w których wyładowania niezupełne są często pochłaniane i maskowane przez olej mineralny, transformatory suche epoksydowe opierają się na solidnej izolacji epoksydowej, dzięki czemu wyładowania wyładowań atmosferycznych są znacznie bardziej widoczną, wpływową i mierzalną właściwością, która bezpośrednio wiąże się z niezawodnością, żywotnością i zgodnością z globalnymi normami elektrycznymi.

Jako dostawca skupiający się wyłącznie na transformatorach suchych z żywicy epoksydowej (możesz zapoznać się z naszą pełną ofertą do każdego zastosowaniaTransformator suchy z żywicy epoksydowej), spędziłem lata pracując z klientami, aby rozróżnić PD nie jako niejasny termin techniczny, ale jako konkretną cechę, która kształtuje działanie tych urządzeń w rzeczywistych warunkach. Przyjrzyjmy się, czym jest wyładowanie niezupełne, jak zachowuje się w izolacji epoksydowej, jakie unikalne cechy wyróżniają te transformatory i dlaczego zwracanie uwagi na wyładowania niezupełne może w dłuższej perspektywie zaoszczędzić tysiące osób na przestojach i kosztach wymiany.

Najpierw zdefiniujmy wyładowanie niezupełne w prosty sposób (obiecuję, bez zbytniego żargonu). PD to małe, zlokalizowane wyładowanie elektryczne, które tylko częściowo mostkuje izolację pomiędzy dwoma przewodnikami. Pomyśl o tym jak o małej, krótkotrwałej iskrze, która pojawia się w stałej żywicy epoksydowej, na styku żywicy epoksydowej z innymi materiałami lub nawet uwięzionej w mikroskopijnych kieszeniach powietrznych w samej żywicy. Nie jest to pełny łuk (który spowodowałby katastrofalną awarię), ale jest to problem postępujący — z biegiem czasu te mikrowyładowania powodują erozję izolacji epoksydowej, tworzą drobne pęknięcia i osłabiają ogólną strukturę izolacyjną. W przypadku transformatorów suchych epoksydowych wartość PD jest szczególnie istotna, ponieważ nie ma oleju, który mógłby ugasić lub zatrzymać te iskry, więc ich charakterystyka jest całkowicie zależna od jakości formowania epoksydowego i konstrukcji urządzenia.

Dlaczego izolacja epoksydowa tak różni się od innych typów, jeśli chodzi o wyładowania niezupełne? Żywica epoksydowa jest polimerem termoutwardzalnym, co oznacza, że ​​utwardza ​​się w sztywny, stały blok, a nie pozostaje płynny jak olej. Większość transformatorów suchych epoksydowych jest zbudowana w procesie impregnacji próżniowo-ciśnieniowej (VPI), podczas którego cała cewka jest otaczana żywicą epoksydową pod niskim ciśnieniem w celu wyeliminowania kieszeni powietrznych, ale nawet najwyższej jakości proces VPI nie jest w stanie usunąć wszystkich mikropustek, a z biegiem czasu obciążenia środowiskowe (wahania temperatury, wilgotność, wibracje mechaniczne) mogą tworzyć nowe szczeliny lub osłabiać wiązanie pomiędzy uzwojeniami epoksydowymi i miedzianymi. Pustki te stają się głównymi miejscami inicjowania wyładowań wyładowczych, ponieważ powietrze ma znacznie niższą wytrzymałość dielektryczną niż stała żywica epoksydowa. Gdy przyłożone napięcie osiągnie próg (zwany napięciem początkowym), pole elektryczne wewnątrz pustki staje się wystarczająco silne, aby zjonizować powietrze, powodując częściowe wyładowanie.

Jakie są zatem kluczowe cechy wyładowań niezupełnych charakterystyczne dla transformatorów suchych z żywicy epoksydowej i jak sprawdzają się one w różnych instalacjach? Podzielmy to na najczęstsze zastosowania, do jakich nasi klienci używają naszych jednostek, ponieważ zachowanie wyładowań niezupełnych zmienia się w zależności od miejsca zainstalowania transformatora.

Po pierwsze, transformatory suche do zastosowań wewnętrznych — stosowane w budynkach biurowych, szpitalach, centrach danych i zakładach produkcyjnych (możesz sprawdzić naszą linię wewnętrznąTransformator suchy do zastosowań wewnętrznych). Środowiska wewnętrzne są ogólnie kontrolowane: stabilna temperatura, niska wilgotność i brak bezpośredniego narażenia na kurz lub warunki atmosferyczne. W przypadku transformatorów epoksydowych do wnętrz, charakterystyka wyładowań niezupełnych jest tutaj definiowana przez dwa główne czynniki: początkowe poziomy wyładowań niezupełnych podczas testów fabrycznych i długoterminowa stabilność wyładowań niezupełnych przy normalnym napięciu roboczym. Fabryczne testy odbiorcze (FAT) dla tych jednostek wymagają poziomów PD poniżej 10 pikokulombów (pC) przy 1,1-krotności napięcia znamionowego — jest to norma ustalona przez IEC 60076-11, globalną normę dla transformatorów suchych. Dlaczego 10 szt.? Każde PD powyżej tego progu wskazuje na wadę produkcyjną (np. dużą pustą przestrzeń w żywicy epoksydowej) lub niecałkowite utwardzenie żywicy. W pomieszczeniach zamkniętych wyładowania niezupełne zwykle utrzymują się na stałym poziomie w czasie, o ile nie występują nagłe skoki napięcia lub naprężenia mechaniczne powodowane przez pobliskie urządzenia. Kilka lat temu mieliśmy klienta w biurowcu w centrum Chicago, który pominął testy wyładowań wyładowczych podczas instalacji i po 18 miesiącach musiał odłączyć zasilanie całego 10-piętrowego budynku — okazało się, że pustka w żywicy epoksydowej wzrosła z 2 mm do 8 mm, powodując wzrost poziomu wyładowań niezupełnych powyżej 50 pC, co doprowadziło do uszkodzenia uzwojenia. Jednostki wewnętrzne, choć chronione, nie są odporne, więc ich charakterystyka wyładowań niezupełnych sprawia, że ​​regularne testy wyładowań niezupełnych nie podlegają negocjacjom.

Następnie transformatory suche do stosowania na zewnątrz (przejrzyj naszą linię do zastosowań zewnętrznych tutajZewnętrzny transformator suchy). Są one stosowane w podstacjach, farmach fotowoltaicznych, stacjach uzdatniania wody i innych instalacjach zewnętrznych, gdzie urządzenia są narażone na deszcz, ekstremalne temperatury, promieniowanie UV i zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu (sól, kurz, pyłki). Charakterystyki PD są tutaj znacznie bardziej dynamiczne niż w przypadku jednostek wewnętrznych, ponieważ czynniki środowiskowe bezpośrednio wpływają na izolację epoksydową. Na przykład wysoka wilgotność lub lekki deszcz mogą utworzyć cienką warstwę przewodzącą na powierzchni cewki epoksydowej, co obniża rezystancję izolacji powierzchni i ułatwia inicjację wyładowań niezupełnych przy niższych poziomach napięcia. Promieniowanie UV pochodzące ze słońca również z czasem niszczy strukturę molekularną żywicy epoksydowej, tworząc drobne pęknięcia powierzchniowe, które stanowią nowe miejsca dla wyładowań niezupełnych. Przetestowaliśmy zewnętrzny transformator epoksydowy o mocy 2,5 MVA zainstalowany w podstacji przybrzeżnej w Teksasie, który działał od 7 lat — jego napięcie początkowe wyładowań niezupełnych spadło o 35% w stosunku do poziomu fabrycznego, a robocze poziomy wyładowań niezupełnych wzrosły do ​​18 pC, znacznie powyżej normy wewnętrznej. Jednostki zewnętrzne muszą także wytrzymywać przepięcia piorunowe, które mogą powodować tymczasowe przepięcia wyzwalające wyładowania niezupełne; podczas gdy nowoczesne transformatory epoksydowe są wyposażone w ograniczniki przepięć, które łagodzą to zjawisko, powtarzające się przepięcia mogą przyspieszyć wzrost wyładowań niezupełnych.

Innym powszechnym zastosowaniem są transformatory pomocnicze w podstacjach — te mniejsze, ale krytyczne jednostki, systemy sterowania mocą, pompy i oświetlenie wewnątrz podstacji wysokiego napięcia (dowiedz się więcej o naszej ofercie transformatorów pomocniczych tutajTransformator pomocniczy w podstacji). Transformatory pomocnicze mają unikalną charakterystykę WNZ, ponieważ pracują przy niższym napięciu niż główne transformatory dystrybucyjne, ale są umieszczone tuż obok urządzeń wysokiego napięcia, narażając je na wyładowania niezupełne z sąsiednich elementów (takich jak rozdzielnice lub szyny zbiorcze). Te wyładowania krzyżowe mogą przenosić się na izolację epoksydową transformatora pomocniczego, prowadząc do tak zwanego „zewnętrznego wpływu wyładowań niezupełnych”. Regularnie testujemy w tym celu transformatory pomocnicze: uruchamiamy je przy napięciu znamionowym podczas testowania sąsiednich urządzeń wysokiego napięcia pod kątem wyładowań wyładowczych (WNZ), a w przypadku wykrycia wpływu krzyżowego dostosowujemy konstrukcję uzwojenia epoksydowego (np. Dodając cienką warstwę powłoki z żywicy o wysokiej dielektrycznej), aby zmniejszyć wpływ. Bez tego transformatory pomocnicze mogą wytwarzać wewnętrzne wyładowania niezupełne ze źródeł zewnętrznych, nawet jeśli ich własna izolacja epoksydowa jest idealna.

Porozmawiajmy teraz o tym, co sprawia, że ​​transformatory suche z żywicy epoksydowej różnią się od innych typów transformatorów, jeśli chodzi o wyładowania niezupełne. Na przykład transformatory wypełnione olejem mają PD, które jest zwykle pochłaniane przez olej mineralny, dlatego jest mierzone inaczej (w ppm gazu, a nie w pC). Z drugiej strony wyładowania epoksydowe to zjawisko powierzchniowe i wewnętrzne izolacji stałej, dlatego łatwiej je wykryć za pomocą narzędzi testowych na miejscu — można użyć detektora wyładowań niezupełnych, który zaciska się wokół zacisków transformatora, aby mierzyć wyładowania w czasie rzeczywistym, co jest ogromną korzyścią dla zespołów konserwacyjnych. Kolejna kluczowa cecha: żywica epoksydowa ma znacznie wyższe napięcie początkowe wyładowania niezupełnego (PDIV) niż powietrze, ale jej napięcie gaśnięcia PD (napięcie, poniżej którego wyładowania niezupełne się zatrzymują) jest niższe niż w przypadku oleju. Czekaj, to ważna kwestia — pozwól, że to wyjaśnię. PDIV to napięcie, przy którym rozpoczynają się wyładowania; Napięcie gaszenia PD jest tam, gdzie się zatrzymują. W przypadku żywic epoksydowych PDIV jest wyższy niż w powietrzu, co oznacza, że ​​do wywołania wyładowań potrzebne jest większe napięcie, niż gdyby izolacją było powietrze, ale gdy już rozpocznie się wyładowanie, trudniej jest je zatrzymać, ponieważ żywica epoksydowa nie pochłania energii. Dlatego właśnie zmniejszenie pustych przestrzeni w żywicy epoksydowej jest tak istotne — chcesz utrzymać PDIV na jak najwyższym poziomie i uniknąć sytuacji, w których wyładowanie może się rozpocząć i trwać.

Kolejne powszechne błędne przekonanie: transformatory epoksydowe nie ulegają wyładowaniom wyładowczym, więc nie trzeba tego testować. To po prostu nieprawda. Każda solidna izolacja ma pewien poziom PD, nawet jeśli jest on minimalny w wyniku dobrej produkcji. Problem pojawia się, gdy PD przekracza akceptowalny poziom, dlatego standardy branżowe wyznaczają jasne limity. Na przykład norma IEC 60076-11 wymaga, aby przy 1,1-krotnym napięciu znamionowym poziomy WNZ dla transformatorów suchych epoksydowych były mniejsze niż 10 pC dla jednostek poniżej 1000 kVA i mniejsze niż 20 pC dla jednostek powyżej 1000 kVA. Limity te nie są arbitralne — opierają się na wieloletnich danych terenowych pokazujących, że wyładowania niezupełne powyżej tych poziomów prowadzą do uszkodzenia izolacji w ciągu 10 do 15 lat, podczas gdy jednostki z wyładowaniami niezupełnymi poniżej tych wartości mają żywotność ponad 30 lat.

Jak więc radzi sobie nasz zespół przyTransformator suchy z żywicy epoksydowejzaprojektować nasze urządzenia do kontroli wyładowań niezupełnych i czego należy szukać u dostawcy? Po pierwsze, używamy wysokiej jakości żywicy epoksydowej bisfenol-A o wysokiej temperaturze zeszklenia (Tg) wynoszącej 155°C, co oznacza, że ​​nie mięknie ani nie powoduje mikropęknięć nawet w wysokich temperaturach pracy. Po drugie, nasz proces VPI przebiega pod ciśnieniem 10 militorów, czyli 10 razy większej próżni niż stosowana przez wielu tanich dostawców – eliminuje to 99,9% pustych przestrzeni wewnątrz powłoki epoksydowej. Po trzecie, po wyprodukowaniu każde urządzenie przechodzi 72-godzinny test cyklu termicznego, podczas którego podgrzewamy urządzenie do 120°C, schładzamy do -10°C i przeprowadzamy 10-krotny cykl, aby symulować wahania temperatury w świecie rzeczywistym. Testujemy PD na każdym etapie tego procesu, aby mieć pewność, że naprężenia termiczne nie utworzą nowych pustek ani nie pękną żywicy epoksydowej. Wreszcie, zapewniamy wsparcie w zakresie testów WNZ na miejscu dla wszystkich naszych jednostek, niezależnie od tego, czy są zainstalowane wewnątrz, na zewnątrz, czy jako transformatory pomocnicze w podstacjach — nasz zespół współpracuje z Twoim harmonogramem konserwacji, aby przeprowadzić testy poza godzinami pracy, dzięki czemu nie musisz przerywać pracy na długi czas.

Wróćmy do przykładu prawdziwego klienta, aby połączyć to wszystko w całość. W zeszłym roku współpracowaliśmy z dużym zakładem produkcyjnym, w którym co 3 lata stary, napełniony olejem transformator do zastosowań zewnętrznych ulegał awariom z powodu wyładowań niezupełnych i wycieków oleju. Przeszli na nasz suchy transformator zewnętrzny o mocy 3 MVA z żywicy epoksydowej i po 12 miesiącach pracy przeprowadzone przez nich testy WNZ wykazały poziom zaledwie 7 pC przy napięciu znamionowym — znacznie poniżej limitów branżowych. Zauważyli także niższe koszty utrzymania, brak opłat za utylizację oleju i zgodność z lokalnymi przepisami środowiskowymi, które zakazują stosowania jednostek napełnionych olejem w ich strefie przemysłowej. Kluczem było tutaj zrozumienie charakterystyki WNZ transformatorów epoksydowych: ponieważ zaprojektowaliśmy urządzenie tak, aby zminimalizować puste przestrzenie i chronić żywicę epoksydową przed stresem środowiskowym, ich WNZ utrzymywały się na bezpiecznym poziomie, a przewiduje się, że transformator będzie działał ponad 25 lat w porównaniu z 3-letnią żywotnością poprzednich jednostek.

Dla każdego, kto nadal ocenia transformatory suche epoksydowe, wniosek jest następujący: wyładowania częściowe nie są wadą, której należy się obawiać, ale cechą, którą należy zrozumieć. Zachowanie wyładowań wyładowczych tych jednostek zmienia się w zależności od ich instalacji, jakości produkcji i bieżącej konserwacji — jednostki wewnętrzne charakteryzują się stabilnym, niskim wyładowaniem niezupełnym, jeśli są prawidłowo zainstalowane, jednostki zewnętrzne wymagają ochrony przed obciążeniami środowiskowymi, aby kontrolować wyładowania niezupełne, a transformatory pomocnicze w podstacjach wymagają ekranowania przed zewnętrznymi źródłami wyładowań niezupełnych, aby uniknąć przedwczesnej awarii. Wybierając dostawcę, dla którego priorytetem jest jakość żywic epoksydowych, zaawansowane procesy produkcyjne i proaktywne testy WNZ, otrzymujesz transformator, który zapewnia niezawodną moc o niskiej emisji przez dziesięciolecia.

Jeśli jesteś gotowy, aby zbadać transformatory suche z żywicy epoksydowej do swojego następnego projektu, niezależnie od tego, czy jest to jednostka wewnętrzna dla nowego obiektu, jednostka zewnętrzna dla podstacji, czy transformator pomocniczy dla Twojego systemu elektroenergetycznego, nasz zespół jest tutaj, aby Ci pomóc. Możemy zapewnić dostosowane raporty z testów wyładowań niezupełnych, zalecenia projektowe dla konkretnych zastosowań oraz stałe wsparcie, aby zapewnić, że Twoje urządzenia będą działać z najwyższą wydajnością przez wiele lat. Nie pozwól, aby wyładowania niezupełne pozostały na później — porozmawiajmy o tym, w jaki sposób nasze transformatory mogą spełnić Twoje specyficzne potrzeby.

Referencje

1. IEC 60076-11: Transformatory mocy – Część 11: Transformatory suche, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna, 2018.
2. „Charakterystyka wyładowań częściowych izolacji z żywicy epoksydowej w transformatorach suchych”, IEEE Transactions on Power Delivery, tom. 30, nr 2, kwiecień 2015, s. 768-775.
3. Starzenie się środowiskowe żywic epoksydowych do zastosowań elektrycznych, Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL), 2020.
4. „Wytyczne dotyczące konserwacji transformatorów suchych”, norma Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) C57.12.90, 2015.