Aká je charakteristika čiastočného výboja suchého transformátora z epoxidovej živice?

Ak ste technickým inžinierom, manažérom závodu alebo profesionálom v oblasti elektrickej infraštruktúry s možnosťami váhových transformátorov, takmer určite ste sa stretli s transformátormi suchého typu z epoxidovej živice – sú ťahúňmi modernej distribúcie energie s nízkymi emisiami pre vnútorné, vonkajšie a priemyselné použitie. Ale pre každého, kto špecifikuje tieto jednotky, čiastočné vybitie (PD) je nespornou charakteristikou, ktorú treba pochopiť. Na rozdiel od transformátorov naplnených olejom, kde je PD často absorbovaný a maskovaný minerálnym olejom, transformátory epoxidového suchého typu sa spoliehajú na pevnú epoxidovú izoláciu, vďaka čomu je PD oveľa viditeľnejšou, účinnejšou a merateľnejšou vlastnosťou, ktorá priamo súvisí so spoľahlivosťou, životnosťou a zhodou s globálnymi elektrickými normami.

Ako dodávateľ zameraný výhradne na transformátory suchého typu z epoxidovej živice (môžete preskúmať náš celý sortiment pre každú aplikáciuTransformátor suchého typu na báze epoxidovej živice), Strávil som roky prácou s klientmi, aby som rozdelil PD nie ako vágny technický termín, ale ako konkrétnu vlastnosť, ktorá formuje výkon týchto jednotiek v reálnych podmienkach. Poďme sa ponoriť do toho, čo je PD, ako sa správa v epoxidovej izolácii, aké jedinečné vlastnosti odlišujú tieto transformátory a prečo vám venovanie pozornosti PD môže dlhodobo ušetriť tisíce prestojov a nákladov na výmenu.

Najprv definujme čiastočný výboj v jednoduchých termínoch (žiadne príliš žargónové veci, sľubujem). PD je malý, lokalizovaný elektrický výboj, ktorý len čiastočne premosťuje izoláciu medzi dvoma vodičmi. Predstavte si to ako malú, krátkotrvajúcu iskru, ktorá sa vyskytuje v pevnom epoxide, na rozhraní medzi epoxidom a inými materiálmi, alebo dokonca zachytená vo vnútri mikroskopických vzduchových vreciek v samotnej živici. Nie je to úplný oblúk (čo by spôsobilo katastrofálne zlyhanie), ale je to progresívny problém – tieto mikrovýboje časom narušujú epoxidovú izoláciu, vytvárajú drobné trhlinky a oslabujú celkovú izolačnú štruktúru. Pre epoxidové transformátory suchého typu je PD obzvlášť kritický, pretože neexistuje žiadny olej na uhasenie alebo zadržiavanie týchto iskier, takže ich charakteristiky sú úplne závislé od kvality epoxidového výlisku a konštrukcie jednotky.

Prečo je epoxidová izolácia taká odlišná od iných typov, pokiaľ ide o PD? Epoxidová živica je termosetový polymér, čo znamená, že vytvrdzuje do tuhého pevného bloku, a nie zostáva tekutý ako olej. Väčšina transformátorov suchého epoxidového typu je skonštruovaná procesom vákuovej tlakovej impregnácie (VPI), kde je celá cievka zapuzdrená v epoxide pod nízkym tlakom, aby sa eliminovali vzduchové bubliny – ale ani ten najkvalitnejší proces VPI nedokáže odstrániť všetky mikrodutiny a v priebehu času môže environmentálny stres (kolísanie teploty, vlhkosť, mechanické vibrácie) vytvoriť nové medzery alebo oslabiť spojenie medzi epoxidovým a medeným vinutím. Tieto dutiny sa stávajú primárnymi miestami pre iniciáciu PD, pretože vzduch má oveľa nižšiu dielektrickú pevnosť ako pevný epoxid. Akonáhle aplikované napätie dosiahne prah (nazývaný počiatočné napätie), elektrické pole vo vnútri dutiny sa stane dostatočne silným na to, aby ionizovalo vzduch a vytvorilo čiastočný výboj.

Aké sú teda kľúčové charakteristiky čiastočného výboja špecifické pre transformátory suchého typu z epoxidovej živice a ako sa prejavujú v rôznych inštaláciách? Poďme si to rozobrať podľa najbežnejších aplikácií, na ktoré naši klienti používajú naše jednotky, pretože správanie PD sa mení podľa toho, kde je transformátor nainštalovaný.

Po prvé, vnútorné transformátory suchého typu – používané pre kancelárske budovy, nemocnice, dátové centrá a výrobné zariadenia (môžete si pozrieť našu vnútornú raduVnútorný suchý transformátor). Vnútorné prostredie je vo všeobecnosti kontrolované: stabilná teplota, nízka vlhkosť a žiadne priame vystavenie prachu alebo počasiu. Pre vnútorné epoxidové transformátory sú charakteristiky PD definované dvoma hlavnými faktormi: počiatočné úrovne PD pri testovaní vo výrobe a dlhodobá stabilita PD pri normálnom prevádzkovom napätí. Továrenské akceptačné testovanie (FAT) pre tieto jednotky vyžaduje úrovne PD pod 10 pikocoulombov (pC) pri 1,1-násobku menovitého napätia – toto je štandard stanovený IEC 60076-11, globálny štandard pre transformátory suchého typu. Prečo 10 PC? Akékoľvek PD nad touto prahovou hodnotou indikuje buď výrobnú chybu (ako veľká zachytená dutina v epoxide) alebo neúplné vytvrdnutie živice. Vo vnútornom prostredí má PD tendenciu zostať relatívne konzistentné v priebehu času, pokiaľ nedôjde k náhlym prepätiam napätia alebo mechanickému namáhaniu z okolitého zariadenia. Pred niekoľkými rokmi sme mali klienta v kancelárskej budove v centre Chicaga, ktorý počas inštalácie vynechal testovanie PD a po 18 mesiacoch musel vypnúť napájanie celej 10-poschodovej budovy – ukázalo sa, že dutina v epoxide narástla z 2 mm na 8 mm, čo spôsobilo, že hladiny PD vyskočili nad 50 pC, čo viedlo k poruche vinutia. Vnútorné jednotky, aj keď sú chránené, nie sú imúnne – takže vďaka ich charakteristikám PD je pravidelné testovanie PD nemenné.

Ďalej, vonkajšie suché transformátory (preskúmajte našu vonkajšiu radu tuVonkajší suchý transformátor). Používajú sa v rozvodniach, solárnych farmách, úpravniach vody a iných vonkajších inštaláciách, kde sú jednotky vystavené dažďu, extrémnym teplotám, UV žiareniu a nečistotám zo vzduchu (soľ, prach, peľ). Charakteristiky PD sú tu oveľa dynamickejšie ako u vnútorných jednotiek, pretože faktory prostredia priamo ovplyvňujú epoxidovú izoláciu. Napríklad vysoká vlhkosť alebo slabý dážď môžu na povrchu epoxidovej špirály vytvoriť tenkú vodivú vrstvu, ktorá znižuje povrchový izolačný odpor a uľahčuje iniciáciu PD pri nižších napäťových úrovniach. UV žiarenie zo slnka tiež časom narúša molekulárnu štruktúru epoxidu a vytvára drobné povrchové praskliny, ktoré fungujú ako nové miesta pre PD. Testovali sme 2,5 MVA vonkajší epoxidový transformátor nainštalovaný v pobrežnej Texaskej rozvodni, ktorá bola v prevádzke 7 rokov – jeho vstupné napätie PD kleslo o 35 % oproti úrovniam z výroby a jeho prevádzkové úrovne PD sa zvýšili na 18 pC, čo je výrazne nad vnútorným štandardom. Vonkajšie jednotky musia odolať aj bleskovým prepätiam, ktoré môžu vytvárať dočasné prepätia, ktoré spúšťajú PD; zatiaľ čo moderné epoxidové transformátory majú zvodiče prepätia na zmiernenie tohto, opakované prepätia môžu urýchliť rast PD.

Ďalšou bežnou aplikáciou sú pomocné transformátory v rozvodniach – tieto menšie, ale kritické systémy riadenia výkonu jednotiek, čerpadlá a osvetlenie vo vnútri vysokonapäťových rozvodní (viac informácií o našich ponukách pomocných transformátorov nájdete tuPomocný transformátor v rozvodni). Pomocné transformátory majú jedinečné charakteristiky PD, pretože pracujú pri nižšom napätí ako hlavné distribučné transformátory, ale sú umiestnené hneď vedľa vysokonapäťových zariadení, čím sú vystavené čiastočným výbojom zo susedných komponentov (ako sú rozvádzače alebo prípojnice). Tieto krížové výboje sa môžu preniesť na epoxidovú izoláciu pomocného transformátora, čo vedie k tomu, čo sa nazýva „vonkajší vplyv PD“. Na tento účel pravidelne testujeme pomocné transformátory: prevádzkujeme ich pri menovitom napätí pri testovaní susedných vysokonapäťových zariadení na PD a ak sa zistí krížový vplyv, upravíme dizajn epoxidového vinutia (napríklad pridanie tenkej vrstvy povlaku z vysoko dielektrickej živice), aby sa znížil vplyv. Bez toho môžu pomocné transformátory vyvinúť interné PD z externých zdrojov, aj keď ich vlastná epoxidová izolácia je dokonalá.

Teraz si povedzme, čo odlišuje suché transformátory z epoxidovej živice od iných typov transformátorov, pokiaľ ide o PD. Olejom naplnené transformátory majú napríklad PD, ktoré je typicky absorbované minerálnym olejom, takže sa meria inak (v ppm plynu, a nie v pC). Na druhej strane, epoxidový PD je povrchovým a vnútorným javom pevnej izolácie, takže ho možno ľahšie odhaliť pomocou nástrojov na testovanie na mieste – môžete použiť detektor PD, ktorý sa upne okolo svoriek transformátora na meranie výbojov v reálnom čase, čo je obrovská výhoda pre tímy údržby. Ďalšia kľúčová charakteristika: epoxid má oveľa vyššie počiatočné napätie čiastočného výboja (PDIV) ako vzduch, ale jeho PD extinkčné napätie (napätie, pod ktorým sa PD zastaví) je nižšie ako olej. Počkajte, to je dôležitý bod – dovoľte mi to objasniť. PDIV je napätie, pri ktorom začínajú výboje; Zhasínacie napätie PD je miesto, kde sa zastavia. V prípade epoxidu je PDIV vyššie ako vzduch, čo znamená, že na spustenie výbojov je potrebné silnejšie napätie, ako keby bola izolácia vzduchom, ale akonáhle sa výboj začne, je ťažšie ho zastaviť, pretože epoxid neabsorbuje energiu. To je dôvod, prečo je redukcia dutín v epoxide taká kritická – chcete udržať PDIV čo najvyššie a vyhnúť sa situáciám, kedy môže začať výboj a pokračovať.

Ďalšia častá mylná predstava: epoxidové transformátory nedostanú PD, takže ho nemusíte testovať. To jednoducho nie je pravda. Všetka pevná izolácia má určitú úroveň PD, aj keď je minimálna z dobrej výroby. Problémom je, keď PD prekročí prijateľné úrovne, a preto priemyselné normy stanovujú jasné limity. Napríklad IEC 60076-11 vyžaduje, aby pri 1,1-násobku menovitého napätia boli úrovne PD pre epoxidové transformátory suchého typu menšie ako 10 pC pre jednotky pod 1000 kVA a menej ako 20 pC pre jednotky nad 1000 kVA. Tieto limity nie sú ľubovoľné – sú založené na údajoch z rokov, ktoré ukazujú, že PD nad týmito úrovňami vedie k zlyhaniu izolácie v priebehu 10 až 15 rokov, zatiaľ čo jednotky s PD pod týmito limitmi majú životnosť 30+ rokov.

Ako teda náš tím naTransformátor suchého typu na báze epoxidovej živicenavrhnite naše jednotky na riadenie PD a čo by ste mali hľadať u dodávateľa? Najprv používame vysokokvalitnú epoxidovú živicu bisfenol-A s vysokou teplotou skleného prechodu (Tg) 155°C, čo znamená, že nemäkne a nevytvára mikrotrhliny ani pri vysokých prevádzkových teplotách. Po druhé, náš proces VPI beží pri tlaku 10 militorrov, čo je 10x väčšie vákuum, ako používajú mnohí lacnejší dodávatelia – to eliminuje 99,9 % dutín vo vnútri epoxidového náteru. Po tretie, každá jednotka po výrobe prejde 72-hodinovým testom tepelného cyklu, pri ktorom jednotku zahrejeme na 120 °C, ochladíme na -10 °C a 10-krát zacyklíme, aby sme simulovali zmeny teploty v reálnom svete. Testujeme PD v každom kroku tohto procesu, aby sme sa uistili, že tepelné napätie nevytvára nové dutiny alebo nepraská epoxid. Nakoniec poskytujeme podporu pri testovaní PD na mieste pre všetky naše jednotky, či už sú inštalované vo vnútri, vonku alebo ako pomocné transformátory v rozvodniach – náš tím pracuje s vaším plánom údržby na testovanie počas mimopracovných hodín, takže nemusíte odstavovať prevádzku na dlho.

Vráťme sa späť k príkladu skutočného klienta, aby sme to všetko spojili. Minulý rok sme spolupracovali s veľkým výrobným závodom, ktorému každé 3 roky zlyhal starý vonkajší olejový transformátor z dôvodu PD a úniku oleja. Prešli na náš vonkajší transformátor suchého typu 3 MVA z epoxidovej živice a po 12 mesiacoch prevádzky ich testovanie PD ukázalo úrovne iba 7 pC pri menovitom napätí, čo je výrazne pod priemyselnými limitmi. Zaznamenali tiež nižšie náklady na údržbu, žiadne poplatky za likvidáciu oleja a dodržiavanie miestnych environmentálnych predpisov, ktoré zakazujú jednotky naplnené olejom v ich priemyselnej zóne. Kľúčom bolo pochopenie PD charakteristík epoxidových transformátorov: pretože sme navrhli jednotku tak, aby minimalizovala dutiny a chránila epoxid pred environmentálnym stresom, ich PD zostala na bezpečnej úrovni a už sa predpokladá, že transformátor vydrží 25+ rokov v porovnaní s 3-ročnou životnosťou ich predchádzajúcich jednotiek.

Pre každého, kto stále hodnotí epoxidové transformátory suchého typu, z toho vyplýva toto: čiastočné vybitie nie je chyba, ktorej sa treba obávať, ale charakteristika, ktorú treba pochopiť. Správanie PD týchto jednotiek sa mení na základe ich inštalácie, kvality výroby a priebežnej údržby – vnútorné jednotky majú stabilné nízke PD, ak sú správne nainštalované, vonkajšie jednotky vyžadujú ochranu pred environmentálnym stresom, aby udržali PD pod kontrolou, a pomocné transformátory v rozvodniach potrebujú tienenie pred externými zdrojmi PD, aby sa predišlo predčasnému zlyhaniu. Výberom dodávateľa, ktorý uprednostňuje epoxidovú kvalitu, pokročilé výrobné procesy a proaktívne testovanie PD, získate transformátor, ktorý poskytuje spoľahlivú energiu s nízkymi emisiami po celé desaťročia.

Ak ste pripravení preskúmať transformátory suchého typu z epoxidovej živice pre váš ďalší projekt, či už ide o vnútornú jednotku pre nové zariadenie, vonkajšiu jednotku pre rozvodňu alebo pomocný transformátor pre váš energetický systém, náš tím je tu, aby vám pomohol. Môžeme poskytnúť prispôsobené správy o testovaní PD, odporúčania týkajúce sa dizajnu pre konkrétne aplikácie a nepretržitú podporu, aby sme zaistili, že vaše jednotky budú v nadchádzajúcich rokoch fungovať pri špičkovom výkone. Nedovoľte, aby bolo čiastočné vybitie len dodatočným nápadom – poďme diskutovať o tom, ako môžu naše transformátory splniť vaše špecifické potreby.

Referencie

1. IEC 60076-11: Výkonové transformátory - Časť 11: Suché transformátory, Medzinárodná elektrotechnická komisia, 2018.
2. “Partial Discharge Characteristics of Epoxid Resin Insulation in dry-Type Transformers,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 30, č. 2, apríl 2015, s. 768-775.
3. Environmentálne starnutie epoxidových živíc pre elektrické aplikácie, Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu (NREL), 2020.
4. „Pokyny na údržbu transformátorov suchého typu“, norma Inštitútu elektrických a elektronických inžinierov (IEEE) C57.12.90, 2015.