Vad är den partiella urladdningskarakteristiken för en torrtransformator av epoxiharts?

Om du är en specifik ingenjör, anläggningschef eller en professionell elektrisk infrastruktur som väger transformatoralternativ, har du nästan säkert stött på transformatorer av epoxiharts av torr typ – de är arbetshästarna för modern kraftdistribution med låga utsläpp för inomhus, utomhus och industriell användning. Men för alla som specificerar dessa enheter är partiell urladdning (PD) en icke förhandlingsbar egenskap att förstå. Till skillnad från oljefyllda transformatorer, där PD ofta absorberas och maskeras av mineralolja, förlitar sig transformatorer av epoxitorrtyp på solid epoxiisolering, vilket gör PD till en mycket mer synlig, slagkraftig och mätbar egenskap som är direkt kopplad till tillförlitlighet, livslängd och överensstämmelse med globala elektriska standarder.

Som en leverantör fokuserad uteslutande på transformatorer av epoxiharts av torr typ (du kan utforska hela vårt sortiment för varje applikationTransformator av epoxiharts torr typ), Jag har tillbringat år med att arbeta med kunder för att bryta ner PD inte som en vag teknisk term, utan som en konkret egenskap som formar hur dessa enheter presterar i verkliga förhållanden. Låt oss dyka in i vad PD är, hur det beter sig i epoxiisolering, vilka unika egenskaper som skiljer dessa transformatorer åt och varför uppmärksamma PD kan spara tusentals i stillestånd och ersättningskostnader på lång sikt.

Låt oss först definiera partiell urladdning i klartext (inga alltför jargongtunga grejer, jag lovar). PD är en liten, lokaliserad elektrisk urladdning som endast delvis överbryggar isoleringen mellan två ledare. Tänk på det som en liten, kortlivad gnista som uppstår i den fasta epoxin, vid gränssnitten mellan epoxi och andra material, eller till och med fångad inuti mikroskopiska luftfickor i själva hartset. Det är inte en hel båge (vilket skulle orsaka katastrofala fel), men det är ett progressivt problem - med tiden eroderar dessa mikrourladdningar epoxiisoleringen, skapar små sprickor och försvagar den övergripande isoleringsstrukturen. För transformatorer av epoxitorrtyp är PD särskilt kritisk eftersom det inte finns någon olja för att släcka eller innehålla dessa gnistor, så deras egenskaper är helt beroende av kvaliteten på epoxiformningen och enhetens design.

Varför är epoxiisolering så annorlunda än andra typer när det gäller PD? Epoxiharts är en härdplastpolymer, vilket innebär att den härdar till ett styvt, fast block snarare än att förbli flytande som olja. De flesta transformatorer av torr typ av epoxi är byggda med en vakuumtrycksimpregneringsprocess (VPI), där hela spolen är inkapslad i epoxi under lågt tryck för att eliminera luftfickor – men inte ens VPI-processen av högsta kvalitet kan ta bort varenda mikrohålrum, och med tiden kan miljöpåfrestningar (temperatursvängningar, luftfuktighet, mekaniska vibrationer) skapa nya klyftor mellan epoxibindningar eller lindningar. Dessa tomrum blir de primära platserna för PD att initiera, eftersom luft har en mycket lägre dielektrisk styrka än fast epoxi. När den applicerade spänningen når ett tröskelvärde (kallad startspänning), blir det elektriska fältet i ett tomrum tillräckligt starkt för att jonisera luften, vilket skapar den partiella urladdningen.

Så vilka är de viktigaste partiella urladdningsegenskaperna som är specifika för transformatorer av torrtyp av epoxiharts, och hur fungerar de i olika installationer? Låt oss dela upp detta efter de vanligaste applikationerna som våra kunder använder våra enheter till, eftersom PD-beteendet skiftar beroende på var transformatorn är installerad.

Först, inomhustransformatorer av torr typ – som används för kontorsbyggnader, sjukhus, datacenter och tillverkningsanläggningar (du kan kolla vår inomhuslinjeTransformator av torr typ inomhus). Inomhusmiljöer är i allmänhet kontrollerade: stabil temperatur, låg luftfuktighet och ingen direkt exponering för damm eller väder. För inomhus-epoxitransformatorer definieras PD-egenskaper här av två huvudfaktorer: initiala PD-nivåer vid fabrikstestning och långsiktig PD-stabilitet under normal driftspänning. Fabriksacceptanstestning (FAT) för dessa enheter kräver PD-nivåer under 10 picocoulombs (pC) vid 1,1 gånger märkspänningen – detta är en standard som fastställs av IEC 60076-11, den globala standarden för transformatorer av torr typ. Varför 10 st? Varje PD över detta tröskelvärde indikerar antingen ett tillverkningsfel (som ett stort instängt tomrum i epoxin) eller ofullständig härdning av hartset. I inomhusmiljöer tenderar PD att förbli relativt konsekvent över tiden, så länge det inte finns några plötsliga spänningsöverslag eller mekanisk stress från närliggande utrustning. Vi hade en kund i en kontorsbyggnad i centrala Chicago för några år sedan som hoppade över PD-testning under installationen och var tvungen att stänga av hela 10-våningsbyggnadens ström efter 18 månader – det visade sig att ett tomrum i epoxin hade vuxit från 2 mm till 8 mm, vilket fick PD-nivåerna att öka till över 50 pC, vilket ledde till ett lindningsfel. Även om inomhusenheter är skyddade är de inte immuna – så deras PD-egenskaper gör regelbundna PD-tester oförhandlingsbara.

Därefter, utomhustransformatorer av torr typ (utforska vår utomhuslinje härTransformator av torr typ utomhus). Dessa används i transformatorstationer, solgårdar, vattenreningsverk och andra utomhusinstallationer där enheterna utsätts för regn, extrema temperaturer, UV-strålning och luftburna föroreningar (salt, damm, pollen). PD-egenskaperna här är mycket mer dynamiska än inomhusenheter, eftersom miljöfaktorer direkt påverkar epoxiisoleringen. Till exempel kan hög luftfuktighet eller lätt regn skapa ett tunt ledande skikt på epoxispolens yta, vilket sänker ytisoleringsmotståndet och gör det lättare för PD att initiera vid lägre spänningsnivåer. UV-strålning från solen bryter också ner epoxins molekylära struktur med tiden, vilket skapar små ytsprickor som fungerar som nya platser för PD. Vi testade en 2,5 MVA utomhus epoxitransformator installerad i en kustnära Texas-transformatorstation som hade varit i drift i 7 år – dess PD-startspänning hade sjunkit med 35 % från fabriksnivåer och dess drifts-PD-nivåer hade ökat till 18 pC, långt över inomhusstandarden. Utomhusenheter måste också motstå blixtspänningar, vilket kan skapa tillfälliga överspänningar som utlöser PD; medan moderna epoxitransformatorer har överspänningsavledare för att mildra detta, kan upprepade överspänningar påskynda tillväxten av PD.

En annan vanlig applikation är hjälptransformatorer i transformatorstationer – dessa mindre, men kritiska enheters effektstyrsystem, pumpar och belysning inuti högspänningstransformatorstationer (läs mer om våra hjälptransformatorerbjudanden härHjälptransformator i transformatorstation). Hjälptransformatorer har unika PD-egenskaper eftersom de arbetar med en lägre spänning än huvuddistributionstransformatorer, men de är placerade precis bredvid högspänningsutrustning, vilket utsätter dem för partiella urladdningar från intilliggande komponenter (som ställverk eller samlingsskenor). Dessa tvärenhetsurladdningar kan överföras till hjälptransformatorns epoxiisolering, vilket leder till vad som kallas "extern PD-påverkan". Vi testar regelbundet hjälptransformatorer för detta: vi kör dem med märkspänning medan vi testar närliggande högspänningsutrustning för PD, och om korspåverkan upptäcks justerar vi epoxilindningsdesignen (som att lägga till ett tunt lager av högdielektrisk hartsbeläggning) för att minska påverkan. Utan detta kan hjälptransformatorer utveckla intern PD från externa källor, även om deras egen epoxiisolering är perfekt.

Låt oss nu prata om vad som skiljer transformatorer av epoxiharts av torr typ från andra transformatortyper när det kommer till PD. Oljefyllda transformatorer, till exempel, har PD som vanligtvis absorberas av mineraloljan, så det mäts annorlunda (i ppm gas, snarare än pC). Epoxi PD, å andra sidan, är ett yt- och inre fenomen av den solida isoleringen, så det är lättare att upptäcka med testverktyg på plats – du kan använda en PD-detektor som klämmer runt transformatorns terminaler för att mäta urladdningar i realtid, vilket är en stor fördel för underhållsteam. En annan viktig egenskap: epoxi har en mycket högre partiell urladdningsinceptionsspänning (PDIV) än luft, men dess PD-släckningsspänning (spänningen under vilken PD stannar) är lägre än olja. Vänta, det är en viktig punkt – låt mig förtydliga det. PDIV är spänningen där urladdningar börjar; PD-släckningsspänningen är där de stannar. För epoxi är PDIV högre än luft, vilket innebär att det krävs en starkare spänning för att utlösa urladdningar än om isoleringen var luft, men när en urladdning väl börjar är det svårare att stoppa eftersom epoxin inte absorberar energin. Det är därför det är så viktigt att minska tomrum i epoxin – du vill hålla PDIV så hög som möjligt och undvika situationer där en urladdning kan börja och fortsätta.

En annan vanlig missuppfattning: epoxitransformatorer får inte PD, så du behöver inte testa för det. Det är helt enkelt inte sant. All solid isolering har en viss nivå av PD, även om den är minimal från bra tillverkning. Problemet är när PD överskrider acceptabla nivåer, varför industristandarder sätter tydliga gränser. Till exempel kräver IEC 60076-11 att vid 1,1 gånger märkspänningen är PD-nivåerna för transformatorer av torr epoxityp mindre än 10 pC för enheter under 1000 kVA och mindre än 20 pC för enheter över 1000 kVA. Dessa gränser är inte godtyckliga – de är baserade på år av fältdata som visar att PD över dessa nivåer leder till isoleringsfel inom 10 till 15 år, medan enheter med PD under dessa gränser har en livslängd på 30+ år.

Så hur gör vårt team påTransformator av epoxiharts torr typdesigna våra enheter för att kontrollera PD, och vad ska du leta efter hos en leverantör? Först använder vi ett högkvalitativt bisfenol-A-epoxiharts med en hög glastemperatur (Tg) på 155°C, vilket innebär att det inte mjuknar eller utvecklar mikrosprickor ens vid höga driftstemperaturer. För det andra körs vår VPI-process med ett tryck på 10 millitorr, vilket är 10 gånger mer vakuum än vad många billiga leverantörer använder – detta eliminerar 99,9 % av tomrum inuti epoxibeläggningen. För det tredje genomgår varje enhet ett 72-timmars termiskt cykeltest efter tillverkning, där vi värmer enheten till 120°C, kyler den till -10°C och cyklar den 10 gånger för att simulera verkliga temperatursvängningar. Vi testar PD i varje steg av denna process för att säkerställa att termisk stress inte skapar nya tomrum eller spricker epoxin. Slutligen tillhandahåller vi stöd för PD-testning på plats för alla våra enheter, oavsett om de är installerade inomhus, utomhus eller som hjälptransformatorer i transformatorstationer – vårt team arbetar med ditt underhållsschema för att testa under öppettider, så att du inte behöver stänga av verksamheten länge.

Låt oss gå tillbaka till ett verkligt klientexempel för att knyta ihop allt detta. Förra året arbetade vi med en stor fabrik som hade en gammal oljefylld utomhustransformator som gick sönder vart tredje år på grund av PD och oljeläckor. De bytte till vår 3 MVA torra utomhustransformator av epoxiharts, och efter 12 månaders drift visade deras PD-test nivåer på bara 7 pC vid märkspänning – långt under industrigränserna. De noterade också lägre underhållskostnader, inga avgifter för bortskaffande av olja och efterlevnad av lokala miljöbestämmelser som förbjuder oljefyllda enheter i deras industrizon. Nyckeln här var att förstå PD-egenskaperna hos epoxitransformatorer: eftersom vi hade designat enheten för att minimera tomrum och skydda epoxin från miljöpåfrestningar, förblev deras PD på säkra nivåer, och transformatorn beräknas redan hålla 25+ år, jämfört med deras tidigare enheters 3-åriga livslängd.

För alla som fortfarande utvärderar transformatorer av torr typ av epoxi är det här: partiell urladdning är inte ett fel att frukta, utan en egenskap att förstå. PD-beteendet för dessa enheter skiftar baserat på deras installation, tillverkningskvalitet och pågående underhåll – inomhusenheter har stabil, låg PD om de installeras på rätt sätt, utomhusenheter kräver skydd från miljöpåfrestningar för att hålla PD i schack, och extra transformatorer i transformatorstationer behöver skärmas från externa PD-källor för att undvika för tidigt fel. Genom att välja en leverantör som prioriterar epoxikvalitet, avancerade tillverkningsprocesser och proaktiv PD-testning får du en transformator som levererar pålitlig kraft med låga utsläpp i årtionden.

Om du är redo att utforska torra transformatorer av epoxiharts för ditt nästa projekt, oavsett om det är en inomhusenhet för en ny anläggning, en utomhusenhet för en transformatorstation eller en extra transformator för ditt kraftsystem, är vårt team här för att hjälpa dig. Vi kan tillhandahålla skräddarsydda PD-testrapporter, applikationsspecifika designrekommendationer och löpande support för att säkerställa att dina enheter fungerar med toppprestanda i många år framöver. Låt inte partiell urladdning vara en eftertanke – låt oss diskutera hur våra transformatorer kan möta dina specifika behov.

Referenser

1. IEC 60076-11: Krafttransformatorer - Del 11: Transformatorer av torr typ, International Electrotechnical Commission, 2018.
2. "Delvis urladdningsegenskaper hos epoxihartsisolering i torra transformatorer," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 30, nr 2, april 2015, s. 768-775.
3. Miljöåldring av epoxihartser för elektriska tillämpningar, National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2020.
4. "Underhållsriktlinjer för torra transformatorer," Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Standard C57.12.90, 2015.