По ссылкейойо шиВыбор низковольтных проходников определяет, насколько надежно распределительный трансформатор передает ток от своих внутренних вторичных обмоток к внешним низковольтным цепям, а термическая устойчивость является параметром, который наиболее непосредственно определяет срок службы проходников при длительной нагрузке. Проходная втулка низкого напряжения работает непрерывно в диапазоне токов от примерно 600 А до 5000 А или выше, в зависимости от номинальной мощности трансформатора в кВА, и каждый ампер протекающего тока вызывает нагрев по формуле I²R на границе раздела проводник-изоляция. В отличие от кратковременного замыкания, этот нагрев является постоянным во время нормальной работы, поэтому изоляционный материал должен выдерживать устойчивый рост температуры без размягчения, растрескивания или потери диэлектрической прочности в течение многих лет эксплуатации.
Термическая стабильность характеризует способность изоляционной системы втулки сохранять свои механические и электрические свойства при многократных циклах нагрева и охлаждения. Трансформатор, подверженный ежедневным колебаниям нагрузки — высокой в часы пикового спроса и более низкой в ночное время — подвергает ввод непрерывным термическим циклам, а не воздействию одной фиксированной температуры. Изоляция с низкой термической стабильностью склонна к образованию микротрещин или деформации размеров после многократных циклов, что со временем может нарушить герметичность на стыке ввода со стенкой бака и привести к проникновению влаги.
Выделение тепла в проходнике происходит неравномерно. Наибольшее нагревание наблюдается в области стержня проводника и точек соединения с клеммами, поскольку именно в этих зонах наблюдается наибольшая плотность тока. Данные вводных испытаний вторичных вводов с номинальным напряжением от 1,2 кВ до 3,0 кВ обычно показывают, что при номинальной постоянной нагрузке повышение температуры в области клемм составляет от 30 °C до 55 °C выше температуры окружающей среды, в зависимости от вентиляции, качества затяжки клемм и сечения проводника.
Изоляционный корпус — HTN, пористая смола или фарфор — выполняет функцию как электрического барьера, так и канала отвода тепла. Материал с низкой теплопроводностью удерживает тепло вблизи проводника, ускоряя его старение; материал с плохой согласованностью коэффициентов теплового расширения создаёт риск возникновения трещин от напряжения при циклических нагрузках. Выбор материала и обеспечение термической стабильности — это одно и то же инженерное решение, рассматриваемое с двух точек зрения.
Категории аксессуаров, охватывающие как трансформаторные, так и кабельные интерфейсы, см. на сайте ZeeyiElec аксессуары для трансформаторов и кабельные аксессуары каталоги.
В производстве проходников низкого напряжения преобладают три системы изоляции, каждая из которых имеет свой характерный тепловой профиль, определяющий её пригодность для конкретного применения.
HTN — это стеклоармированный термопласт, который обычно относится к тепловому классу 130 °C (класс B) или выше, что обеспечивает ему высокую стойкость к усталости от термоциклирования. Его коэффициент теплового расширения (CTE) ближе к показателю меди, чем к показателю фарфора, что снижает риск образования трещин под действием напряжений при многократных циклах нагрева и охлаждения.
HTN, как правило, применяется в компактных трансформаторах на опоре с высокой плотностью клемм и ограниченным воздушным потоком для охлаждения, где устойчивость к циклическим нагрузкам имеет большее значение, чем собственная механическая масса.
В пористых смоляных втулках используется корпус из наполненной эпоксидной или полиэфирной смолы, обеспечивающий диэлектрическую прочность примерно от 15 кВ/мм до 20 кВ/мм в зависимости от содержания наполнителя и качества отверждения. Смола хорошо выдерживает умеренные циклы нагрузки, но более чувствительна к длительному воздействию температур, превышающих ее номинальный тепловой класс, чем HTN.
Смола лучше подходит для более стабильных кривых нагрузки — например, для промышленных или коммунальных сетей с предсказуемым суточным спросом — чем для систем с резкими суточными пиками.
Фарфор по-прежнему считается эталоном механической прочности и термической стабильности при длительном воздействии высоких температур, поскольку он не размягчается и не подвергается ползучести, как это может происходить с полимерами в течение десятилетий эксплуатации.
Поскольку его коэффициент теплового расширения ниже, чем у проводника, качество затяжки клемм приобретает еще большее значение — недостаточно затянутые фарфоровые клеммы являются основной причиной появления локальных точек перегрева, причем дополнительный рост температуры в таких случаях иногда превышает 15 °C по сравнению с соединением, затянутым с соблюдением требуемого момента затяжки.
Ниже приводится термическая классификация этих материалов IEC 60085 («Электрическая изоляция. Термическая оценка и обозначение»), в котором определены границы тепловых классов (класс B — 130 °C, класс F — 155 °C, класс H — 180 °C и т. д.) и критерии их присвоения изоляционным материалам и системам.
[Expert Insight]
- Благодаря тому, что коэффициент термического расширения (CTE) материала HTN соответствует коэффициенту термического расширения меди, он является материалом, используемым по умолчанию в установках с высокой частотой циклов, монтируемых на подставках
- Пористая смола подходит для стабильных промышленных нагрузок, но не для резких ежедневных колебаний
- Наибольший риск при эксплуатации фарфора заключается в потере крутящего момента на выходе, а не в самом материале
Проекты, посвящённые оценке вариантов вторичных прокладок, см. на сайте ZeeyiElec Серия низковольтных проходных изоляторов.
Сравнение этих трёх материалов по параметрам термической стабильности позволяет определить, какой из них подходит для данного профиля нагрузки; точные значения следует сверять с техническими паспортами производителя.
| Параметр | ГБ | Пористая смола | Фарфор |
|---|---|---|---|
| Термический класс | ≥130 °C (класс B) | 105–130 °C | Класс тепловой проводимости не определен (неорганический материал) |
| Типичное повышение температуры при номинальной нагрузке | на 30–45 °C выше температуры окружающей среды | на 35–50 °C выше температуры окружающей среды | на 35–55 °C выше температуры окружающей среды |
| Диэлектрическая прочность | 18–25 кВ/мм | 15-20 кВ/мм | 10–15 кВ/мм (через толщину стенки) |
| Устойчивость к термоциклированию | Высокий | Умеренный | Высокий (с механической точки зрения), чувствителен к потере крутящего момента |
| Соответствие CTE меди | Закрыть | Умеренный | Неудовлетворительно — требуется стабильный конечный крутящий момент |
Эти данные рассчитаны при условии непрерывной работы с номинальным током в вентилируемом корпусе; резкие суточные колебания нагрузки создают дополнительную циклическую нагрузку на соединение изоляции с проводником, независимо от материала. Согласованность коэффициентов теплового расширения (CTE) в продукции HTN, как правило, снижает риск образования микротрещин в течение тысяч циклов.
Фарфор хорошо противостоит образованию поверхностных разрядов, однако это полностью зависит от качества монтажа — плохо закреплённый вывод концентрирует тепло и со временем приводит к эрозии поверхности любого материала. Устойчивость смол и HTN к образованию поверхностных разрядов в условиях воздействия тепла и загрязнений в большей степени зависит от состава наполнителя.
Испытания на термическую стойкость для этих классов, как правило, проводятся в соответствии с IEC 60216 серия (Электроизоляционные материалы — Характеристики термостойкости), в которой определена методика испытаний на основе закона Аррениуса, используемая для расчета термического индекса материала и ожидаемого срока службы при заданной рабочей температуре.
См. ZeeyiElec’s Полное руководство по выбору аксессуаров для трансформаторов для проверки соответствующих параметров.
При выборе материала следует исходить из фактического цикла работы трансформатора, а не только из его номинального тока, указанного на заводской табличке — два трансформатора с одинаковым номинальным током могут испытывать совершенно разные тепловые нагрузки в зависимости от колебаний нагрузки.
При стабильной нагрузке в промышленных процессах, работающих вблизи номинальной мощности более 20 часов в сутки, более важную роль играет стабильная тепловая производительность, чем устойчивость к циклическим нагрузкам; пористая смола демонстрирует адекватные характеристики, если повышение температуры остается в пределах диапазона от 105 °C до 130 °C. Для переменной нагрузки на питающие линии в коммерческих или жилых зданиях, при которой номинальная мощность ежедневно колеблется от 40% до 100%, предпочтительнее использовать материал HTN с более близким коэффициентом теплового расширения (CTE) для обеспечения лучшей термической стабильности при циклических нагрузках.
В диапазоне от 600 А до 1500 А все три материала, как правило, работают в пределах допустимых тепловых запасов. При токах выше примерно 2500 А — 5000 А концентрация тепла на клемме становится более чувствительной к качеству материала и соединения, в результате чего проверка момента затяжки клемм становится определяющим фактором надежности.
Фарфор по-прежнему используется в тех случаях, когда долгосрочная стабильность размеров имеет большее значение, чем удобство монтажа — в регионах с высокими температурами окружающей среды или на объектах с ограниченными возможностями технического обслуживания, где ползучесть полимерных материалов или их деградация под воздействием ультрафиолета в течение 20–30-летнего срока службы вызывают большее беспокойство, чем дополнительный вес.
Лабораторные тепловые характеристики рассчитаны с учетом стандартных эталонных условий; фактические условия эксплуатации на объекте редко полностью им соответствуют. Высота над уровнем моря, температура окружающей среды и вентиляция корпуса — все эти факторы влияют на тепловой запас низковольтной проходной втулки.
Установки, расположенные на высоте примерно от 1000 до 1500 м, как правило, требуют снижения номинального тока, поскольку уменьшение плотности воздуха снижает эффективность охлаждения. Длительное пребывание температуры окружающей среды выше 40 °C — что характерно для некоторых регионов Ближнего Востока и Южной Азии — сокращает тепловой запас даже без изменения нагрузки.
Плохо вентилируемые шкафы на опорной платформе могут привести к повышению температуры в зоне клемм на 10–20 °C по сравнению с хорошо вентилируемым шкафом, что сужает запас прочности для материалов, которые и без того находятся на пределе своего теплового класса.
Загрязнение прибрежных зон и промышленных объектов в сочетании с повышенной температурой ускоряет риск распространения загрязнения на любой материал — тепло и загрязнение следует оценивать комплексно, а не по отдельности.
[Expert Insight]
- На высоте свыше 1000–1500 м следует применять поправочный коэффициент, даже если это не указано на заводской табличке
- Вентиляция корпуса может привести к колебаниям температуры на выходе на 10–20 °C
- Рассматривайте загрязнение и тепло как совокупный риск на прибрежных и промышленных объектах
Термическая стабильность, заложенная в сам материал, сохраняется только в том случае, если монтаж соответствует её требованиям. Момент затяжки клемм является наиболее контролируемой переменной — соединения с недостаточным моментом затяжки часто приводят к появлению «горячих точек», температура в которых на 15–25 °C превышает температуру клемм, затянутых с соблюдением надлежащего момента.
Перед монтажом клемм убедитесь, что поверхности проводников не имеют следов окисления, и проверьте момент затяжки в соответствии с диапазоном, указанным производителем — как правило, от 20 Н·м до 45 Н·м для стандартных наконечников низкого напряжения, в зависимости от размера шпильки.
Перед закрытием корпуса проверьте, насколько плотно прилегает уплотнение к стенке резервуара; нарушение герметичности снижает эффективность тепло- и влагоизоляции независимо от качества изоляционного материала.
Термографическое сканирование, проводимое в течение первых недель после ввода в эксплуатацию при типичной нагрузке, позволяет выявить дефекты соединений до того, как они приведут к повреждению изоляции — этот этап неоднократно позволял выявлять проблемы с моментом затяжки или контактом, которые при одном лишь визуальном осмотре остались бы незамеченными.
Если вы подбираете проходные изоляторы низкого напряжения для нового проекта — сравнивая варианты из HTN, полимерной смолы или фарфора с учетом вашего профиля нагрузки и условий на объекте — техническая команда ZeeyiElec может проанализировать данные технического паспорта и условия эксплуатации и порекомендовать подходящую конфигурацию. Связаться с ZeeyiElec для оказания технической поддержки при выборе оборудования и подготовки ответов на запросы предложений.
Когда изоляционная втулка низковольтного оборудования выходит из строя преждевременно, причиной этого зачастую становится выбор материала, термическая устойчивость которого не соответствует фактическим условиям эксплуатации.
Изменение цвета в месте соединения клеммы с проводником на установках, эксплуатируемых в условиях высокой температуры окружающей среды, где изоляционная смола близка к пределу своего теплового класса, как правило, свидетельствует о том, что тепловой запас был исчерпан постепенно, а не в результате единичного сбоя.
Появление следов на ранней стадии в прибрежных зонах или на участках с промышленным загрязнением редко свидетельствует о чисто материальном дефекте — чаще всего это указывает на несоответствие между длиной пути утечки и степенью загрязнения, усугубляемое длительным воздействием высокой температуры.
Появление тонких трещин вблизи места заделки проводника после многократных циклов нагрузки, особенно в тех местах, где коэффициент теплового расширения (CTE) отличается от коэффициента проводника, отличается от трещин, связанных с монтажом, которые возникают в течение первого цикла эксплуатации.
Если неисправности группируются по зонам эксплуатации, а не по производственным партиям, такая закономерность указывает на несоответствие материала условиям эксплуатации, и, как правило, правильным решением является пересмотр технических характеристик — см. ZeeyiElec’s рабочий процесс диагностики отказов в полевых условиях для применения структурированного подхода.
Фарфор часто предпочитают использовать в условиях длительного воздействия высоких температур окружающей среды благодаря его долгосрочной стабильности размеров, хотя HTN также может демонстрировать хорошие эксплуатационные характеристики при условии надлежащей вентиляции и если запас по тепловому классу не полностью исчерпан под воздействием тепла окружающей среды.
Фарфор, как правило, обеспечивает более длительный срок службы в суровых условиях наружной эксплуатации благодаря устойчивости к ультрафиолетовому излучению и ползучести, тогда как HTN демонстрирует сопоставимые характеристики в умеренном климате, поэтому выбор зависит от степени воздействия внешних факторов на объекте.
Установки, расположенные на высоте примерно от 1000 до 1500 метров, как правило, требуют корректировки номинальных характеристик, поскольку снижение плотности воздуха уменьшает эффективность охлаждения, хотя точные значения корректировки зависят от высоты над уровнем моря и конструкции корпуса.
Несоответствие материалов редко становится непосредственной причиной выхода трансформатора из строя, однако длительный перегрев или образование следов изоляции на границе раздела материалов со временем может привести к ухудшению качества соединений.
Клемма, затянутая с недостаточным усилием, обычно видна на тепловизионном снимке в виде локализованной горячей точки, температура которой часто на 15–25 °C превышает температуру окружающих клемм; её следует незамедлительно затянуть в соответствии с техническими требованиями.
Пористая смола способна выдерживать умеренные колебания нагрузки, однако в условиях резких ежедневных скачков тока материал HTN, обладающий более близкими к меди характеристиками теплового расширения, обеспечивает более высокую стойкость к циклическим нагрузкам.
Тепловизионное обследование обычно проводится вскоре после ввода в эксплуатацию, а затем — в соответствии с графиком периодического технического обслуживания; при этом частота проведения таких обследований увеличивается для нагрузок высокой критичности или в загрязнённых средах.
English English
한국어
العربية
Español
हिन्दी
தமிழ்
Deutsch (Sie)
Français
Português do Brasil
Русский