Факторы, влияющие на повышение температуры в проходных изоляторах низкого напряжения

Что такое повышение температуры в низковольтной проходной втулке и почему это важно

Термический подъём в втулке LV — это повышение температуры по сравнению с температурой окружающей среды, которое возникает в проводнике, на контактных границах раздела и в окружающей изоляции низковольтной проходной втулки при протекании через неё тока нагрузки. Оно обусловлено резистивным (I²R) нагревом в проводнике и шпильке, а также меньшими контактными и диэлектрическими потерями на границах раздела в клеммах — и именно этот фактор с наибольшей вероятностью может сократить срок службы проходной втулки, если его недооценить на этапе разработки технических характеристик.

В отличие от механической неисправности, чрезмерный рост температуры редко приводит к немедленному выходу из строя. Вместо этого он ускоряет старение изоляции, что хорошо задокументировано в литературе по трансформаторам и распределительным устройствам: согласно широко цитируемому инженерному практическому правилу, каждые 8–10 °C устойчивого превышения температуры над номинальным классом изоляции примерно вдвое сокращают её ожидаемый срок службы. Проходная втулка, работающая в течение многих лет при температуре на 15 °C выше расчетной, не выходит из строя в первый же год — она выходит из строя на несколько лет раньше срока, и это часто списывают на “нормальный износ”, а не связывают с решением о выборе размера, принятым на этапе запроса предложений.

В данном руководстве рассматриваются причины повышения температуры в низковольтные вводы, как они проходят испытания и классифицируются, какие факторы, связанные с током и окружающей средой, инженеры должны учитывать при выборе, какие признаки в эксплуатации указывают на наличие проблемы, а также какие практические меры можно принять для устранения неполадок. Низковольтные проходники входят в более широкую аксессуары для трансформаторов категории, а покупатели, которые планируют приобрести полный комплект аксессуаров, могут начать с руководство по выбору принадлежностей для трансформаторов чтобы рассмотреть общий контекст категории, прежде чем перейти к конкретным характеристикам тепловых показателей.

Что вызывает повышение температуры в проходных изоляторах низкого напряжения?

Повышение температуры — это не единичное явление, а совокупность нескольких независимых источников тепла, и если рассматривать его как одно число, становится невозможно определить, какой из них на самом деле является причиной проблемы в конкретной установке.

Резистивные (I²R) потери в проводнике

Основным источником тепла в большинстве низковольтных проходных втулок являются потери I²R в токопроводящем штифте или проводнике: количество выделяемого тепла пропорционально квадрату силы тока, поэтому увеличение нагрузочного тока на 20% может привести к росту резистивного нагрева примерно на 44%, а не на 20%. Поперечное сечение проводника, материал (медь или алюминий) и длина определяют базовое сопротивление, на основе которого рассчитываются эти потери.

Контактные и диэлектрические потери

Контактное сопротивление в местах соединения с болтовыми или обжимными клеммами приводит к локальному нагреву, который не отражается в показаниях температуры проводника в целом — ослабленное или недозатянутое соединение может нагреваться на 20–30 °C сильнее, чем окружающий его корпус проводника, даже если сам проводник находится в пределах номинальных значений. Диэлектрические потери в окружающей изоляции, как правило, невелики при низковольтных уровнях напряжения, но возрастают по мере старения изоляции или проникновения влаги, усугубляя и без того имеющееся резистивное нагревание.

[Мнение эксперта: где на самом деле концентрируется тепло]

• В полевой термографии наиболее распространённым местом появления «горячих точек» являются соединения на клеммах, а не середина проводника
• Для соединений между алюминиевыми и медными клеммами требуется использование биметаллических элементов или антиокислительного состава, чтобы предотвратить долгосрочное изменение контактного сопротивления
• Даже один болт, затянутый с недостаточным усилием, может привести к появлению зоны перегрева, которую проводник надлежащего сечения не сможет компенсировать

Как проводится испытание и определяется класс повышения температуры?

Повышение температуры подтверждается в ходе типовых испытаний, а не принимается на веру на основании расчётов из технического паспорта: втулка подвергается нагрузке при номинальном токе до достижения теплового равновесия (как правило, когда скорость повышения температуры опускается ниже примерно 1 °C в час), после чего измеряется полученное повышение температуры по сравнению с температурой окружающей среды на проводнике, клемме и любых встроенных контрольных точках изоляции.

Соответствующим нормативным документом является МЭК 60137:2017, пункт 4.8 (Максимальные значения температуры и превышение температуры над температурой окружающего воздуха), в котором определены рамки оценки и представления данных о росте напряжения в зависимости от класса изоляции и типа конструкции. Конкретные допустимые пределы роста напряжения варьируются в зависимости от класса изоляции и типа конструкции, поэтому покупателям следует запрашивать проверенные значения роста напряжения именно для их конкретной конструкции вводящего устройства, а не исходить из того, что для всех классов применяется единое значение —.

Стандартные испытания при номинальном токе не всегда точно отражают реальные условия эксплуатации — температура окружающей среды в корпусе, воздушный поток и близлежащие источники тепла (такие как расположенные поблизости выключатели с плавкими предохранителями или переключатели отводов) могут привести к тому, что фактическая рабочая температура превысит значение, указанное в результатах типовых испытаний, поэтому снижение номинальных параметров с учетом реальных условий установки имеет такое же значение, как и сами базовые номинальные параметры.

Какие значения номинального тока и факторы окружающей среды должны учитывать инженеры?

Расчет исключительно на основе номинального тока нагрузки, без учета запаса на влияние условий окружающей среды и корпуса, является наиболее распространенной причиной возникновения проблем с повышением температуры ещё на этапе проектирования, ещё до того, как будет заказана проходная втулка.

Температура окружающей среды и влияние корпуса

Втулка, рассчитанная на температуру окружающей среды 40 °C, будет заметно сильнее нагреваться в невентилируемом корпусе киоска, подверженном воздействию прямых солнечных лучей, где температура воздуха внутри может превышать температуру наружной среды на 10–15 °C. Покупателям следует выбирать характеристики, исходя из ожидаемой внутренней температуры корпуса, а не из средних по региону погодных показателей.

Рост нагрузки и рабочий цикл

Номинальный ток должен учитывать прогнозируемый рост нагрузки в течение всего срока службы трансформатора, а не только текущую подключенную нагрузку — проходная втулка, рассчитанная с нулевым запасом на пиковую нагрузку на сегодняшний день, не оставляет теплового запаса даже при умеренном росте нагрузки. Если режим работы предусматривает регулярные кратковременные перегрузки (что характерно для распределительных сетей с сезонными колебаниями спроса), важное значение приобретает тепловая постоянная проходной втулки: втулка с короткой тепловой постоянной быстрее нагревается при перегрузке, но и быстрее остывает после снижения нагрузки, тогда как более крупная втулка с большей массой реагирует медленнее в обоих направлениях.

[Мнение эксперта: Маржа — не только номинальные показатели]

• Рассчитывайте номинальный ток исходя из прогнозируемой пиковой нагрузки, а не из сегодняшних значений, указанных на заводской табличке
• При указании температурного класса следует учитывать внутреннюю температуру корпуса, а не температуру окружающей среды снаружи
• Запросите у производителя кривую снижения номинальных характеристик с учетом как высоты над уровнем моря, так и температуры окружающей среды, а не по отдельности

Каковы полевые признаки чрезмерного повышения температуры?

Проблемы, связанные с перегревом, редко протекают незаметно. Изменение цвета изоляции вблизи клеммы, слабый, но стойкий запах в месте соединения с вводом или клемма, остающаяся теплой на ощупь даже спустя значительное время после сброса нагрузки, — все это признаки, которые следует тщательно изучить, прежде чем они приведут к отказу. По результатам полевых исследований низковольтных проходных изоляторов наиболее часто выявляемой первопричиной является то, что соединение клеммы никогда не подтягивалось с заданным моментом затяжки после ввода в эксплуатацию — а не производственный дефект самой проходной изоляции.

Контрольный список для диагностики

• Инфракрасная термография в период пиковой нагрузки: сравнение температуры клемм с температурой корпуса проводника и соседних фаз
• Проверка момента затяжки болтовых соединений — ослабление соединения в результате термоциклирования является единственной причиной появления локальных перегревов, которую можно устранить
• Визуальный осмотр на предмет изменения цвета, появления трещинок на поверхности или наличия мелоподобного осадка на изоляции вблизи клеммы
• Анализ истории нагрузок с учетом номинального тока втулки, чтобы убедиться, что у неё по-прежнему имеется запас прочности

Выездные бригады, проводящие более комплексную диагностику, а не ограничивающиеся лишь проверкой терморегулирующих систем, могут воспользоваться ресурсами ZeeyiElec’s рабочий процесс диагностики отказов в полевых условиях в целях применения структурированного подхода, который позволяет одновременно учитывать показатели тепловых, диэлектрических и механических повреждений, а не исследовать каждый из них в отдельности. На объектах, где один и тот же клеммный вывод также служит местом заделки кабеля, тепловые и механические нагрузки на этом соединении следует оценивать вместе с парным кабельные аксессуары, поскольку плохо закрепленный кабельный наконечник может стать непосредственной причиной появления зоны повышенного нагрева, которую ошибочно приписывают проходной втулке.

Как можно снизить тепловой подъем на этапах проектирования и монтажа?

Большинство проблем, связанных с повышением температуры, обусловлены одним из трёх факторов: недостаточным сечением проводника для фактической нагрузки, неправильным затягиванием или обслуживанием клеммных соединений либо корпусом, в котором скапливается тепло, что не было учтено в исходных технических условиях.

Меры по снижению рисков на этапе проектирования

• Укажите сечение проводника с запасом по отношению к расчетному номинальному току, а не по расчетному минимальному значению
• Перед окончательной доработкой смешанного медно-алюминиевого соединения необходимо убедиться в совместимости покрытия клемм и биметаллических крепежных элементов
• Запросите у производителя проверенную кривую роста тока, а не полагайтесь на единственную точечную величину номинального тока

Меры по снижению рисков при установке и техническом обслуживании

• Затяните все соединения клемм с усилием, указанным производителем, и повторно проверьте их после первоначального цикла термической обработки
• Убедитесь, что вентиляция корпуса соответствует расчетным допущениям, принятым при определении класса защиты проходника в условиях окружающей среды
• Следует проводить периодическую инфракрасную термографию критически важных соединений, а не ждать появления видимых признаков неисправности

Часто задаваемые вопросы

Какое повышение температуры считается нормальным для проходника низкого напряжения?

Допустимый рост температуры зависит от класса изоляции и типа конструкции втулки, поэтому единого универсального значения не существует; покупателям следует запрашивать у производителя проверенные значения роста температуры для конкретной конструкции, а не исходить из того, что применимо общее значение.

Насколько температура окружающей среды влияет на номинальный безопасный ток втулки?

Температура окружающей среды напрямую снижает запас безопасности при эксплуатации — если температура внутри корпуса на 10–15 °C превышает температуру наружного воздуха, это фактически сокращает разницу между рабочей температурой и номинальным пределом изоляции, поэтому условия эксплуатации корпуса следует указывать наряду с классом напряжения и тока.

Может ли ослабленное соединение клеммы привести к повышению температуры, даже если проводник выбран правильного сечения?

Да — контактное сопротивление в случае ослабленной или недозатянутой клеммы может привести к образованию локальной зоны перегрева, температура которой на 20–30 °C превышает температуру окружающего проводника, независимо от того, соответствует ли сам проводник требованиям по сечению для данной нагрузки.

Как часто следует проверять повышение температуры после монтажа?

Большинство операторов сочетают проведение инфракрасной термографии в периоды пиковой нагрузки с периодическими профилактическими осмотрами; точные интервалы зависят от степени критичности объекта и местной политики энергокомпании в области технического обслуживания, поэтому конкретный график должен составляться в соответствии с собственной программой управления активами оператора.

Повышает ли соединение алюминиевого и медного выводов риск перегрева?

Это возможно, если не используются биметаллические детали или антиокислительные составы — соединения из разнородных металлов более подвержены долгосрочному дрейфу контактного сопротивления, чем соединения из одного и того же металла, и эта проблема усугубляется при многократных термоциклах.

Является ли более высокий номинальный ток всегда более безопасным выбором при подборе проходной втулки?

Не обязательно с точки зрения затрат или соответствия требованиям, но расчет с запасом по сравнению с прогнозируемой пиковой нагрузкой — а не на основе рассчитанного минимума — как правило, является более безопасным подходом с точки зрения долгосрочной тепловой эффективности, поскольку это обеспечивает запас мощности по мере роста нагрузки в течение срока службы трансформатора.