某高頻變壓器匝間絕緣降低的故障分析及測(cè)試原理介紹

向濤峰

【摘要】隨著頻率的增加，集膚效應(yīng)增加了高頻變壓器工作時(shí)的溫升，由此帶來(lái)了匝間絕緣性能降低的風(fēng)險(xiǎn)。匝間耐壓測(cè)試儀采用直接浪涌沖擊法，可以方便的測(cè)試高頻變壓器的絕緣性能是否良好。以某設(shè)備中使用的高頻變壓器為例，闡述了相關(guān)分析測(cè)試方法，并對(duì)改進(jìn)前后的變壓器匝間絕緣性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析。

【關(guān)鍵詞】集膚效應(yīng)；匝間耐壓測(cè)試儀；直接浪涌沖擊法

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻化和高功率密度化已成為電子世界的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。變壓器是一種重要的電子器件，被廣泛的運(yùn)用于民用和軍用領(lǐng)域。在很多設(shè)備中，高頻變壓器被廣泛運(yùn)用，并且隨著頻率和功率的不斷提高，其對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響也日益重要。隨著工作頻率的升高，集膚效應(yīng)造成了變壓器能量損耗增加，由此帶來(lái)變壓器匝間絕緣降低的風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用匝間耐壓測(cè)試儀和直接浪涌沖擊法可以方便的測(cè)試變壓器匝間絕緣性能是否良好。本文以某設(shè)備中使用的高頻變壓器在調(diào)試時(shí)匝間絕緣降低的故障為例，闡述了相關(guān)分析測(cè)試方法，為高頻變壓器等磁性器件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了借鑒作用。

2.故障機(jī)理分析

帶有高頻變壓器的某設(shè)備在調(diào)試時(shí)發(fā)生放電打火故障。經(jīng)檢測(cè)，與高頻變壓器配套使用的高頻功放模塊損壞，具體損壞部位為其中的吸收電阻、MOSFET管和二極管。紅外測(cè)溫儀顯示該變壓器線(xiàn)圈溫度達(dá)到80℃左右，處于嚴(yán)重異常狀態(tài)，很可能影響其性能指標(biāo)，因此初步分析該系統(tǒng)的故障是由于變壓器絕緣性能降低帶來(lái)的。

為什么該高頻變壓器在工作時(shí)溫度會(huì)如此高，怎么去解決這個(gè)問(wèn)題，先要分析集膚效應(yīng)的影響。集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng)，當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流將集中在導(dǎo)體表面流過(guò)，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)，載有交流電的輸電線(xiàn)路中導(dǎo)線(xiàn)邊緣的電流密度增大，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電流密度減小，電流密度在其橫截面上呈不均勻分布，使導(dǎo)線(xiàn)的等效面積減小，產(chǎn)生更多的焦?fàn)枱幔丛龃罅司€(xiàn)路的等效電阻[1]。

再聯(lián)系式（2），說(shuō)明高頻時(shí)，繞線(xiàn)直徑越大，其損耗越大。因此往往采用多股線(xiàn)并繞來(lái)取代同樣面積的單股線(xiàn)，因?yàn)檫@樣增加了導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)的總面積。例如，兩股線(xiàn)并聯(lián)后，雖然它們的面積和與另一單股線(xiàn)相等，但是其直徑卻為D/（D為并聯(lián)前每股線(xiàn)的直徑）。設(shè)集膚深度為S，并聯(lián)前每股線(xiàn)的環(huán)形表層面積為。由于表層厚度只與頻率有關(guān)，與繞線(xiàn)直徑無(wú)關(guān)，并聯(lián)后，整個(gè)表面面積為2[（D/）S]=DS。這樣并聯(lián)后，雖然總的截面積沒(méi)變，但導(dǎo)通面積卻是并聯(lián)前的倍，即增加了41%[2]。

拆開(kāi)該故障高頻變壓器，發(fā)現(xiàn)它只采用了單股線(xiàn)，因此在調(diào)試時(shí)它的溫度達(dá)到80℃就不難理解了。分析匝間絕緣降低，是因?yàn)殚L(zhǎng)期工作在80℃以上高溫環(huán)境（溫升60℃）及高頻變壓器上有3000V以上的高電壓等因素。變壓器溫升的原因主要是工作時(shí)有較高頻率的諧波分量在因趨膚效應(yīng)造成變壓器急劇發(fā)熱。設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了工作頻率，沒(méi)有考慮高頻諧波分量的趨膚效應(yīng)影響，所以只采用了單股漆包線(xiàn)繞制，且設(shè)計(jì)時(shí)只采用了單層絕緣紙。

總之，高頻變壓器存在高頻諧波分量（100kHz以上）及高電壓（3000V以上）的情況下，因趨膚效應(yīng)及高溫疲勞造成高頻變壓器層間絕緣降低，工作時(shí)打火引起電感量突變，從而損壞高頻功放模塊。

通過(guò)以上分析也讓我們找到了一條對(duì)該高頻變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，增強(qiáng)匝間絕緣性能的途徑。即通過(guò)采用多股線(xiàn)并繞來(lái)取代同樣面積的單股線(xiàn)，重新設(shè)計(jì)高頻變壓器。

3.繞組匝間耐壓測(cè)試原理

然而對(duì)故障高頻變壓器的進(jìn)一步研究中，遇到了如下問(wèn)題。按照相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，從外觀檢查、電感量測(cè)試、絕緣測(cè)試等結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)變壓器有明顯異常，結(jié)果表明它仍然是符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的。因此，可以推斷，與普通變壓器徹底損壞情況不同，這次故障中的高頻變壓器只是線(xiàn)圈匝間絕緣降低，在工作時(shí)存在打火現(xiàn)象，造成電感量突變而使功放模塊輸出端過(guò)電壓，當(dāng)過(guò)電壓超出吸收電阻的負(fù)載能力、擊穿吸收電阻的同時(shí)，頁(yè)損壞MOSFET和二極管。

對(duì)于這種絕緣性能非徹底損壞而只是降低的情況，如何去有效測(cè)試呢？下面就介紹一種方便直觀的儀器——匝間耐壓測(cè)試儀。

匝間絕緣測(cè)試有多種方式，目前國(guó)際上通用的是直接浪涌沖擊法。該方法以檢測(cè)被測(cè)品的阻抗對(duì)稱(chēng)平衡情況為基本原理，將具有規(guī)定峰值和波前時(shí)間的沖擊電壓波，直接施加于同一設(shè)計(jì)的被測(cè)試品線(xiàn)圈和參照品繞組線(xiàn)圈上，利用沖擊電壓在兩者中引起的衰減振蕩波形有否差異來(lái)檢測(cè)繞組線(xiàn)圈匝間絕緣是否良好[3]。

匝間絕緣測(cè)試電路主回路可以簡(jiǎn)化為圖2的形式，Uc為高壓變壓器TPL次級(jí)電壓，其中TPL、D、C0組成沖擊電壓發(fā)生器?？煽毓鑃RC起著高壓開(kāi)關(guān)的作用，R為波頭電阻。圖中L為被測(cè)繞組電感，RL是它的電阻，CL為振蕩電容。可控硅SRC的觸發(fā)信號(hào)與Uc同步。當(dāng)Uc為正半周時(shí)，經(jīng)二極管D整流向C0充電，直至電容C0上的電壓接近Uc的峰值時(shí)觸發(fā)電路產(chǎn)生一組觸發(fā)脈沖Us，觸發(fā)可控硅SRC，可控硅被觸發(fā)后，電容C0便通過(guò)波頭電阻向被測(cè)件繞組放電，于是便產(chǎn)生了衰減波[4]。

經(jīng)過(guò)電路分析可以看出，沖擊電壓前沿與波頭電阻和C有關(guān)。被測(cè)繞組參數(shù)r、L、C的變化都會(huì)引起衰減速振蕩的振幅、時(shí)間常數(shù)的例數(shù)和頻率的變化，所以如果匝間短路、開(kāi)路等問(wèn)題出現(xiàn)，繞組參數(shù)產(chǎn)生變化，通過(guò)觀察衰減振蕩波形的變化便可檢測(cè)層間、匝間異常。

波形比較一般運(yùn)用面積比較法、面積差比較法等方法。匝間絕緣測(cè)試儀的原理就是通過(guò)比較測(cè)試波和標(biāo)準(zhǔn)波問(wèn)的差異來(lái)判斷絕緣故障，因此對(duì)波形的精確比較分析成為此項(xiàng)測(cè)試的關(guān)鍵所在[4]。

如圖3為一組通過(guò)匝間耐壓測(cè)試儀測(cè)試的繞組層間絕緣情況的波形。虛線(xiàn)波形為被試件波形，實(shí)線(xiàn)波形為參考件波形，兩波形大體一致，說(shuō)明被測(cè)件良好，同一型號(hào)的被測(cè)件有可能存在輕微的差異，因而兩波形不一定能完全重合。

4.故障變壓器和改進(jìn)變壓器的測(cè)試和試驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)對(duì)新舊變壓器進(jìn)行匝間耐壓測(cè)試和溫升試驗(yàn)，說(shuō)明新的高頻變壓器改進(jìn)效果明顯，解決了該高頻變壓器匝間絕緣降低的故障。將新變壓器裝入設(shè)備，進(jìn)行考核試驗(yàn)，結(jié)果顯示使用情況良好。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文以某設(shè)備中使用的高頻變壓器匝間絕緣降低的故障為例，詳細(xì)分析了故障機(jī)理，并介紹了一種高效測(cè)試變壓器等磁性器件匝間耐壓性能的方法，圓滿(mǎn)解決了該高頻變壓器的故障，為相關(guān)領(lǐng)域的研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)可以提供一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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