空間高可靠高壓變壓器局部放電分析與檢測

孫小平，王 剛

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京100190)

空間高可靠高壓變壓器局部放電分析與檢測

孫小平，王 剛

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京100190)

基于空間用行波管電源高壓變壓器的繞組結(jié)構(gòu)及灌封缺陷，分析了行波管電源高壓變壓器的局部放電機(jī)理，提出了用脈沖電流法檢測高壓變壓器的局部放電。介紹了局部放電檢測中的脈沖電流法機(jī)理，檢測系統(tǒng)的構(gòu)成以及變壓器局部放電的檢測方法及抗干擾措施。通過局部放電檢測，成功地剔除了有灌封缺陷的高壓變壓器，保證了空間行波管放大器的長壽命運(yùn)行，避免了行波管高壓電源在低氣壓下放電的發(fā)生。最后介紹了一款國外專用于高壓電子元器件局部放電的檢測系統(tǒng)。

空間行波管放大器電源；高壓變壓器；局部放電分析及檢測

空間行波管放大器高壓電源是空間行波管放大器的重要組成部分，高壓變壓器是行波管高壓電源中的關(guān)鍵器件，它產(chǎn)生了行波管工作所需的大部分電極電壓，具有輸出路數(shù)多，輸出電壓高(達(dá)十幾千伏)，輸入輸出壓差大，體積小，制作工藝復(fù)雜的特點(diǎn)。空間用行波管放大器在產(chǎn)品交付前，需通過長達(dá)60 h的熱真空實(shí)驗(yàn)，同時空間應(yīng)用行波管放大器一般要求長壽命，在軌工作十年。依據(jù)氣體放電的帕邢定理，高壓在低氣壓條件下會產(chǎn)生放電，在我國空間行波管放大器國產(chǎn)化研制過程中，經(jīng)統(tǒng)計故障有80%是在熱真空實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的[1-2]，熱真空實(shí)驗(yàn)故障主要表現(xiàn)為行波管電源在局部低氣壓下產(chǎn)生高壓放電。為避免行波管放大器在低氣壓下產(chǎn)生高壓放電和高壓擊穿的現(xiàn)象，行波管放大器電源高壓變壓器一般采用固體密封方案，使用環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅凝膠或有機(jī)硅橡膠將高壓變壓器全真空灌封，灌封過程比較復(fù)雜。為了確保灌封質(zhì)量，剔除灌封不良品，灌封完成后需對高壓變壓器進(jìn)行灌封缺陷檢測。常用的方法是耐壓檢測法，但耐壓測試法主要測試變壓器初次級之間，次級到磁芯之間的絕緣強(qiáng)度和耐壓能力，對灌封氣泡和雜質(zhì)的檢測，耐壓測試法不是十分有效。本文基于高壓變壓器灌封氣泡缺陷形成機(jī)理以及局部放電形成的機(jī)理，提出將主要用于電力設(shè)備和電力變壓器局部放電測試的局部放電檢測法應(yīng)用于檢測空間行波管高壓電源變壓器的灌封缺陷，剔除灌封缺陷產(chǎn)品，篩選出合格產(chǎn)品，用于電源生產(chǎn)，并進(jìn)行灌封技術(shù)改進(jìn)。

1 高壓變壓器局部放電的機(jī)理及危害

高壓變壓器局部放電的機(jī)理是由高壓變壓器的結(jié)構(gòu)決定的。高壓變壓器的電路圖見圖1。由圖1可見，高壓變壓器主要由初級線圈、次級線圈、骨架和磁芯組成，次級繞組組數(shù)多，多達(dá)16組。繞組一般采用層繞法或槽繞法，每個繞組圈數(shù)多，繞組之間壓差大(達(dá)數(shù)十伏至上千伏)，繞組漆包線線徑細(xì)(一般小于0.2 mm)，繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以層繞變壓器為例，由里而外依次是聚四氟或環(huán)氧骨架——漆包線——絕緣紙——漆包線——絕緣紙——漆包線的結(jié)構(gòu)，材料成分不單一，有成分不同的有機(jī)絕緣材料，也有導(dǎo)電的金屬材料，這些材料在灌封過程中對灌封料的附著性、浸潤性不同，加上灌封工藝和灌封材料配置不良，灌封過程中會殘留一些氣泡或雜質(zhì)，灌封的氣泡模型圖見圖2。上述不同絕緣材料電介質(zhì)是不均勻的，各個區(qū)域承受的電場強(qiáng)度一般也不均勻，這是由于氣體的介電常數(shù)比環(huán)氧等固體材料的介電常數(shù)要小，在交變電場中，電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，因此，氣泡內(nèi)部的電場強(qiáng)度首先達(dá)到擊穿場強(qiáng)，氣泡開始發(fā)生放電，而變壓器中的其它絕緣介質(zhì)沒有達(dá)到擊穿場強(qiáng)，其絕緣性能仍然保持，因此就發(fā)生氣泡優(yōu)先擊穿形成局部放電。放電模型圖見圖3。

圖1 行波管電源變壓器原理圖

圖2 灌封體內(nèi)典型氣泡缺陷圖

圖3 介質(zhì)中的氣泡放電模型

灌封體內(nèi)部的死空間及微氣泡在地面應(yīng)用時可能很長時間暴露不出問題，但在空間應(yīng)用時，由于死空間內(nèi)外氣壓差，造成空腔內(nèi)部逐漸對外放氣從而形成局部低氣壓，進(jìn)而引發(fā)高壓放電，表現(xiàn)在行波管放大器研制階段，熱真空實(shí)驗(yàn)因局部低氣壓下的高壓放電故障而無法通過。放大器在空間的長期工作過程中，潛在的微氣泡致使空間行波管放大器的壽命縮短、微氣泡在高壓電場作用下將產(chǎn)生局部放電，長期持續(xù)的局部放電會造成有機(jī)絕緣灌封材料逐漸老化分解，使得相鄰微氣泡壁損壞形成更大的氣隙，進(jìn)而造成更大的局部放電量。隨著局部放電能量的不斷增大，灌封體絕緣性能最終喪失導(dǎo)致高壓組件失效，從而造成空間行波管放大器失效。

2 高壓變壓器的局部放電檢測方法

基于高壓變壓器局部放電的機(jī)理，用局部放電法檢測高壓變壓器的灌封缺陷是一種有效的檢測方法，當(dāng)變壓器灌封內(nèi)部有雜質(zhì)和氣泡時，氣泡可等效于一個小電容C，在高壓電場的作用下，氣泡優(yōu)先擊穿并電離，并有電流通過檢測系統(tǒng)，進(jìn)而被檢測出來。

局部放電檢測方法有超聲波檢測法、脈沖電流法等。其中脈沖電流檢測法是一種最廣泛使用的檢測法，國內(nèi)許多廠家也制造了成套的檢測系統(tǒng)，主要用于電力變壓器型式實(shí)驗(yàn)、出廠實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場離線實(shí)驗(yàn)，IEC和國標(biāo)對此制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)。行波管高壓電源高壓變壓器局部放電機(jī)理與電力變壓器局部放電機(jī)理相同，局部放電檢測也可以利用脈沖電流法進(jìn)行檢測。

2.1 局部放電檢測系統(tǒng)構(gòu)成

圖4是高壓組件局部放電檢測系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)包括調(diào)壓器、隔離濾波器、無局放變壓器、高壓限流電阻、耦合電容、檢測阻抗、局部放電測試儀等部件。其中調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電壓，隔離濾波器用于濾除電網(wǎng)干擾，無局放變壓器用于產(chǎn)生所需的實(shí)驗(yàn)電壓，高壓限流電阻用于限制試品的放電電流，耦合電容用于將試品的放電電流耦合到檢測阻抗，局部放電檢測儀用于測量并顯示來自檢測阻抗的試品放電量。圖5是由武漢國電西高電氣有限公司的GDJF-2008局部放電檢測儀做為局放檢測儀構(gòu)成的局部放電檢測系統(tǒng)。

圖4 脈沖法測試原理圖

2.2 局部放電檢測系統(tǒng)測試基本原理

高壓變壓器的局部放電測量采用脈沖電流法中的并聯(lián)法。如圖4，試品產(chǎn)生一次局部放電時，試品Cc兩端產(chǎn)生瞬時的電壓變化Δ，經(jīng)過一耦合電容耦合到檢測阻抗，回路中會產(chǎn)生一脈沖電流，將此脈沖電流經(jīng)檢測阻抗產(chǎn)生的脈沖電壓進(jìn)行采樣、放大和顯示處理，就可以測定局部放電的視在放電量等參數(shù)。

2.3 高壓變壓器局部放電測量的基本方法

2.3.1 測試前的準(zhǔn)備

測試前保證變壓器干燥、清潔，并應(yīng)與周圍的環(huán)境溫度一致。

2.3.2 校準(zhǔn)

以測試校正方波發(fā)生器10 PC時的放電量信號幅度為例說明，打開及校正方波發(fā)生器開關(guān)，將放電量調(diào)至至10 PC處，將校正方波發(fā)生器的輸入端與被測繞組并聯(lián)接入測試系統(tǒng)的輸入端，調(diào)節(jié)局部放電分析儀的“放大器增益粗調(diào)”“放大器增益細(xì)調(diào)”旋鈕，使局放儀放電量顯示也對應(yīng)10 PC。注意在校正過程中要根據(jù)局放儀顯示的放電波形的信噪比適當(dāng)調(diào)節(jié)放大器窄帶和寬帶頻率選擇鍵，使放電量顯示信噪比最高，校正完成后局放儀各旋鈕保持不動。

2.3.3 測量

2.3.3.1 測試前系統(tǒng)接線

高壓變壓器副邊繞組多，測試局部放電時，需要進(jìn)行所有副邊繞組之間的局部放電測試，以測試變壓器同層不同繞組之間、層與層之間的灌封缺陷。如圖1及表1所示，所有相鄰繞組均要按測試條件要求進(jìn)行測量。將測試結(jié)果測試記錄入表1，測試方法如下：

將被測變壓器相應(yīng)測試?yán)@組與局放系統(tǒng)測試端子連接好。從零緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓，使無局放變壓器的輸出電壓緩慢升高，當(dāng)其升高到測試電壓時，在此過程中監(jiān)測局部放電分析儀放電信號波形及幅度，觀察有無放電波形，如無放電現(xiàn)象發(fā)生，則在該實(shí)驗(yàn)電壓下工作1 min，測試結(jié)束，則此被測繞組認(rèn)為合格。當(dāng)在測試過程中，被測件出現(xiàn)放電現(xiàn)象時，記下局部放電分析儀放電量表顯示的放電量，將測試數(shù)據(jù)記錄入表1。

表1 變壓器局放測試數(shù)據(jù)記錄表

2.3.3.2 測試電壓及測試時間

測試每個繞組所加的測試電壓為該相鄰繞組額定電壓差的2倍，如繞組2、3額定壓差為500 V，局放測試時實(shí)驗(yàn)電壓加1 000 V，測試時間為1 min。

2.3.3.3 測量判據(jù)

對比局放儀背景噪聲，如果被測繞組間不發(fā)生放電或放電量≤2 PC，則認(rèn)為該繞組合格，如果被測變壓器繞組之間放電量不符合上述要求，則認(rèn)為此變壓器不合格。

2.3.3.4 干擾抑制

高壓變壓器局部放電測量中直流局放測量中的局放信號較弱，干擾信號常影響測試結(jié)果甚至有時使測試無法進(jìn)行。為消除或抑制這些干擾，保證測量的可靠性及提高測量的靈敏度須采取以下措施：

(1)把被測變壓器引線焊在局放測試端子上，避免用測試夾子直接夾測試線，這樣可減少連接處的尖端又可避免接觸不良，避免尖端放電發(fā)生；(2)實(shí)驗(yàn)回路接地采取獨(dú)立地線，并與實(shí)驗(yàn)室大地可靠連接；(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場周圍的其它設(shè)備和物體盡量遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場并可靠接地，以防止懸浮放電干擾；(4)在交流和高壓直流電源間加濾波器和隔離變壓器(圖5)，本測試系統(tǒng)已加；(5)時窗法，時間窗單元控制實(shí)驗(yàn)電壓每一周內(nèi)脈沖峰值表的工作時間，并在這段工作時間內(nèi)將示波屏的相應(yīng)顯示區(qū)加亮，用它可以排除固定相位的干擾。

3 測試結(jié)果

對行波管電源中兩只用不同環(huán)氧材料灌封的高壓變壓器在進(jìn)行完高壓耐壓測試后進(jìn)行局部放電測試，結(jié)果如圖6、圖7，圖6為無放電變壓器的局放測試連線及波形圖，圖中黑色有繞組者為被測變壓器；圖7為有放電變壓器的局放測試連線及波形圖，圖中黃色有繞組者為被測變壓器，放電波形及放電量被局放儀完整顯示出來。測試數(shù)據(jù)見表1。由放電量看出圖7的被測變壓器無放電，灌封合格，圖7所示的變壓器繞組3、4之間，繞組4、5之間有放電發(fā)生。

圖6 無放電變壓器的局放測試連線及波形圖

圖7 有放電變壓器的局放測試連線及波形圖

4 局部放電測試系統(tǒng)的改進(jìn)

由于上述圖所示的局部放電測試系統(tǒng)是主要用于電力系統(tǒng)測試的，并不完全適用于像行波管電源高壓變壓器這種電壓范圍在10 kV左右，功率量級在幾百瓦的小功率高壓變壓器的局部放電測試。局部放電測試系統(tǒng)應(yīng)完全在屏蔽室內(nèi)使用，對于測試量不大的器件測試，為局放系統(tǒng)建立屏蔽室價格及空間成本較高。經(jīng)調(diào)查，世界著名高壓檢測設(shè)備制造商瑞士HAFELY公司生產(chǎn)了一臺專用于元器件如高壓變壓器及高壓電容局部放電測試的局放系統(tǒng)，該系統(tǒng)將整個局放測試系統(tǒng)集成在一個機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜就充當(dāng)整個屏蔽室，不需要單獨(dú)的屏蔽室，且該系統(tǒng)配置的局部放電測試儀可以進(jìn)行局部放電量分析，并將局部放電波形及數(shù)據(jù)上傳至電腦，供設(shè)計者進(jìn)一步分析，同時測試時不需要進(jìn)行單獨(dú)的測試臺，將被測高壓器件直接放入機(jī)柜內(nèi)的測試室接好線即可進(jìn)行測試。HAFELY公司局部放電測試系統(tǒng)外形見圖8。

圖8 瑞士HAFELY公司局部放電測試系統(tǒng)外形圖

5 結(jié)論

本文基于空間行波管放大器電源高壓變壓器的繞組結(jié)構(gòu)及灌封缺陷分析了空間行波管放大器電源高壓變壓器產(chǎn)生局部放電的原因，利用電力變壓器基于脈沖電流法的局部放電檢測法對空間行波管放大器電源高壓變壓器灌封質(zhì)量進(jìn)行檢測，篩選出了灌封合格的高壓變壓器，剔除了有灌封缺陷的高壓變壓器；根據(jù)檢測結(jié)果對變壓器灌封材料及灌封工藝進(jìn)行改進(jìn),篩選出的高壓變壓器已用于多個型號項(xiàng)目衛(wèi)星用空間行波管放大器電源生產(chǎn)，這些行波管放大器已順利通過了熱真空實(shí)驗(yàn)，其中兩個項(xiàng)目上的空間行波管放大器電源已在軌運(yùn)行兩年，未發(fā)生低氣壓放電及高壓打火等故障，保證了空間行波管放大器的長壽命。

[1]洪彬.空間用絕緣組件真空灌封技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2011：44-62.

[2]劉華昌，于成龍，冉漢政，等.高壓電容器直流局部放電測試抗干擾的分析[J].高電壓技術(shù)，2005(7)：10-11.

Partial discharge analysis and test of high-voltage transformer in high power supply of STWTA

Based on the composition and the poting defection of High-voltage transformer used in space traveling wave tube amplifier(STWTA),partial discharge(PD)mechanism of High-voltage transformer was analyzed.The partial discharge detection with pulse current method was carried out.The principle of pulse current method of The partial discharge(PD and the constitution of the partial discharge test apparatus was introduced.The test method and the measure of anti-interference of the partial discharge detection in transformer were introduced.This PD test in High-voltage transformer rejected the transformer with potting defection, and the low air discharge of EPC was avoided,making sure that the reliability and long life of the STWTA.

high power supply of STWTA;high-voltage transformer;partial discharge analysis and test

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0642-03

2015-08-29

孫小平(1975—)，男，甘肅省人，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g用行波管高壓電源以及行波管高壓電源的特種檢測。