朱匯文

摘要：近年來，隨著大功率高頻高壓變壓器的廣泛應(yīng)用，其在工業(yè)生產(chǎn)中占有越來越重要的作用，直接關(guān)系著生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。因此，加強(qiáng)對大功率高頻高壓變壓器故障的診斷研究十分必要。本文通過建立實(shí)驗(yàn)平臺，對故障變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及錄波，同時(shí)進(jìn)行相同規(guī)格無故障的變壓器的實(shí)驗(yàn)，對比分析了故障原因。

關(guān)鍵詞：變壓器；高頻；大功率；高壓；試驗(yàn)；故障

一、建立試驗(yàn)平臺

根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)建立一個實(shí)驗(yàn)平臺，試驗(yàn)平臺框圖如圖1所示。試驗(yàn)平臺主要由電路以及控制系統(tǒng)兩部分組成。主電路由整流模塊部分、濾波模塊LC部分、逆變模塊部分、變壓器及高壓整流硅堆部分、限流電阻（R5）、電壓采樣電阻（R6、R7）以及分壓器所組成，詳見圖2。圖中，T1-4表示IGBT器件，C1、D1、D5以及R3表示開關(guān)器件T1所具有的緩沖電路。

二、故障現(xiàn)象觀察

（一）試驗(yàn)條件的設(shè)定

觸發(fā)信號的頻率為18kHz，三相輸入線電壓為100V，占空比為0.3557，逆變方式為方波逆變（即觸發(fā)信號T1和T4、T2和T3處于同相位，且兩組互差角度為180°），各個新號的脈寬相同。故障變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)：輸入電壓為510V，輸出功率為60kW，原副邊匝比為7：780，工作頻率為20kHz，采用鐵基非晶磁芯作為磁芯材料。

（二）故障試驗(yàn)結(jié)果

通過分壓器測得變壓器輸出端的實(shí)際電壓在20.63kV-21.99kV之間，輸入電流約為70A。同時(shí)，安裝開關(guān)器件所用的散熱器存在微熱現(xiàn)象，而開關(guān)器件中的緩沖電阻則較熱。進(jìn)行波形采集，得到開關(guān)器件T4 的觸發(fā)信號波形為uT4，并得出變壓器的原邊輸入電壓的波形u12，和i3，信號方向見圖2。 采用Tek公司生產(chǎn)的TDS3012型示波器將上述波形錄制成為excel文件，并經(jīng)由MATLAB對波形進(jìn)行復(fù)原。

（三）試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述測試，可將變壓器輸出經(jīng)整流以后的空載電流表示如下：

（1）

其中，Uin表示三相輸入電壓所具有的線電壓， Uout表示高壓整流輸出電壓，n1表示變壓器原邊繞組匝數(shù)，n2表示變壓器副邊繞組匝數(shù)。

當(dāng)三相輸入線電壓等于100v時(shí)，按照式（1）計(jì)算可得Uout等于15.758kV，經(jīng)分壓器測量得出輸出端的電壓在20.63kV-21.99kV之間，根據(jù)故障錄波波形（圖6（1））可知，直流輸出端電壓較理論計(jì)算值更高，且空載電流較大。此外，電流波形的相位超前實(shí)際電壓大約90°，且波形表現(xiàn)為嚴(yán)重的畸變和異常尖峰，一個周期內(nèi)，濾波模塊的平均輸出功率約為0。

三、變壓器的故障分析

（一）變壓器的主要結(jié)構(gòu)及其等效電路

變壓器的主要絕緣材料包括：繞組的層間絕緣以及匝間絕緣所采用的聚脂薄膜，骨架中所采用的環(huán)氧板， 以及絕緣紙板所采用的厚紙板。其中，磁芯是由8塊U型磁芯與磁路并聯(lián)所構(gòu)成，且整個變壓器的芯完全浸泡在相應(yīng)的變壓器油之中。

其中，R1表示原邊繞組的電阻，C1表示分布電容，L1s表示漏感。R2-1′表示復(fù)變繞組的首個高壓線包的電阻，C2-1′表示其分布電容，L2-1′表示其漏感。此外，C12-1則表示原、副變繞組的首個高壓線包間的電容值，Lm代表示激磁電感，Rc代表磁芯的損耗電阻。

該變壓器具有升壓變壓器以及絕緣結(jié)構(gòu)，可根據(jù)此特點(diǎn)可簡化其等效電路。首先，可以將原、副變繞組間的電容歸入副邊電路中，并可將副邊高壓線包劃為一個等效線包，并合原副邊的漏感。

由于高壓整流橋臂存在二極管的反向勢壘結(jié)電容、高壓繞組的對地電容、分壓器的寄生電容以及雜散電容等，因此，可以將輸出端電路等效為一個電阻及一個電容。簡化以后的工作電路見圖3。其中，Ls代表示變壓器的原副邊等效漏感，R2′表示其副邊等效電阻，C′代表輸出的等效電容，C2′則表示總體等效電容，R′代表高壓整流的橋臂中分壓器的電阻以及反向內(nèi)阻值。

圖3 簡化后的工作電路

（二）變壓器故障分析

1、氣隙原因

可以將氣隙長度表示為：

（2）

其中，l5表示氣隙長度，Aδ表示磁芯截面積，u0表示空氣的磁導(dǎo)率，I1表示原邊電流的有效值，f表示激磁電源的頻率。

當(dāng)不考慮磁芯的磁阻時(shí)，根據(jù)（2）式可算出氣隙長度約等于14.34mm。根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)可知，變壓器吊裝時(shí)導(dǎo)致氣隙為14mm的可能性較小，這與電流波形畸變且存在異常尖峰的現(xiàn)象明顯不相符。因此可以判定，空載輸入電流變大并不是氣隙變大而導(dǎo)致。

2、變壓器的分布電容以及繞組絕緣擊穿的影響

取相同規(guī)格的無故障變壓器進(jìn)行空載試驗(yàn)，同時(shí)錄制波形，故障及無故障變壓器的電流波。

對比分析故障波形及無故障波形，故障變壓器測得的電流波形存在嚴(yán)重畸變，且伴有異常的電流尖峰。因此可以判定，變壓器的繞組存在絕緣擊穿所致的短路故障。根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)，可以排除原邊繞組匝間短路以及和原、副邊繞組被擊穿導(dǎo)致短路。因此，高壓線包的絕緣被擊穿，從而導(dǎo)致副邊繞組的某些匝間或者層間短路是導(dǎo)致故障的主要原因之一。

從無故障波形中觀察到，空載輸入電流仍然比較大，可能由于繞組的分布電容所導(dǎo)致。為解決分布電容對于系統(tǒng)的所造成不利影響，可采取以下三種措施：一是利用分布電容，二是補(bǔ)償分布電容，三是優(yōu)化變壓器的結(jié)構(gòu)，從而減小分布電容。

四、拆卸驗(yàn)證

拆卸變壓器，可觀察到故障變壓器確實(shí)存在副邊高壓線包繞組絕緣擊穿的現(xiàn)象。故障部位一共有3 處，其中，兩處為高壓線包的層間絕緣被擊穿，另一處為高壓整流橋以及輸出引線發(fā)生了斷線故障，并于高壓下沿面放電。因此，認(rèn)為導(dǎo)致變壓器故障的主要原因是擊穿部位的聚脂薄膜之間存在細(xì)小氣泡，導(dǎo)致局部放電，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，筆者建議，變壓器絕緣材料中含有聚脂薄膜時(shí)，應(yīng)進(jìn)行等級較高的真空浸油，或則在普通的真空浸油工藝以電纜紙絕緣。同時(shí)，還應(yīng)注意控制高壓輸出連接端的強(qiáng)度及韌性。

五、結(jié)束語

本文通過建立試驗(yàn)平臺，結(jié)合變壓器的結(jié)構(gòu)，得出等效電路并予以簡化，并對比分析故障和無故障兩臺同型變壓器的電流波，排除氣隙異常導(dǎo)致故障，并得出副邊絕緣被擊穿而引起短路是變壓器故障的主要原因，并在此基礎(chǔ)上給出了改善建議，以其為變壓器的故障診斷及處理提供參考。

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