刍议大功率高频高压变压器的试验与故障

朱汇文

摘要：近年来，随着大功率高频高压变压器的广泛应用，其在工业生产中占有越来越重要的作用，直接关系着生产运行的安全性。因此，加强对大功率高频高压变压器故障的诊断研究十分必要。本文通过建立实验平台，对故障变压器进行实验以及录波，同时进行相同规格无故障的变压器的实验，对比分析了故障原因。

关键词：变压器；高频；大功率；高压；试验；故障

一、建立试验平台

根据变压器结构建立一个实验平台，试验平台框图如图1所示。试验平台主要由电路以及控制系统两部分组成。主电路由整流模块部分、滤波模块LC部分、逆变模块部分、变压器及高压整流硅堆部分、限流电阻（R5）、电压采样电阻（R6、R7）以及分压器所组成，详见图2。图中，T1-4表示IGBT器件，C1、D1、D5以及R3表示开关器件T1所具有的缓冲电路。

二、故障现象观察

（一）试验条件的设定

触发信号的频率为18kHz，三相输入线电压为100V，占空比为0.3557，逆变方式为方波逆变（即触发信号T1和T4、T2和T3处于同相位，且两组互差角度为180°），各个新号的脉宽相同。故障变压器的设计参数：输入电压为510V，输出功率为60kW，原副边匝比为7：780，工作频率为20kHz，采用铁基非晶磁芯作为磁芯材料。

（二）故障试验结果

通过分压器测得变压器输出端的实际电压在20.63kV-21.99kV之间，输入电流约为70A。同时，安装开关器件所用的散热器存在微热现象，而开关器件中的缓冲电阻则较热。进行波形采集，得到开关器件T4 的触发信号波形为uT4，并得出变压器的原边输入电压的波形u12，和i3，信号方向见图2。 采用Tek公司生产的TDS3012型示波器将上述波形录制成为excel文件，并经由MATLAB对波形进行复原。

（三）试验结果分析

通过上述测试，可将变压器输出经整流以后的空载电流表示如下：

（1）

其中，Uin表示三相输入电压所具有的线电压， Uout表示高压整流输出电压，n1表示变压器原边绕组匝数，n2表示变压器副边绕组匝数。

当三相输入线电压等于100v时，按照式（1）计算可得Uout等于15.758kV，经分压器测量得出输出端的电压在20.63kV-21.99kV之间，根据故障录波波形（图6（1））可知，直流输出端电压较理论计算值更高，且空载电流较大。此外，电流波形的相位超前实际电压大约90°，且波形表现为严重的畸变和异常尖峰，一个周期内，滤波模块的平均输出功率约为0。

三、变压器的故障分析

（一）变压器的主要结构及其等效电路

变压器的主要绝缘材料包括：绕组的层间绝缘以及匝间绝缘所采用的聚脂薄膜，骨架中所采用的环氧板， 以及绝缘纸板所采用的厚纸板。其中，磁芯是由8块U型磁芯与磁路并联所构成，且整个变压器的芯完全浸泡在相应的变压器油之中。

其中，R1表示原边绕组的电阻，C1表示分布电容，L1s表示漏感。R2-1′表示复变绕组的首个高压线包的电阻，C2-1′表示其分布电容，L2-1′表示其漏感。此外，C12-1则表示原、副变绕组的首个高压线包间的电容值，Lm代表示激磁电感，Rc代表磁芯的损耗电阻。

该变压器具有升压变压器以及绝缘结构，可根据此特点可简化其等效电路。首先，可以将原、副变绕组间的电容归入副边电路中，并可将副边高压线包划为一个等效线包，并合原副边的漏感。

由于高压整流桥臂存在二极管的反向势垒结电容、高压绕组的对地电容、分压器的寄生电容以及杂散电容等，因此，可以将输出端电路等效为一个电阻及一个电容。简化以后的工作电路见图3。其中，Ls代表示变压器的原副边等效漏感，R2′表示其副边等效电阻，C′代表输出的等效电容，C2′则表示总体等效电容，R′代表高压整流的桥臂中分压器的电阻以及反向内阻值。

图3 简化后的工作电路

（二）变压器故障分析

1、气隙原因

可以将气隙长度表示为：

（2）

其中，l5表示气隙长度，Aδ表示磁芯截面积，u0表示空气的磁导率，I1表示原边电流的有效值，f表示激磁电源的频率。

当不考虑磁芯的磁阻时，根据（2）式可算出气隙长度约等于14.34mm。根据变压器的结构可知，变压器吊装时导致气隙为14mm的可能性较小，这与电流波形畸变且存在异常尖峰的现象明显不相符。因此可以判定，空载输入电流变大并不是气隙变大而导致。

2、变压器的分布电容以及绕组绝缘击穿的影响

取相同规格的无故障变压器进行空载试验，同时录制波形，故障及无故障变压器的电流波。

对比分析故障波形及无故障波形，故障变压器测得的电流波形存在严重畸变，且伴有异常的电流尖峰。因此可以判定，变压器的绕组存在绝缘击穿所致的短路故障。根据变压器的结构，可以排除原边绕组匝间短路以及和原、副边绕组被击穿导致短路。因此，高压线包的绝缘被击穿，从而导致副边绕组的某些匝间或者层间短路是导致故障的主要原因之一。

从无故障波形中观察到，空载输入电流仍然比较大，可能由于绕组的分布电容所导致。为解决分布电容对于系统的所造成不利影响，可采取以下三种措施：一是利用分布电容，二是补偿分布电容，三是优化变压器的结构，从而减小分布电容。

四、拆卸验证

拆卸变压器，可观察到故障变压器确实存在副边高压线包绕组绝缘击穿的现象。故障部位一共有3 处，其中，两处为高压线包的层间绝缘被击穿，另一处为高压整流桥以及输出引线发生了断线故障，并于高压下沿面放电。因此，认为导致变压器故障的主要原因是击穿部位的聚脂薄膜之间存在细小气泡，导致局部放电，进而导致绝缘击穿。因此，笔者建议，变压器绝缘材料中含有聚脂薄膜时，应进行等级较高的真空浸油，或则在普通的真空浸油工艺以电缆纸绝缘。同时，还应注意控制高压输出连接端的强度及韧性。

五、结束语

本文通过建立试验平台，结合变压器的结构，得出等效电路并予以简化，并对比分析故障和无故障两台同型变压器的电流波，排除气隙异常导致故障，并得出副边绝缘被击穿而引起短路是变压器故障的主要原因，并在此基础上给出了改善建议，以其为变压器的故障诊断及处理提供参考。

参考文献：

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