大功率雷达变压器耐压稳定性设计

吴伟

南京大桥机器有限公司 江苏南京 211101

天气雷达在工作过程中，可能会出现大功率雷达变压器工作不稳定的现象，具体表现为：通电一段时间后，变压器发烫，绝缘强度降低，发射机不能正常工作，甚至烧坏负载，造成雷达工作不稳定。为避免这一现象，须对大功率雷达变压器进行耐压稳定性设计，以提高变压器的工作稳定性，从而提高雷达的可靠性。

1 耐压稳定性设计

大功率雷达变压器脉冲功率264KW，承受着13KV高压的冲击，绝缘系统内部及表面极易产生电晕和爬电，从而导致绝缘损坏，耐压强度降低。

电晕是绝缘系统内部的气隙在高压强电场作用下的放电现象，它对绝缘系统的损坏是渐进的，反复冲击，反复损坏，累积到一定时候，绝缘系统不能承受脉冲高电压，发射机便不能正常工作。造成电晕的原因就是绝缘系统内部存在气隙，具体来说就是变压器灌注的环氧树脂里有气泡。

爬电是电位差大的两极间在爬电距离内产成的飞弧，形成的原因一是两极间电位差大，二是两极间绝缘距离短。当空气潮湿或者两极间绝缘表面上有灰尘时，就会产生飞弧。同电晕一样，爬电对绝缘系统的损坏也是渐进的。

针对这两种情况，大功率雷达变压器作了如下设计：

1.1 采用真空压力灌注

如果变压器采用普通大气灌注，不抽真空，不加压力，搅拌环氧树脂和浇注时产生的大量气泡残留在线圈内，无法排出，使得固化后的环氧树脂内留有大量气隙。当变压器工作电压不高、没有强电场时，气隙不会形成电晕，也不会对变压器的绝缘产生影响。当变压器工作电压足够高，在高压脉冲形成的强电场冲击下，环氧树脂内的气隙极易产生电晕，造成绝缘强度下降。

采用真空压力灌注，通过抽真空和加压力的方式，将环氧树脂混合物充分地渗透到变压器的绝缘介质中去，使绝缘系统内部的气隙减到最少，提高变压器的起晕电压。

在采用真空压力灌注的同时，选择更适用于高压的E39环氧树脂作为灌注材料，进一步提高变压器的绝缘性能。

1.2 层间、组间绝缘采用聚芳酰胺纤维纸

小功率电子变压器通常采用聚酯薄膜作层间及组间绝缘，因其价格便宜，电气性能良好，在工程中应用最为广泛。但其耐电晕性较差，不适用于大功率高压变压器。

由于大功率雷达变压器工作时会发热，高温会导致绝缘材料绝缘强度的下降。绕组层间、组间绝缘材料在高温下仍保持良好的绝缘强度尤其重要。聚芳酰胺纤维纸电气性能和机械性能优良，且具有良好的耐热等级，厚度0.08mm的410可在200℃下长期工作，绝缘强度可达脉冲39kV/mm，并且与环氧树脂有很好的相容性。

因此，大功率雷达变压器选用杜邦公司生产的NOMEX纸T410作绕组层间、组间绝缘。

1.3 优化绕线工艺

（1）绕法：线圈的绕法有平绕法、间绕法、并绕法、自耦式绕法等。通常，小功率电子变压器采用平绕法、间绕法，工艺简单，操作方便。大电流变压器采用并绕法，减少电流的集肤效应，降低损耗。窄脉冲变压器采用自耦式绕法，降低变压器漏感，提高脉冲前沿。功能不同，采用的绕法也不同。

大功率雷达变压器采用初级在内、次级在外的绕法，总的绝缘不变（线包的厚度不变），初、次级间的绝缘层和绝缘距离相对增加。在脉冲高压不变的情况下，初、次级间气隙承受的电场强度降低，电晕的可能性大大减小。

（2）套聚四氟乙烯套管：变压器的引出方式有接线柱、本线、高压端子等。

大功率雷达变压器所有引出线均用本线引出，并用聚四氟乙烯套管套到根部，尽可能减少焊点和露铜部分。在必须的引线焊接处，用粗一号的聚四氟乙烯套管套上，进一步增加耐压强度。即便有气隙，也不易形成飞弧。

（3）调整出头位置：爬电形成的重要原因是两极间电位差大和绝缘距离短。显而易见，解决爬电的方法，一是减小电位差，二是加大绝缘距离。

对于大功率雷达变压器，须满足分系统技术要求，初次级电压是固定值，电位差也是固定值，无法减小。只能从加大绝缘距离上采取措施。又因为系统尺寸要求，变压器外形尺寸也受限制，不能随意加大尺寸，只能在有限的空间里调整。

因此，将大功率雷达变压器引线出头位置进行合理配置，使初次级高压端子1，4分布在两个面上，并隔着铁心，尽量增加爬电距离，降低爬电可能性。

1.4 采用开放式装配

小功率变压器通常采用整体灌注，将铁心、线圈一起装入模具中，形成一个全封闭的环氧树脂结构，耐腐蚀性能强，散热性差。

大功率雷达变压器工作时温升高、热量大，不宜采用整体灌注方式。因此，采用开放式装配，单独灌注线圈，用钢带、底座固定灌注好的线圈和铁心，将铁心露在空气中，有利于散热，降低温度对绝缘材料的损伤。

2 设计验证

根据以上设计，生产了三只变压器（A，B，C）。

首先，进行了抗电强度检测，三只变压器都通过了检测。具体如下：

序号 测试项目 额定值 测试方法 测试结果1 初次级之间 DC20KV 保持1min，应不击穿无飞弧（漏电流0.5mA）通过2 次级对地 DC20KV 通过3 初级对地 DC5KV 通过

然后，进行了通电试验，将变压器A，B，C装入天气雷达发射机，均能正常工作。测试框图和结果如下：

2.1 大功率雷达变压器测试框图

2.2 大功率雷达变压器测试结果

顶降≤25%A 79.5KW 1.06μs 0.06μs 20%B 84.3KW 1.1μs 0.06μs 20%C 80.6KW 1.1μs 0.06μs 20%测试项目及指标测试结果变压器代号脉冲功率≥75KW脉冲宽度1μs±0.1μs前沿≤0.12μs

接着，随机抽取了B做高、低温试验（试验曲线如下图），A和C随箱。试验前后的测试数据均符合技术要求。

随后，通电老化试验7天，天气雷达工作正常，未发生不稳定现象。

最后，对变压器B再进行一次抗电强度检测，指标合格。

综上，大功率雷达变压器耐压稳定性设计通过验证，天气雷达工作稳定可靠。