淺析高壓絕緣油耐壓試驗裝置

　　摘要：絕緣油的絕緣性能試驗一般是采取高壓擊穿，獲取其高壓擊穿電壓值，作為絕緣油的耐壓值。文章講述高壓絕緣油耐壓試驗機設計過程中應該注意的一些問題，包括高壓變壓器的設計，擊穿識別電路的設計，抗干擾問題等。
　　關鍵詞：擊穿；耐壓；絕緣油；放電
　　
　　一、前言
　　
　　絕緣油交流擊穿電壓試驗的原理是：不斷升高交流試驗電壓，直到絕緣油發生擊穿放電，利用電壓崩潰或者電流突然上升作為信號指示，判斷絕緣油是否被擊穿。如被擊穿，則記錄擊穿前的最高電壓值，作為絕緣油的耐壓值。在大多情況下，擊穿電壓的降低是評定絕緣油老化的主要依據。它能明確地回答絕緣油是否需要處理或更換等問題。交流擊穿電壓試驗是一種統計方式的試驗，以多次擊穿電壓的平均值作為絕緣油的絕緣強度。本文介紹在設計交流高壓絕緣油試驗機的過程中遇到的幾個關鍵問題。
　　
　　二、擊穿的識別
　　
　　擊穿識別的目的是為了及時斷開高壓回路，保證絕緣油在擊穿的時候不至于被電離或碳化。擊穿識別可以基于各種原理，所有這些原理都必須能夠辨別真正的擊穿，正確識別擊穿是設計絕緣油耐壓機的關鍵。擊穿識別電路必須不受高壓變壓器局部放電或來自環境的電磁干擾等因素的影響。下面分析二種常見的擊穿識別方法。
　　（一）把電壓崩潰作為電壓擊穿的依據
　　絕緣油在發生擊穿的時候，加在其上的高壓會發生崩潰，我們通過檢測電壓是否崩潰來判斷擊穿是否發生。但是，我們還需要考慮，交流試驗電壓存在過零點，因此純粹對下降到某一電壓水平以下進行擊穿響應是不適當的，簡單的可行的辦法是測量電壓對時間的微分dv/dt，把它作為擊穿的依據，在擊穿的情況下dv/dt比正常的時候要大很多，很容易識別。
　　（二）把高壓側試驗電流的上升作為擊穿的依據
　　由于加在絕緣油上的電壓不斷升高，絕緣油測試極板間的容性電流也不斷增加，一般的情況下，容性電流小于500uA，當高壓側電流突然上升到幾個毫安時，就是擊穿放電的明確信號。
　　但是，為了區別局部放電還是擊穿放電，必須引入附加的時間判斷，在這段時間內絕緣油的電流必須超過預選的界線值，才算是擊穿放電，以便排除誤判。
　　按照定義，局部放電是一種不引起電壓完全崩潰的放電，另外絕緣油中局部放電的持續時間非常短，往往只有幾個微秒，因此如果把同時超過最小時間間隔（例如：大于10us）和最小電流（例如:大于3mA）作為識別擊穿放電的依據，則可以很好的區分局部放電和擊穿放電，只有滿足大于最小時間間隔和大于最小放電電流時，我們才認為是發生了擊穿。適當的選擇這二個參數，就能很好的解決擊穿的識別，得到正確的結果（如圖）。
　　
　　
　　三、高壓變壓器的設計
　　
　　高壓變壓器的設計要考慮下面幾個問題：
　　1、低功耗，便于用電池供電和便攜式設計；
　　2、擊穿發生時，高壓輸出能被迅速切斷；
　　3、高壓變壓器內部要無局放；
　　4、要做好屏蔽，防止電磁干擾。
　　目前大部分的絕緣油耐壓試驗機中的高壓變壓器都是采用C型鐵心，環氧澆注的干式升壓變壓器。這種變壓器的特性比較硬，在擊穿發生的時候，不容易被關斷，即使被強行關斷，變壓器中還會存有比較大的能量，這些能量通過絕緣油釋放，造成絕緣油碳化。
　　我們可以利用諧振原理，來解決上述的問題。也就是說讓高壓變壓器在它的諧振頻率下工作。諧振電路由升壓變壓器的一次繞組構成，配以合適的電容并調整變壓器鐵心的空氣隙，使其能在工頻下諧振。這樣做有三個優點，首先電源只要提供諧振電路的中寄生電阻的損耗，這樣可以很大程度上降低整個儀器的功耗，容易實現用電池供電。第二，使得用逆變電源來驅動升壓變壓器成為可能。利用逆變電源給升壓變壓器供電有很多好處，它可以很容易控制電源的輸出電壓和波形，其輸出波形與電網電壓的質量無關，輸出電壓的調整分辨率也能做到比較高，并且調整起來非常方便。第三，由于升壓變壓器工作于諧振狀態，它的特性很軟。當擊穿發生時，破壞了諧振所需要的條件，電路不再諧振，使得高壓迅速消失，這樣能很好的保護絕緣油不受破壞。
　　
　　四、抗干擾問題
　　
　　絕緣油試驗機一般都有單片機或嵌入式系統及液晶顯示屏，它們安裝的位置都非常靠近高壓變壓器，很容易受到高壓電磁場的干擾。在絕緣油發生擊穿放電的時候，更是干擾嚴重，這些干擾一方面通過電路耦合進入單片機系統，還有通過空間輻射進入。所以，在設計電路的時要充分考慮干擾的影響，我們可以采取下列幾個措施：
　　1、將高壓變壓器表面涂上導電漆，并將導電漆接地，這樣可以防止高壓向電路板放電。
　　2、與高壓變壓器初級連接的導線套上磁環，防止放電時高頻信號通過導線進入逆變器電路。
　　3、逆變電源最好采用分立元件構成，不宜采用集成電路作為功率放大，集成電路功放容易被擊穿而損壞。
　　4、在設計顯示屏電路的時候，要考慮設計為斷電復位，而不是簡單的在復位端加復位信號復位。
　　5、為了保護單片機系統不受干擾，一般都采取光耦隔離的做法，將單片機系統和逆變電源等大功率電路隔離開來。做到不隔離，合理走線，特別是地線。與大功率電路連接的端口，都配上瞬態電壓抑制二極管TVS，這樣可以有效的保護單片機系統。
　　
　　五、結論
　　
　　絕緣油試驗機不僅牽涉到嵌入式系統軟硬件的設計，還要處理好高壓變壓器的設計和制造工藝。特別是如何判別擊穿，如何處理好干擾，如何精確地在放電瞬間采集高壓電壓的有效值，都是需要值得深入研究和探討的。
　　
　　參考文獻：
　　
　　1、Hans-joerg Mat