空間高可靠高壓變壓器局部放電分析與檢測

孫小平，王 剛

(中國科學院電子學研究所，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

(中國科學院電子學研究所，北京100190)

基于空間用行波管電源高壓變壓器的繞組結構及灌封缺陷，分析了行波管電源高壓變壓器的局部放電機理，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理，檢測系統的構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行，避免了行波管高壓電源在低氣壓下放電的發生。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。

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鍵器件，它產生了行波管工作所需的大部分電極電壓，具有輸出路數多，輸出電壓高(達十幾千伏)，輸入輸出壓差大，體積小，制作工藝復雜的特點。空間用行波管放大器在產品交付前，需通過長達60 h的熱真空實驗，同時空間應用行波管放大器一般要求長壽命，在軌工作十年。依據氣體放電的帕邢定理，高壓在低氣壓條件下會產生放電，在我國空間行波管放大器國產化研制過程中，經統計故障有80%是在熱真空實驗中發生的[1-2]，熱真空實驗故障主要表現為行波管電源在局部低氣壓下產生高壓放電。為避免行波管放大器在低氣壓下產生高壓放電和高壓擊穿的現象，行波管放大器電源高壓變壓器一般采用固體密封方案，使用環氧樹脂、有機硅凝膠或有機硅橡膠將高壓變壓器全真空灌封，灌封過程比較復雜。為了確保灌封質量，剔除灌封不良品，灌封完成后需對高壓變壓器進行灌封缺陷檢測。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度和耐壓能力，對灌封氣泡和雜質的檢測，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理以及局部放電形成的機理，提出將主要用于電力設備和電力變壓器局部放電測試的局部放電檢測法應用于檢測空間行波管高壓電源變壓器的灌封缺陷，剔除灌封缺陷產品，篩選出合格產品，用于電源生產，并進行灌封技術改進。

1 高壓變壓器局部放電的機理及危害

高壓變壓器局部放電的機理是由高壓變壓器的結構決定的。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，次級繞組組數多，多達16組。繞組一般采用層繞法或槽繞法，每個繞組圈數多，繞組之間壓差大(達數十伏至上千伏)，繞組漆包線線徑細(一般小于0.2 mm)，繞組結構復雜。以層繞變壓器為例，由里而外依次是聚四氟或環氧骨架——漆包線——絕緣紙——漆包線——絕緣紙——漆包線的結構，材料成分不單一，有成分不同的有機絕緣材料，也有導電的金屬材料，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，灌封的氣泡模型圖見圖2。上述不同絕緣材料電介質是不均勻的，各個區域承受的電場強度一般也不均勻，這是由于氣體的介電常數比環氧等固體材料的介電常數要小，在交變電場中，電場強度與介電常數成反比，因此，氣泡內部的電場強度首先達到擊穿場強，氣泡開始發生放電，而變壓器中的其它絕緣介質沒有達到擊穿場強，其絕緣性能仍然保持，因此就發生氣泡優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 灌封體內典型氣泡缺陷圖

圖3 介質中的氣泡放電模型

灌封體內部的死空間及微氣泡在地面應用時可能很長時間暴露不出問題，但在空間應用時，由于死空間內外氣壓差，造成空腔內部逐漸對外放氣從而形成局部低氣壓，進而引發高壓放電，表現在行波管放大器研制階段，熱真空實驗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生局部放電，長期持續的局部放電會造成有機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，當變壓器灌封內部有雜質和氣泡時，氣泡可等效于一個小電容C，在高壓電場的作用下，氣泡優先擊穿并電離，并有電流通過檢測系統，進而被檢測出來。

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，國內許多廠家也制造了成套的檢測系統，主要用于電力變壓器型式實驗、出廠實驗和現場離線實驗，IEC和國標對此制定了專門的標準。行波管高壓電源高壓變壓器局部放電機理與電力變壓器局部放電機理相同，局部放電檢測也可以利用脈沖電流法進行檢測。

2.1 局部放電檢測系統構成

圖4是高壓組件局部放電檢測系統原理圖。系統包括調壓器、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。其中調壓器用于調節系統實驗電壓，隔離濾波器用于濾除電網干擾，無局放變壓器用于產生所需的實驗電壓，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成的局部放電檢測系統。

圖4 脈沖法測試原理圖

2.2 局部放電檢測系統測試基本原理

高壓變壓器的局部放電測量采用脈沖電流法中的并聯法。如圖4，試品產生一次局部放電時，試品Cc兩端產生瞬時的電壓變化Δ，經過一耦合電容耦合到檢測阻抗，回路中會產生一脈沖電流，將此脈沖電流經檢測阻抗產生的脈沖電壓進行采樣、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。

2.3 高壓變壓器局部放電測量的基本方法

2.3.1 測試前的準備

測試前保證變壓器干燥、清潔，并應與周圍的環境溫度一致。

2.3.2 校準

以測試校正方波發生器10 PC時的放電量信號幅度為例說明，打開及校正方波發生器開關，將放電量調至至10 PC處，將校正方波發生器的輸入端與被測繞組并聯接入測試系統的輸入端，調節局部放電分析儀的“放大器增益粗調”“放大器增益細調”旋鈕，使局放儀放電量顯示也對應10 PC。注意在校正過程中要根據局放儀顯示的放電波形的信噪比適當調節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 測試前系統接線

高壓變壓器副邊繞組多，測試局部放電時，需要進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行測量。將測試結果測試記錄入表1，測試方法如下：

將被測變壓器相應測試繞組與局放系統測試端子連接好。從零緩慢調節調壓器輸出電壓，使無局放變壓器的輸出電壓緩慢升高，當其升高到測試電壓時，在此過程中監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，如無放電現象發生，則在該實驗電壓下工作1 min，測試結束，則此被測繞組認為合格。當在測試過程中，被測件出現放電現象時，記下局部放電分析儀放電量表顯示的放電量，將測試數據記錄入表1。

表1 變壓器局放測試數據記錄表

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，局放測試時實驗電壓加1 000 V，測試時間為1 min。

2.3.3.3 測量判據

對比局放儀背景噪聲，如果被測繞組間不發生放電或放電量≤2 PC，則認為該繞組合格，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果甚至有時使測試無法進行。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，避免尖端放電發生；(2)實驗回路接地采取獨立地線，并與實驗室大地可靠連接；(3)實驗現場周圍的其它設備和物體盡量遠離實驗現場并可靠接地，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)，本測試系統已加；(5)時窗法，時間窗單元控制實驗電壓每一周內脈沖峰值表的工作時間，并在這段工作時間內將示波屏的相應顯示區加亮，用它可以排除固定相位的干擾。

3 測試結果

對行波管電源中兩只用不同環氧材料灌封的高壓變壓器在進行完高壓耐壓測試后進行局部放電測試，結果如圖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。測試數據見表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 局部放電測試系統的改進

由于上述圖所示的局部放電測試系統是主要用于電力系統測試的，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。局部放電測試系統應完全在屏蔽室內使用，對于測試量不大的器件測試，為局放系統建立屏蔽室價格及空間成本較高。經調查，世界著名高壓檢測設備制造商瑞士HAFELY公司生產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，該系統將整個局放測試系統集成在一個機柜內，機柜就充當整個屏蔽室，不需要單獨的屏蔽室，且該系統配置的局部放電測試儀可以進行局部放電量分析，并將局部放電波形及數據上傳至電腦，供設計者進一步分析，同時測試時不需要進行單獨的測試臺，將被測高壓器件直接放入機柜內的測試室接好線即可進行測試。HAFELY公司局部放電測試系統外形見圖8。

圖8 瑞士HAFELY公司局部放電測試系統外形圖

5 結論

本文基于空間行波管放大器電源高壓變壓器的繞組結構及灌封缺陷分析了空間行波管放大器電源高壓變壓器產生局部放電的原因，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量進行檢測，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；根據檢測結果對變壓器灌封材料及灌封工藝進行改進,篩選出的高壓變壓器已用于多個型號項目衛星用空間行波管放大器電源生產，這些行波管放大器已順利通過了熱真空實驗，其中兩個項目上的空間行波管放大器電源已在軌運行兩年，未發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研究[D].天津：天津大學，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，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，主要研究方向為空間用行波管高壓電源以及行波管高壓電源的特種檢測。