大功率雷達(dá)變壓器耐壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

吳偉

南京大橋機(jī)器有限公司 江蘇南京 211101

天氣雷達(dá)在工作過程中，可能會(huì)出現(xiàn)大功率雷達(dá)變壓器工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：通電一段時(shí)間后，變壓器發(fā)燙，絕緣強(qiáng)度降低，發(fā)射機(jī)不能正常工作，甚至燒壞負(fù)載，造成雷達(dá)工作不穩(wěn)定。為避免這一現(xiàn)象，須對(duì)大功率雷達(dá)變壓器進(jìn)行耐壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，以提高變壓器的工作穩(wěn)定性，從而提高雷達(dá)的可靠性。

1 耐壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

大功率雷達(dá)變壓器脈沖功率264KW，承受著13KV高壓的沖擊，絕緣系統(tǒng)內(nèi)部及表面極易產(chǎn)生電暈和爬電，從而導(dǎo)致絕緣損壞，耐壓強(qiáng)度降低。

電暈是絕緣系統(tǒng)內(nèi)部的氣隙在高壓強(qiáng)電場作用下的放電現(xiàn)象，它對(duì)絕緣系統(tǒng)的損壞是漸進(jìn)的，反復(fù)沖擊，反復(fù)損壞，累積到一定時(shí)候，絕緣系統(tǒng)不能承受脈沖高電壓，發(fā)射機(jī)便不能正常工作。造成電暈的原因就是絕緣系統(tǒng)內(nèi)部存在氣隙，具體來說就是變壓器灌注的環(huán)氧樹脂里有氣泡。

爬電是電位差大的兩極間在爬電距離內(nèi)產(chǎn)成的飛弧，形成的原因一是兩極間電位差大，二是兩極間絕緣距離短。當(dāng)空氣潮濕或者兩極間絕緣表面上有灰塵時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生飛弧。同電暈一樣，爬電對(duì)絕緣系統(tǒng)的損壞也是漸進(jìn)的。

針對(duì)這兩種情況，大功率雷達(dá)變壓器作了如下設(shè)計(jì)：

1.1 采用真空壓力灌注

如果變壓器采用普通大氣灌注，不抽真空，不加壓力，攪拌環(huán)氧樹脂和澆注時(shí)產(chǎn)生的大量氣泡殘留在線圈內(nèi)，無法排出，使得固化后的環(huán)氧樹脂內(nèi)留有大量氣隙。當(dāng)變壓器工作電壓不高、沒有強(qiáng)電場時(shí)，氣隙不會(huì)形成電暈，也不會(huì)對(duì)變壓器的絕緣產(chǎn)生影響。當(dāng)變壓器工作電壓足夠高，在高壓脈沖形成的強(qiáng)電場沖擊下，環(huán)氧樹脂內(nèi)的氣隙極易產(chǎn)生電暈，造成絕緣強(qiáng)度下降。

采用真空壓力灌注，通過抽真空和加壓力的方式，將環(huán)氧樹脂混合物充分地滲透到變壓器的絕緣介質(zhì)中去，使絕緣系統(tǒng)內(nèi)部的氣隙減到最少，提高變壓器的起暈電壓。

在采用真空壓力灌注的同時(shí)，選擇更適用于高壓的E39環(huán)氧樹脂作為灌注材料，進(jìn)一步提高變壓器的絕緣性能。

1.2 層間、組間絕緣采用聚芳酰胺纖維紙

小功率電子變壓器通常采用聚酯薄膜作層間及組間絕緣，因其價(jià)格便宜，電氣性能良好，在工程中應(yīng)用最為廣泛。但其耐電暈性較差，不適用于大功率高壓變壓器。

由于大功率雷達(dá)變壓器工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，高溫會(huì)導(dǎo)致絕緣材料絕緣強(qiáng)度的下降。繞組層間、組間絕緣材料在高溫下仍保持良好的絕緣強(qiáng)度尤其重要。聚芳酰胺纖維紙電氣性能和機(jī)械性能優(yōu)良，且具有良好的耐熱等級(jí)，厚度0.08mm的410可在200℃下長期工作，絕緣強(qiáng)度可達(dá)脈沖39kV/mm，并且與環(huán)氧樹脂有很好的相容性。

因此，大功率雷達(dá)變壓器選用杜邦公司生產(chǎn)的NOMEX紙T410作繞組層間、組間絕緣。

1.3 優(yōu)化繞線工藝

（1）繞法：線圈的繞法有平繞法、間繞法、并繞法、自耦式繞法等。通常，小功率電子變壓器采用平繞法、間繞法，工藝簡單，操作方便。大電流變壓器采用并繞法，減少電流的集膚效應(yīng)，降低損耗。窄脈沖變壓器采用自耦式繞法，降低變壓器漏感，提高脈沖前沿。功能不同，采用的繞法也不同。

大功率雷達(dá)變壓器采用初級(jí)在內(nèi)、次級(jí)在外的繞法，總的絕緣不變（線包的厚度不變），初、次級(jí)間的絕緣層和絕緣距離相對(duì)增加。在脈沖高壓不變的情況下，初、次級(jí)間氣隙承受的電場強(qiáng)度降低，電暈的可能性大大減小。

（2）套聚四氟乙烯套管：變壓器的引出方式有接線柱、本線、高壓端子等。

大功率雷達(dá)變壓器所有引出線均用本線引出，并用聚四氟乙烯套管套到根部，盡可能減少焊點(diǎn)和露銅部分。在必須的引線焊接處，用粗一號(hào)的聚四氟乙烯套管套上，進(jìn)一步增加耐壓強(qiáng)度。即便有氣隙，也不易形成飛弧。

（3）調(diào)整出頭位置：爬電形成的重要原因是兩極間電位差大和絕緣距離短。顯而易見，解決爬電的方法，一是減小電位差，二是加大絕緣距離。

對(duì)于大功率雷達(dá)變壓器，須滿足分系統(tǒng)技術(shù)要求，初次級(jí)電壓是固定值，電位差也是固定值，無法減小。只能從加大絕緣距離上采取措施。又因?yàn)橄到y(tǒng)尺寸要求，變壓器外形尺寸也受限制，不能隨意加大尺寸，只能在有限的空間里調(diào)整。

因此，將大功率雷達(dá)變壓器引線出頭位置進(jìn)行合理配置，使初次級(jí)高壓端子1，4分布在兩個(gè)面上，并隔著鐵心，盡量增加爬電距離，降低爬電可能性。

1.4 采用開放式裝配

小功率變壓器通常采用整體灌注，將鐵心、線圈一起裝入模具中，形成一個(gè)全封閉的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性能強(qiáng)，散熱性差。

大功率雷達(dá)變壓器工作時(shí)溫升高、熱量大，不宜采用整體灌注方式。因此，采用開放式裝配，單獨(dú)灌注線圈，用鋼帶、底座固定灌注好的線圈和鐵心，將鐵心露在空氣中，有利于散熱，降低溫度對(duì)絕緣材料的損傷。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了三只變壓器（A，B，C）。

首先，進(jìn)行了抗電強(qiáng)度檢測，三只變壓器都通過了檢測。具體如下：

序號(hào) 測試項(xiàng)目 額定值 測試方法 測試結(jié)果1 初次級(jí)之間 DC20KV 保持1min，應(yīng)不擊穿無飛弧（漏電流0.5mA）通過2 次級(jí)對(duì)地 DC20KV 通過3 初級(jí)對(duì)地 DC5KV 通過

然后，進(jìn)行了通電試驗(yàn)，將變壓器A，B，C裝入天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)，均能正常工作。測試框圖和結(jié)果如下：

2.1 大功率雷達(dá)變壓器測試框圖

2.2 大功率雷達(dá)變壓器測試結(jié)果

頂降≤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%測試項(xiàng)目及指標(biāo)測試結(jié)果變壓器代號(hào)脈沖功率≥75KW脈沖寬度1μs±0.1μs前沿≤0.12μs

接著，隨機(jī)抽取了B做高、低溫試驗(yàn)（試驗(yàn)曲線如下圖），A和C隨箱。試驗(yàn)前后的測試數(shù)據(jù)均符合技術(shù)要求。

隨后，通電老化試驗(yàn)7天，天氣雷達(dá)工作正常，未發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

最后，對(duì)變壓器B再進(jìn)行一次抗電強(qiáng)度檢測，指標(biāo)合格。

綜上，大功率雷達(dá)變壓器耐壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)通過驗(yàn)證，天氣雷達(dá)工作穩(wěn)定可靠。