某高頻變壓器匝間絕緣降低的故障分析及測試原理介紹

向濤峰

【摘要】隨著頻率的增加，集膚效應增加了高頻變壓器工作時的溫升，由此帶來了匝間絕緣性能降低的風險。匝間耐壓測試儀采用直接浪涌沖擊法，可以方便的測試高頻變壓器的絕緣性能是否良好。以某設備中使用的高頻變壓器為例，闡述了相關分析測試方法，并對改進前后的變壓器匝間絕緣性能進行了對比試驗分析。

【關鍵詞】集膚效應；匝間耐壓測試儀；直接浪涌沖擊法

1.引言

隨著科學技術的不斷發展，高頻化和高功率密度化已成為電子世界的研究方向和發展趨勢。變壓器是一種重要的電子器件，被廣泛的運用于民用和軍用領域。在很多設備中，高頻變壓器被廣泛運用，并且隨著頻率和功率的不斷提高，其對系統的性能產生影響也日益重要。隨著工作頻率的升高，集膚效應造成了變壓器能量損耗增加，由此帶來變壓器匝間絕緣降低的風險。運用匝間耐壓測試儀和直接浪涌沖擊法可以方便的測試變壓器匝間絕緣性能是否良好。本文以某設備中使用的高頻變壓器在調試時匝間絕緣降低的故障為例，闡述了相關分析測試方法，為高頻變壓器等磁性器件的設計生產提供了借鑒作用。

2.故障機理分析

帶有高頻變壓器的某設備在調試時發生放電打火故障。經檢測，與高頻變壓器配套使用的高頻功放模塊損壞，具體損壞部位為其中的吸收電阻、MOSFET管和二極管。紅外測溫儀顯示該變壓器線圈溫度達到80℃左右，處于嚴重異常狀態，很可能影響其性能指標，因此初步分析該系統的故障是由于變壓器絕緣性能降低帶來的。

為什么該高頻變壓器在工作時溫度會如此高，怎么去解決這個問題，先要分析集膚效應的影響。集膚效應又叫趨膚效應，當交變電流通過導體時，電流將集中在導體表面流過，這種現象叫集膚效應。由于趨膚效應，載有交流電的輸電線路中導線邊緣的電流密度增大，導線內部的電流密度減小，電流密度在其橫截面上呈不均勻分布，使導線的等效面積減小，產生更多的焦爾熱，即增大了線路的等效電阻[1]。

再聯系式（2），說明高頻時，繞線直徑越大，其損耗越大。因此往往采用多股線并繞來取代同樣面積的單股線，因為這樣增加了導線傳導的總面積。例如，兩股線并聯后，雖然它們的面積和與另一單股線相等，但是其直徑卻為D/（D為并聯前每股線的直徑）。設集膚深度為S，并聯前每股線的環形表層面積為。由于表層厚度只與頻率有關，與繞線直徑無關，并聯后，整個表面面積為2[（D/）S]=DS。這樣并聯后，雖然總的截面積沒變，但導通面積卻是并聯前的倍，即增加了41%[2]。

拆開該故障高頻變壓器，發現它只采用了單股線，因此在調試時它的溫度達到80℃就不難理解了。分析匝間絕緣降低，是因為長期工作在80℃以上高溫環境（溫升60℃）及高頻變壓器上有3000V以上的高電壓等因素。變壓器溫升的原因主要是工作時有較高頻率的諧波分量在因趨膚效應造成變壓器急劇發熱。設計時只考慮了工作頻率，沒有考慮高頻諧波分量的趨膚效應影響，所以只采用了單股漆包線繞制，且設計時只采用了單層絕緣紙。

總之，高頻變壓器存在高頻諧波分量（100kHz以上）及高電壓（3000V以上）的情況下，因趨膚效應及高溫疲勞造成高頻變壓器層間絕緣降低，工作時打火引起電感量突變，從而損壞高頻功放模塊。

通過以上分析也讓我們找到了一條對該高頻變壓器進行設計改進，增強匝間絕緣性能的途徑。即通過采用多股線并繞來取代同樣面積的單股線，重新設計高頻變壓器。

3.繞組匝間耐壓測試原理

然而對故障高頻變壓器的進一步研究中，遇到了如下問題。按照相關技術指標，從外觀檢查、電感量測試、絕緣測試等結果并未發現變壓器有明顯異常，結果表明它仍然是符合相關技術指標的。因此，可以推斷，與普通變壓器徹底損壞情況不同，這次故障中的高頻變壓器只是線圈匝間絕緣降低，在工作時存在打火現象，造成電感量突變而使功放模塊輸出端過電壓，當過電壓超出吸收電阻的負載能力、擊穿吸收電阻的同時，頁損壞MOSFET和二極管。

對于這種絕緣性能非徹底損壞而只是降低的情況，如何去有效測試呢？下面就介紹一種方便直觀的儀器——匝間耐壓測試儀。

匝間絕緣測試有多種方式，目前國際上通用的是直接浪涌沖擊法。該方法以檢測被測品的阻抗對稱平衡情況為基本原理，將具有規定峰值和波前時間的沖擊電壓波，直接施加于同一設計的被測試品線圈和參照品繞組線圈上，利用沖擊電壓在兩者中引起的衰減振蕩波形有否差異來檢測繞組線圈匝間絕緣是否良好[3]。

匝間絕緣測試電路主回路可以簡化為圖2的形式，Uc為高壓變壓器TPL次級電壓，其中TPL、D、C0組成沖擊電壓發生器。可控硅SRC起著高壓開關的作用，R為波頭電阻。圖中L為被測繞組電感，RL是它的電阻，CL為振蕩電容。可控硅SRC的觸發信號與Uc同步。當Uc為正半周時，經二極管D整流向C0充電，直至電容C0上的電壓接近Uc的峰值時觸發電路產生一組觸發脈沖Us，觸發可控硅SRC，可控硅被觸發后，電容C0便通過波頭電阻向被測件繞組放電，于是便產生了衰減波[4]。

經過電路分析可以看出，沖擊電壓前沿與波頭電阻和C有關。被測繞組參數r、L、C的變化都會引起衰減速振蕩的振幅、時間常數的例數和頻率的變化，所以如果匝間短路、開路等問題出現，繞組參數產生變化，通過觀察衰減振蕩波形的變化便可檢測層間、匝間異常。

波形比較一般運用面積比較法、面積差比較法等方法。匝間絕緣測試儀的原理就是通過比較測試波和標準波問的差異來判斷絕緣故障，因此對波形的精確比較分析成為此項測試的關鍵所在[4]。

如圖3為一組通過匝間耐壓測試儀測試的繞組層間絕緣情況的波形。虛線波形為被試件波形，實線波形為參考件波形，兩波形大體一致，說明被測件良好，同一型號的被測件有可能存在輕微的差異，因而兩波形不一定能完全重合。

4.故障變壓器和改進變壓器的測試和試驗對比

通過對新舊變壓器進行匝間耐壓測試和溫升試驗，說明新的高頻變壓器改進效果明顯，解決了該高頻變壓器匝間絕緣降低的故障。將新變壓器裝入設備，進行考核試驗，結果顯示使用情況良好。

5.結束語

本文以某設備中使用的高頻變壓器匝間絕緣降低的故障為例，詳細分析了故障機理，并介紹了一種高效測試變壓器等磁性器件匝間耐壓性能的方法，圓滿解決了該高頻變壓器的故障，為相關領域的研究設計和生產可以提供一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]魯百佐，劉志存.趨膚效應的實驗研究[J].物理測試，2004，4.

[2]Abraham I.Pressman，開關電源設計[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]JB/T 9615—2000，交流低壓電機散嵌繞組匝問試驗方法[S].2001.

[4]孫東凱.匝問耐壓測試儀的波形形成機制和工作原理[J].中國儀器儀表，2000，3：18-21.

[5]方亮，易靈芝，李進澤.繞組匝間絕緣測試研究[J].計算技術與自動化，2010，6：58.