多倍频感应耐压原理及分析

多倍频感应耐压原理

 

1.引言

变压器线圈的绝缘分为主绝缘和纵绝缘。主绝缘也叫横绝缘是指线圈对它本身以外的其他结构部分的绝缘，包括它对油箱、铁芯、夹件和压板的绝缘，对同一相内其他线圈的绝缘，以及对不同相线圈的绝缘（相间绝缘）。纵绝缘是指线圈本身内部的绝缘。它包括匝间绝缘、层间绝缘、线段间的绝缘等。在外施工频耐压的电气试验中，考验的仅仅是变压器绕组的主绝缘，而随着变压器电压等级的提高、容量的增大，其匝间绝缘变得相对薄弱，但外施加工频耐压的电气试验却无法对变压器纵绝缘进行考验。

感应耐压试验由于采用自激法加压，若试验方法选择合理，变压器的主绝缘和纵绝缘可同时得到检验。考虑到变压器铁芯的磁饱和问题，感应耐压的电源常采用倍频电源，感应耐压因此也叫倍频感应耐压。

2.变压器的绝缘缺陷引起的故障分析

相对于变压器的主绝缘即绕组之间以及绕组与铁芯之间的绝缘，变压器另外有一个重要的绝缘性能指标就是纵绝缘。国家标准和国际电工委员会(IEC)标准中规定的“感应耐压试验”是专门用于检验变压器纵绝缘性能的测试方法之一。

变压器的纵绝缘主要依赖于组内的绝缘介质——漆包线本身的绝缘漆、变压器油、绝缘纸、浸渍漆和绝缘胶等，不同种类的变压器可能包含其中一种或者多种绝缘介质。纵绝缘电介质很难保证100%的纯净度，难免混入固体杂质、气泡或者水分等，生产过程中也会受到不同程度的损伤。变压器工作时的最高场强会集中在这些缺陷处，长期负载运作的温升又会降低绝缘介质的击穿电压，造成局部放电，电介质通过外施变电场吸收的功率即介质损耗会明显增加，导致电介质严重发热，介质电导增大，该部位的大电流也会产生热量，会使电介质的温度继续升高，而温度的升高反过来又会使电介质的电导增加，长期恶性循环，最后导致电介质的热击穿和整个变压器的毁坏。这一故障表现在变压器的特性上就是空载电流和空载功耗显著增加，并且绕组有灼热、飞弧、振动和啸叫等不良现象。可见利用感应耐压试验检测出变压器是否含有纵绝缘缺陷是极其必要的。

3.感应耐压试验的原理

变压器刚出厂时，没有经过长时间恶劣环境的考验，没有外施额定电压和频率的电源作为长期试验，以致绕组匝间和段间的电压不足以达到电介质缺陷处的击穿电压，难以造成这些绝缘缺陷处的放电和击穿，这种存在绝缘故障隐患的变压器与绝缘性能良好的同类变压器的空载电流和空载功耗没有太大的差别，故难以发现这些隐患。

感应耐压给变压器施加两倍额定电压以上的电压，可在纵绝缘缺陷处建立更高更集中的场强，绕组匝间、层间和段间的电压达到并超过电介质缺陷处的击穿电压。感应耐压试验给变压器施加的频率在两倍的额定频率以上，较高的频率又可大大降低固体电介质的击穿电压，使得绝缘缺陷更容易被击穿。感应耐压试验所规定的外加电压的作用时间亦可保证绝缘缺陷的击穿，故感应耐压可以可靠地检测变压器纵绝缘性能的好坏。

感应耐压试验给变压器外加电源的频率之所以在两倍的额定频率以上，是因为变压器的励磁电流i主磁通振幅Øm的特性曲线一般设计在额定频率和额定电压下接近弯曲饱和部分,如图1所示,又因在电源频率不变的情况下，主磁通Øm决定于外加电压U，即：

图1 激励电流与主磁通振幅的关系

U=E=4.44WfØm

其中，U是外加电源电压(V),E是加电绕组的感应电动势(V),f是外加电源频率(Hz),W是加电绕组的匝数(n)。

所以给变压器加两倍额定电压以上的电压必然会导致铁芯严重饱和，主磁通Øm增大，由图1可知，激励电流i会急剧增加，致使变压器发热烧毁；为了使变压器在加两倍压以上时铁芯仍不饱和，需要提高电源的频率至两倍频以上。

感应耐压试验给变压器原边加两倍电压以上和两倍频率以上的电源，变压器的主磁通会使原边和副边同时感应出感应电动势E1和E2，且分别是其额定工作状态下的两倍以上，所以感应耐压试验可以同时对主、副绕组进行纵绝缘性能的测试。当然，也完全可以根据需要从变压器的副边进行测试，所施加的电压应当是变压器额定工作状态下空载电压的两倍以上，频率同样是额定频率的两倍以上。