多倍頻感應(yīng)耐壓原理

1.引言

變壓器線圈的絕緣分為主絕緣和縱絕緣。主絕緣也叫橫絕緣是指線圈對(duì)它本身以外的其他結(jié)構(gòu)部分的絕緣，包括它對(duì)油箱、鐵芯、夾件和壓板的絕緣，對(duì)同一相內(nèi)其他線圈的絕緣，以及對(duì)不同相線圈的絕緣（相間絕緣）。縱絕緣是指線圈本身內(nèi)部的絕緣。它包括匝間絕緣、層間絕緣、線段間的絕緣等。在外施工頻耐壓的電氣試驗(yàn)中，考驗(yàn)的僅僅是變壓器繞組的主絕緣，而隨著變壓器電壓等級(jí)的提高、容量的增大，其匝間絕緣變得相對(duì)薄弱，但外施加工頻耐壓的電氣試驗(yàn)卻無(wú)法對(duì)變壓器縱絕緣進(jìn)行考驗(yàn)。

感應(yīng)耐壓試驗(yàn)由于采用自激法加壓，若試驗(yàn)方法選擇合理，變壓器的主絕緣和縱絕緣可同時(shí)得到檢驗(yàn)。考慮到變壓器鐵芯的磁飽和問(wèn)題，感應(yīng)耐壓的電源常采用倍頻電源，感應(yīng)耐壓因此也叫倍頻感應(yīng)耐壓。

2.變壓器的絕緣缺陷引起的故障分析

相對(duì)于變壓器的主絕緣即繞組之間以及繞組與鐵芯之間的絕緣，變壓器另外有一個(gè)重要的絕緣性能指標(biāo)就是縱絕緣。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“感應(yīng)耐壓試驗(yàn)”是專門用于檢驗(yàn)變壓器縱絕緣性能的測(cè)試方法之一。

變壓器的縱絕緣主要依賴于組內(nèi)的絕緣介質(zhì)——漆包線本身的絕緣漆、變壓器油、絕緣紙、浸漬漆和絕緣膠等，不同種類的變壓器可能包含其中一種或者多種絕緣介質(zhì)。縱絕緣電介質(zhì)很難保證100%的純凈度，難免混入固體雜質(zhì)、氣泡或者水分等，生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)受到不同程度的損傷。變壓器工作時(shí)的最高場(chǎng)強(qiáng)會(huì)集中在這些缺陷處，長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)作的溫升又會(huì)降低絕緣介質(zhì)的擊穿電壓，造成局部放電，電介質(zhì)通過(guò)外施變電場(chǎng)吸收的功率即介質(zhì)損耗會(huì)明顯增加，導(dǎo)致電介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，介質(zhì)電導(dǎo)增大，該部位的大電流也會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)使電介質(zhì)的溫度繼續(xù)升高，而溫度的升高反過(guò)來(lái)又會(huì)使電介質(zhì)的電導(dǎo)增加，長(zhǎng)期惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致電介質(zhì)的熱擊穿和整個(gè)變壓器的毀壞。這一故障表現(xiàn)在變壓器的特性上就是空載電流和空載功耗顯著增加，并且繞組有灼熱、飛弧、振動(dòng)和嘯叫等不良現(xiàn)象。可見(jiàn)利用感應(yīng)耐壓試驗(yàn)檢測(cè)出變壓器是否含有縱絕緣缺陷是極其必要的。

3.感應(yīng)耐壓試驗(yàn)的原理

變壓器剛出廠時(shí)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，沒(méi)有外施額定電壓和頻率的電源作為長(zhǎng)期試驗(yàn)，以致繞組匝間和段間的電壓不足以達(dá)到電介質(zhì)缺陷處的擊穿電壓，難以造成這些絕緣缺陷處的放電和擊穿，這種存在絕緣故障隱患的變壓器與絕緣性能良好的同類變壓器的空載電流和空載功耗沒(méi)有太大的差別，故難以發(fā)現(xiàn)這些隱患。

感應(yīng)耐壓給變壓器施加兩倍額定電壓以上的電壓，可在縱絕緣缺陷處建立更高更集中的場(chǎng)強(qiáng)，繞組匝間、層間和段間的電壓達(dá)到并超過(guò)電介質(zhì)缺陷處的擊穿電壓。感應(yīng)耐壓試驗(yàn)給變壓器施加的頻率在兩倍的額定頻率以上，較高的頻率又可大大降低固體電介質(zhì)的擊穿電壓，使得絕緣缺陷更容易被擊穿。感應(yīng)耐壓試驗(yàn)所規(guī)定的外加電壓的作用時(shí)間亦可保證絕緣缺陷的擊穿，故感應(yīng)耐壓可以可靠地檢測(cè)變壓器縱絕緣性能的好壞。

感應(yīng)耐壓試驗(yàn)給變壓器外加電源的頻率之所以在兩倍的額定頻率以上，是因?yàn)樽儔浩鞯膭?lì)磁電流i主磁通振幅?m的特性曲線一般設(shè)計(jì)在額定頻率和額定電壓下接近彎曲飽和部分,如圖1所示,又因在電源頻率不變的情況下，主磁通?m決定于外加電壓U，即：

圖1 激勵(lì)電流與主磁通振幅的關(guān)系

U=E=4.44Wf?m

其中，U是外加電源電壓(V),E是加電繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V),f是外加電源頻率(Hz),W是加電繞組的匝數(shù)(n)。

所以給變壓器加兩倍額定電壓以上的電壓必然會(huì)導(dǎo)致鐵芯嚴(yán)重飽和，主磁通?m增大，由圖1可知，激勵(lì)電流i會(huì)急劇增加，致使變壓器發(fā)熱燒毀；為了使變壓器在加兩倍壓以上時(shí)鐵芯仍不飽和，需要提高電源的頻率至兩倍頻以上。

感應(yīng)耐壓試驗(yàn)給變壓器原邊加兩倍電壓以上和兩倍頻率以上的電源，變壓器的主磁通會(huì)使原邊和副邊同時(shí)感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1和E2，且分別是其額定工作狀態(tài)下的兩倍以上，所以感應(yīng)耐壓試驗(yàn)可以同時(shí)對(duì)主、副繞組進(jìn)行縱絕緣性能的測(cè)試。當(dāng)然，也完全可以根據(jù)需要從變壓器的副邊進(jìn)行測(cè)試，所施加的電壓應(yīng)當(dāng)是變壓器額定工作狀態(tài)下空載電壓的兩倍以上，頻率同樣是額定頻率的兩倍以上。