CN109901037A - 基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法，其特征是：利用试验平台对绕组绝缘材料进行耐压试验，基于V‑t特性计算1min击穿电压，提取电老化速率最快材料所对应1min击穿电压与变压器预期寿命对应击穿电压的比值k₁，结合工频‑高频击穿电压换算系数p，获得高频、工频试验条件下外施耐压试验电压建议值U₁、U₁′；基于Weibull分布获得击穿电压‑频率(V‑f)特性，计算额定频率与b倍频下的特征击穿电压的比值k₂，分别确定高频、工频试验系统下的高频变压器感应耐压试验电压建议值U₂、U₂′。该方法得到的试验电压建议值对工频、高频试验条件下高频变压器出厂试验均适用，具有良好的工程应用价值。

Description

基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法

技术领域

本发明涉及一种高频变压器出厂绝缘试验电压的测定方法。

背景技术

高频变压器是电力电子变压器、高压直流变换器等新型电力设备当中必不可少的核心器件，其主要功能是高频升压、功率传输并在工作过程中实现高压侧与低压侧的电气隔离，高频变压器的绝缘性能决定着电力电子设备的运行可靠性。高频变压器的端口电压通常为上升时间短、幅值大、频率高的非正弦激励信号，电-热耦合效应导致固体绝缘材料的老化加剧，在长期运行中，高频变压器绝缘材料的击穿概率相较于工频条件大幅提升，因此，固体绝缘材料在高频下的绝缘寿命成为高频变压器整机运行寿命的主要决定因素。

近年来，国内外已对高频变压器开展了一系列的研制工作，在结构设计方面，专利CN200980133139.0提出一种三脚铁芯型三相高频变压器，有效限制了线圈之间热量积聚问题；专利CN201110088249.9利用铁氧体粘接结构及新型线圈结构，极大地降低了漏磁产生的涡流损耗。在参数优化方面，专利CN201510566266.7提出了一种高频变压器最大设计容量的确定方法，在磁芯结构和尺寸固定的条件下，方便地确定变压器的最大设计容量值；专利CN201510540575.7提出一种大容量高频变压器最优工作频率的确定方法，在最大化地减小变压器的设计体积时，有效地减少了计算工作量及计算时间。然而，由于高频变压器的应用场景较为多样，各类高频变压器的电压等级、频率存在差异，目前还未形成一套完整的高频变压器出厂试验方法或质量评估体系，难以确保高压高频变压器的长期稳定运行。

外施耐压试验(AV)用于验证绕组对地、绕组间的耐受强度；感应耐压试验(IVW)用于验证绕组纵绝缘的耐受强度，外施耐压试验和感应耐压试验对高频变压器的绝缘性能评估具有极为重要的参考价值。目前，对于工频电力变压器的外施耐压试验方法及试验电压已经形成较为完善的体系，由于高频下电-热耦合效应十分显著，绝缘材料的击穿电压显著下降，原有的工频试验电压经验值已经无法直接用于高频变压器的外施耐压试验当中。

同时，对于变压器的感应耐压试验，试验电压应为设备最高运行电压的数倍，而实际试验过程中，若变压器绕组两端施加电压超过设备最高电压，则变压器绕组的励磁电流会急剧增加，导致铁心饱和、发热，从而引起变压器损坏。因此，虽然规定了感应耐压试验的电压水平和频率，在实际中却难以通过试验验证，必须采用一定的等效方法才能使试验得以实施。对于工频变压器，标准GB 1094.3规定采用增加频率的办法增大变压器阻抗，降低励磁电流，从而使绕组两端的电压可以升至目标电压。并提出：“当试验频率超过额定频率的2倍时，试验时间缩短为：120×额定频率/试验频率。”然而，对于高频变压器而言，绝缘材料在频率增加的情况下，绝缘性能会迅速降低，根据标准IEC 60664-1，提高试验频率会导致介质发热和热不稳定性概率显著提升，降低绝缘材料的电气强度，此时频率的改变会对感应耐压试验结果造成极大影响，故原有的工频变压器感应耐压试验方法已经不再适用于高频变压器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法，本发明适用于电力电子变压器、高压直流变换器等新型设备当中高频变压器的出厂试验，同时也适用于高频电抗器等类似结构高频电力设备的出厂试验。

本发明方法步骤为：

步骤一：根据高频变压器绕组使用的绝缘材料种类、型号及实际绝缘厚度选取绝缘材料，分别利用工频、高频绝缘试验平台测试所选择的每一种绝缘材料在0.5kV/s匀速升压法下的击穿电压，获得工频下击穿电压值U_s′及1～20kHz范围内j种频率下的一系列击穿电压值U_si，其中，i表示1～20kHz范围内频率点由低到高排序，即[i＝1,2,3…j]；

步骤二：分别选取95％U_s、90％U_s、85％U_s、80％U_s、75％U_s、70％U_s作为试验加压值，通过恒压试验获得步骤一所选绝缘材料在不同频率下的击穿时间数据集，其中，U_s为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值；

步骤三：基于乘幂函数模型，即：

t·Vⁿ＝C (1)

式中，t为材料的耐压时间，V为击穿电压值，n为电老化寿命指数，C为常数。拟合出步骤一所选绝缘材料在每一种频率下的V-t特性曲线，找到每一种频率下电老化寿命指数n值最小的绝缘材料，提取该材料所对应的V-t曲线；

步骤四：利用步骤三提取的V-t曲线对应的V-t特征关系式，分别计算工频下1min耐压值U_1min′与高频下1min耐压值U_1mini，[i＝1,2,3…j]，计算工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数p_i，即：

p_i＝U′_1min/U_1mini (2)

利用V-t曲线计算j种频率下，变压器预期寿命对应耐压值U_yi[i＝1,2,3…j]，其中，j为试验频率的样本点总数。计算绝缘材料的1min耐压与长期运行耐压比值k_1i，并将其等效为高频变压器的1min耐压与预期寿命耐压之比；

k_1i＝U_1mini/U_yi (3)

式中，k_1i为绝缘材料的1min耐压值与长期运行耐压的比值，U_1mini为高频条件下材料的1min耐压值，U_yi为变压器预期寿命对应的耐压值。

步骤五：依据高频变压器特定的最高运行电压U_m以及额定运行频率，计算高频变压器的出厂试验1min外施耐压试验电压值U₁，对于具备高频试验条件的变压器生产厂家，可参照式(4)计算和制定高频变压器的外施耐压出厂试验加压值：

式中，U₁为高频变压器的1min外施耐压试验电压，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_m为高频变压器的最高运行电压值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值。

对于不具有高频试验条件的厂家，可参照式(5)，利用工频试验系统对高频变压器进行出厂绝缘试验：

式中，U₁′为高频变压器在工频试验系统下的外施耐压出厂试验电压，p为工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数，U₁为高频试验系统下的外施耐压试验电压，U_m为高频变压器的最高运行电压值，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值。

步骤六：以50％U_si为起始电压，采用升压梯度为ΔU＝0.5kV、升压速率为0.2kV/s、时间间隔Δt＝60s开展逐级升压绝缘试验，基于双参数Weibull分布对击穿数据进行处理，拟合计算特征击穿电压值α；绘制每种绝缘材料特征击穿电压随频率变化的V-f特性曲线。其中，U_si为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值。特征击穿电压的计算方法如下：

①若同一频率下的击穿电压数据样本点有m个，把m个数据按升序排列，设此数列为u_i[i＝1,2,3…m]，即u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_n；

②计算中位秩数F(u)，作为累积概率分布的估计值：

③选取横坐标X与纵坐标Y，将各坐标点在(X,Y)直角坐标系中标出，线性拟合，获得拟合直线的斜率β和截距βlnα，则此时α即为特征击穿电压值。

步骤七：求取每种绝缘材料在额定频率与b倍频下的特征击穿电压比值k_2i，对于总共z种待测绝缘材料，取系数k₂为：

步骤八：结合设备的1min耐压试验电压值U₁与b倍频下特征击穿电压比值k₂，计算高频变压器感应耐压试验电压值U₂，即：

U₂＝U₁·k₂ (9)

步骤九：若U₂＞b·U_m，则表示仍难以达到高频变压器感应耐压试验电压值U₂，此时应继续增大频率倍数b值，并返回步骤七，直至U₂≤b·U_m，此时U₂值即为高频变压器感应耐压出厂试验的建议加压值。其中，U_m为高频变压器的最高运行电压。

本发明的有益效果为：

1.从绕组绝缘最薄弱点出发，考虑不同材料的电老化速率差异性，使外施耐压试验结果更加可靠；

2.对倍频升压法进行修正，消除介质高频热效应对感应耐压试验结果的影响；

3.该方法得到的试验电压建议值，对于工频、高频试验条件下高频变压器的出厂试验均适用，具有良好的工程应用及推广价值。

附图说明

图1为高频变压器出厂绝缘试验电压确定流程；

图2为绝缘材料击穿电压测试接线图；

图3为同一种频率下多种材料的V-t特性曲线簇；

图4为材料寿命与设备长期运行寿命的对应关系；

图5为60s逐级升压试验的V-f特性拟合曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

步骤一：根据高频变压器绕组使用的绝缘材料种类、型号及实际绝缘厚度选取绝缘材料，分别利用工频、高频绝缘试验平台测试每一种绝缘材料在0.5kV/s匀速升压法下的击穿电压，获得工频下击穿电压值U_s′以及1～20kHz范围内j种频率下一系列击穿电压值U_si，其中，i表示1～20kHz范围内频率点由低到高排序，即[i＝1,2,3…j]；

步骤二：分别选取95％U_s、90％U_s、85％U_s、80％U_s、75％U_s、70％U_s作为试验加压值，通过恒压试验获得步骤一所选绝缘材料在不同频率下的击穿时间数据集，其中，U_s为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值；；

步骤三：基于乘幂函数模型，即：

t·Vⁿ＝C (1)

式中，t为材料的耐压时间，V为击穿电压值，n为电老化寿命指数，C为常数。拟合步骤一所选绝缘材料在每一种频率下的V-t特性曲线，图3即为同一种频率下多种材料的V-t特性曲线簇，找到每种频率下n值最小的绝缘材料，提取该材料所对应的V-t曲线；

步骤四：利用曲线对应的V-t特征关系式分别计算工频下1min耐压值U_1min′与高频下1min耐压值U_1mini[i＝1,2,3…j]，计算工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数p_i，即：

p_i＝U′_1min/U_1mini (2)

利用V-t曲线计算j种频率下变压器预期寿命对应耐压值U_yi[i＝1,2,3…j]，其中，j为试验频率的样本点总数。计算绝缘材料的1min耐压与长期运行耐压比值k_1i，并将其等效为高频变压器的1min耐压与预期寿命耐压之比，图4显示了绝缘材料寿命与设备长期运行寿命的对应关系；

k_1i＝U_1mini/U_yi (3)

式中，k_1i为绝缘材料1min耐压值与长期运行耐压的比值，U_1mini为高频条件下材料的1min耐压值，U_yi为变压器预期寿命对应的耐压值。

步骤五：依据高频变压器特定的最高运行电压U_m以及额定运行频率，计算高频变压器的出厂试验1min外施耐压试验电压值U₁，对于具备高频试验条件的变压器生产厂家，可参照式(4)计算和制定高频变压器的外施耐压出厂试验加压值：

式中，U₁为高频变压器的1min外施耐压试验电压，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_m为高频变压器的最高运行电压值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值。

对于不具有高频试验条件的厂家，可参照式(5)提供的计算方法，利用工频试验系统对高频变压器进行出厂绝缘试验：

式中，U₁′为高频变压器在工频试验系统下的外施耐压出厂试验电压，p为工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数，U₁为高频试验系统下的外施耐压试验电压，U_m为高频变压器的最高运行电压，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值。

步骤六：以50％U_si为起始电压，采用升压梯度为ΔU＝0.5kV、升压速率为0.2kV/s、时间间隔Δt＝60s开展逐级升压绝缘试验，基于双参数Weibull分布对击穿数据进行处理，拟合计算特征击穿电压值α；绘制每一种绝缘材料特征击穿电压随频率变化的V-f特性曲线，如图5所示。其中，U_si为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值。特征击穿电压的计算方法如下：

①若同一频率下的击穿电压数据样本点有m个，把m个数据按升序排列，设此数列为u_i[i＝1,2,3…m]，即u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_n；

②计算中位秩数F(u)，作为累积概率分布的估计值：

③选取横坐标X与纵坐标Y，将各坐标点在(X,Y)直角坐标系中标出，线性拟合，获得拟合直线的斜率β和截距βlnα，则此时α即为特征击穿电压值。

步骤七：求取每种材料在额定频率与b倍频下的特征击穿电压比值k_2i，对于总共z种待测绝缘材料，取系数k₂为：

步骤八：结合设备的1min耐压试验电压值U₁与b倍频下特征击穿电压比值k₂，计算高频变压器感应耐压试验电压值，即：

U₂＝U₁·k₂ (9)

步骤九：若U₂＞b·U_m，则表示试验中U₂值仍难以达到，此时应继续增大频率倍数b值，并返回步骤七，直至U₂≤b·U_m，此时U₂值即为高频变压器感应耐压出厂试验建议加压值。其中，U_m为高频变压器的最高运行电压。

Claims (3)

1.一种基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法，其特征是：所述的测定方法步骤如下：

步骤一：根据高频变压器绕组使用的绝缘材料种类、型号及实际绝缘厚度选取绝缘材料，分别利用工频、高频绝缘试验平台测试所选的每一种绝缘材料在0.5kV/s匀速升压法下的击穿电压，获得工频下击穿电压值U_s′及1～20kHz范围内j种频率下一系列击穿电压值U_si，其中，i表示1～20kHz范围内频率点由低到高的排序，即[i＝1,2,3…j]；

步骤二：分别选取95％U_s、90％U_s、85％U_s、80％U_s、75％U_s、70％U_s作为试验加压值，通过恒压试验获得步骤一所选绝缘材料在不同频率下的击穿时间数据集，U_s为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值；

步骤三：基于乘幂函数模型，即：

t·Vⁿ＝C (1)

式中，t为材料的耐压时间，V为击穿电压值，n为电老化寿命指数，C为常数；

拟合出步骤一所选绝缘材料在每一种频率下的V-t特性曲线，找到每一种频率下电老化寿命指数n值最小的绝缘材料，提取该材料所对应的V-t曲线；

步骤四：利用步骤三提取的V-t曲线对应的V-t特征关系式，分别计算工频下1min耐压值U_1min′与高频下1min耐压值U_1mini[i＝1,2,3…j]，计算工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数p_i，即：

p_i＝U′_1min/U_1mini (2)

利用V-t曲线计算j种频率下变压器预期寿命对应耐压值U_yi[i＝1,2,3…j]，其中，j为试验频率的样本点总数；计算绝缘材料的1min耐压与长期运行耐压比值k_1i，并将其等效为高频变压器的1min耐压与预期寿命耐压U_yi之比；

k_1i＝U_1mini/U_yi (3)

式中，k_1i为绝缘材料的1min耐压值与长期运行耐压的比值，U_1mini为高频条件下材料的1min耐压值，U_yi为变压器预期寿命对应的耐压值；

步骤五：依据高频变压器特定的最高运行电压U_m及额定运行频率，计算高频变压器的出厂试验1min外施耐压试验电压值U₁，即：

式中，U₁为高频变压器的1min外施耐压试验电压，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_m为高频变压器的最高运行电压值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值；

步骤六：以50％U_si为起始电压，采用升压梯度为ΔU＝0.5kV、升压速率为0.2kV/s、时间间隔Δt＝60s开展逐级升压绝缘试验，基于双参数Weibull分布对击穿数据进行处理，拟合计算特征击穿电压值α；绘制每种绝缘材料特征击穿电压随频率变化的V-f特性曲线；其中，U_si为绝缘材料在0.5kV/s匀速升压方法下测量的击穿电压值；

步骤七：求取每种材料在额定频率与b倍频下的特征击穿电压比值k_2i，对于总共z种待测绝缘材料，取系数k₂为：

步骤八：结合设备的1min耐压试验电压值U₁与b倍频下的特征击穿电压比值k₂，计算高频变压器感应耐压试验电压值U₂，即：

U₂＝U₁·k₂ (6)

步骤九：若U₂＞b·U_m，则表示仍难以达到高频变压器感应耐压试验电压值U₂，此时应继续增大频率倍数b值，并返回步骤七，直至U₂≤b·U_m，此时U₂值即为高频变压器感应耐压出厂试验建议加压值；其中，U_m为高频变压器的最高运行电压。

2.按照权利要求1所述的基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法，其特征在于：所述的步骤六中，利用双参数Weibull分布密度表达式拟合计算特征击穿电压的方法步骤如下：

(1)若同一频率下的击穿电压数据样本点有m个，把m个数据按升序排列，设此数列为u_i[i＝1,2,3…m]，即u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_n；

(2)计算中位秩数F(u)，作为累积概率分布的估计值：

(3)选取横坐标X与纵坐标Y，将各坐标点在(X,Y)直角坐标系中标出，利用线性拟合获得拟合直线的斜率β和截距βlnα，则此时α即为特征击穿电压值：

3.按照权利要求1所述的基于材料绝缘寿命的高频变压器出厂绝缘试验电压测定方法，其特征在于：所述的步骤五中，对于具备高频试验条件的变压器生产厂家，参照式(4)计算和制定高频变压器的外施耐压出厂试验加压值；对于不具备高频试验条件的厂家，参照式(9)提供的计算方法，利用工频试验系统对高频变压器进行出厂绝缘试验；

式中，U₁′为高频变压器在工频试验系统下的外施耐压出厂试验电压，p为工频试验耐压值与高频试验耐压值的换算系数，U₁为高频试验系统下的外施耐压试验电压，U_m为高频变压器的最高运行电压值，k₁为材料1min耐压与长期运行耐压的比值，U_1min为高频下材料的1min耐压值，U_y为高频变压器预期寿命对应的耐压值。