CN111736048A

CN111736048A - 一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法

Info

Publication number: CN111736048A
Application number: CN202010688361.5A
Authority: CN
Inventors: 王威望; 王鑫; 何杰峰; 刘莹; 郭志强; 李欣原
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2020-10-02

Abstract

本发明公开一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法。高频变压器一般采用环氧树脂进行浇注，高频非正弦电压、电流和高温环境会导致绝缘击穿。本发明的主要内容如下：考虑高频变压器典型工况，搭建了高频电场下绝缘短时击穿测试平台；测试平台包括高压电源、测试单元、检测/采集单元和控制单元，可实现最高10kV的方波和正弦电压，频率高达10kHz，温度最高200℃；根据测试要求，提出了高频方波电压下绝缘介质的击穿电压和电流测试方法；采用高压差分探头、高频电流探头检测电压和电流，通过设置击穿触发条件利用示波器采集击穿瞬间电压和电流，提出击穿场强计算方法；通过软件界面控制频率和电压上升速率，实现短时击穿测试。

Description

一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法

技术领域

本发明是关于高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，属于电气设备及电气工程领域。

背景技术

由于可再生能源与分布式发电的快速发展，电力电子变压器受到越来越多的关注。高频变压器作为电力电子变压器的核心部件，起到电压隔离与能量交换的作用，其设计开发、性能的稳定与否直接关系到整个系统的安全稳定运行。高频变压器是一种特殊的变压器，其频率高、功率密度大。容量和电压等级相同时，高频变压器相比传统电力变压器体积要小很多。另外，在电力电子变压器运行工况中，高频变压器所变换的不是正弦电压，而是接近方波的高频脉冲电压。高频变压器的设计与传统电力变压器差异较大。高频变压器的工作环境往往是高压、高频与高温的共同作用，同时电压包含复杂高频谐波成分。在运行工况下，由于高频与谐波电压的共同作用，高频变压器铁芯、绕组和绝缘介质都会产生大量的损耗，然而，高频变压器的体积较小，散热面积较小，最终就会导致高频变压器的热量不断积累，温度上升，造成绝缘介质在高温高压中发生击穿，严重威胁高频变压器的安全稳定工作。

高频变压器的设计主要包括磁芯材料、绕组安排、结构分析和绝缘设计。其中绝缘介质材料与绝缘结构的性能是制约高频变压器性能的一个关键因素，传统变压器的绝缘设计往往参考工频正弦电压和直流电场下的标准和经验，而高频变压器设计更加复杂，没有标准和经验可循。另外，绝缘强度和耐压特性是高频变压器设计必须考虑的首要关键因素。因此，本发明提出一种高频方波电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，旨在为高压高频变压器设计提供测试方法和实验基础。

发明内容

本发明针对目前大容量电力电子变压器中高频变压器绝缘设计的基本问题，提出一种高频变压器磁件绝缘介质短时击穿的测试方法，一方面，通过本方法获得磁件绝缘介质击穿特性的变化规律，特别是频率和温度的影响；另一方面，为磁件短时失效提供数据分析，为高频变压器绝缘设计提供重要实验基础。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种高压大容量电力电子变压器中高频变压器磁件绝缘介质短时击穿的实验测试方法，所述的高频变压器磁件绝缘介质材料为环氧树脂。所述的实验测试平台主要包括高压高频电源、测试单元、检测/采集单元和控制单元。高压大容量电力电子变压器中高频变压器磁件绝缘介质短时击穿的实验测试方法包括以下具体步骤：

步骤1：

基于高频变压器典型运行工况特性，如高频方波电压，高温等，搭建绝缘介质材料高频电场下的短时击穿测试平台。测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施。

步骤2：

设置高压高频电源输出电压的起始值、最大值、频率和升压时间；选择击穿电压的波形为方波或者正弦波；控制电压电压幅值由起始值连续升压至绝缘介质击穿为止。

步骤3：

连接并设置高压差分探头、高频电流探头，分别检测击穿实验时绝缘介质材料的电压与电流实时波形；

步骤4：

设置示波器电压与电流信号的触发条件，采用边沿触发，采集击穿瞬间的电压与电流波形；

步骤5：

将准备好的绝缘介质试样置于电极之间；避免试样边缘靠近电极，并通过电极上方弹簧夹紧试样；

步骤6：

设置恒温油浴的温度为所需实验温度，将试样和电极放入油浴中保持稳定；

步骤7：

运行短时击穿测试实验，获取击穿实验数据并进行数据存储和处理。

作为对上述技术方案的进一步补充和完善，本发明还包括以下附加技术特征：

所述步骤1中环氧树脂绝缘介质材料高频电场下短时击穿测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施。高压高频电源有数据采集卡、功率放大电路、高频变压器、驱动和保护电路组成；测试回路中串联一个2MΩ电阻进行击穿后设备的限流保护；检测模块采用高压差分探头和高频电流探头检测电压和电流波形。

进一步的：所述步骤2中设置的升压速率为1kV/s，且可控；电压频率最高可达10kHz，其电源电压波形为占空比50％的方波或正弦波。实验过程中电压幅值逐渐增加，若电压幅值上升至最高设定值试样仍然没有击穿，则增大电压幅值重新进行实验。

进一步的：所述步骤3中高压差分探头与绝缘介质是并联关系，高压差分探头测量的实际电压与输出电压的比值是1500:1，输出电压通过同轴电缆连接至示波器，高频电流探头线圈套在试样与地之间的低压连接线上，线圈在示波器上显示的是电压信号，分析时将测量的电压信号转换为电流信号，转换关系为20mV/A。

进一步的：所述步骤4示波器的触发条件为脉冲边沿触发。

进一步的：所述步骤5的绝缘介质试样厚度为100μm，电极为球-球电极，材料为金属铜，电极直径为25mm，上电极接高压电源，下电极接地。

进一步的：所述步骤6恒温加热单元包括恒温加热油浴、加热流动和温度控制单元，其中恒温加热油浴具有内循环与加热功能，最高温度为200℃，硅油置于恒温加热油浴箱体内。

进一步的：所述步骤7通过软件界面控制高频高压电源输出规定的电压波形，并进行连续升压实验；通过示波器和采集显示击穿电压与电流波形；正弦波电压下的实验时，规定以击穿时刻前一周期电压波形的有效值作为击穿电压数值，以击穿时刻第一个电流脉冲在时间上的积分作为击穿电流数值。高频方波电压下的击穿实验时，规定击穿时刻前方波电压的最高幅值为击穿电压值。

本发明由于采取以上技术方案具有以下优点：1、本技术方案充分考虑电力电子变压器中高频变压器绝缘介质的典型运行工况，高压电源可以输出的电压频率范围较大，最高可达10kHz，输出最高电压可达10kV，电压波形可选为方波或者正弦，覆盖高频变压器的典型运行工况。2、本技术方案可以实现不同温度下的绝缘介质短时击穿测试，最高实验温度可达200℃，覆盖高频变压器的运行温度工况。3、本技术方案可以实现绝缘介质短时击穿时刻电压与电流的波形采集与数据分析处理。

附图说明

图1是短时击穿测试平台组成示意图。

图2示波器采集得到的方波电压下击穿电压波形。

图3示波器采集得到的正弦电压下击穿电压波形。

图4示波器采集得到的击穿电流波形。

具体实施方式

以下结合说明书附图来对本发明的技术方案和工作原理做进一步的详细描述。附图是为了更好地理解本技术方案的具体实施方法，他们不应该理解成对本发明的限制。本发明提出一种高频变压器磁件绝缘介质在典型工况下的短时击穿测试方法，通过输出幅值逐渐增加并且升压速率和频率可调的高频电压，绝缘介质试样所处环境温度可调，通过添加击穿时刻电压与电流分析绝缘介质短时击穿特性。短时击穿测试平台结构示意图如图1所示，主要包括高压电源、测试单元、检测与采集单元和控制单元。其中高压电源包含功率放大器和高频升压变压器；测试单元包括恒温油浴、球-球电极、硅油和测试试样；检测与采集单元包含示波器、差分电压探头和高频电流探头；控制单元包括软件控制界面、数据采集卡等。本发明包含以下具体步骤：

步骤1：

高频变压器绝缘介质的典型运行工况是高频电压波形，且工作在高温环境中，绝缘介质短时击穿测试平台需兼顾电压与温度工况。

针对电力电子变压器中高频变压器的电压波形频率和温度环境，进行环氧树脂试样短时击穿实验。试样厚度为100μm，环氧树脂试样被分割为小片，其中心位置夹在球-球电极之间。搭建如图1所示的绝缘介质的短时击穿实验平台，组成实验平台的各部分模块的具体参数如表1所示。

表1实验平台参数

步骤2：

通过在控制单元界面设置施加电压的起始值V₀、最大值为V_max电压频率为f和升压时间为T，其中电压幅值最大值为10kV，频率最高可达10kHz。选择测试电压波形为方波或正弦波。其中升压速率为电压最大幅值与升压时间的比值，即：

步骤3：

高压差分探头用来测量并采集试样两端实时电压波形。高压差分探头高压端连接球-球电极的上电极，高压差分探头的接地端连接球-球电极的下电极(接地)，在试样击穿前高压差分探头的测量值即为电源输出电压，击穿后高压差分探头测量电压迅速降低，接近零。示波器测量值的1500倍即为实际施加电压。高频电流探头线圈套在下电极与接地端之间的接线上，测量击穿时刻的电流脉冲波形。

步骤4：

环氧树脂试样在击穿时刻会发生电压突降和电流暂态上升脉冲，在示波器上设置边沿触发条件，使用单次触发作为触发方式。当电压或电流波形满足触发条件时，采集一次波形，即为击穿时刻的电压和电流波形。当使用电压触发时，触发电平可设置为7V，当使用电流触发时，触发电平设置为10V。

步骤5：

通过成熟的制备工艺制备出的环氧树脂试样直径约160mm，试样厚度约为100μm；同时为了提高实验数据测试精确度，将环氧树脂试样分割为5cm×5cm大小，在每一块环氧树脂试样上测量5次，并求平均值作为实际的试样厚度。放置试样时将环氧树脂试样中心位置置于电极之间。

步骤6：

击穿实验进行之前，需将测试单元中的恒温油浴设置为实验测试所需温度，待温度稳定后将试样放入恒温油浴中充分加热，待温度加热至实验温度并稳定5min后即可进行实验。

步骤7：

首先打开高压高频电源总开关，然后在控制软件界面设置施加电压波形参数和上升时间，然后检查所有接线完整和无误，启动按钮启动进行实验。通过示波器获取击穿电压和电流波形。图2为正弦电压下实验时测试所得的击穿电压波形。选取击穿时刻前一周期的电压波形的有效值作为击穿电压：

其中V_pp为击穿前一周期电压波形幅值，V_rms为电压波形的有效值。

图3是高频方波电压下实验获得的击穿电压波形。采用击穿前方波的幅值作为介质材料此时击穿电压。击穿场强的计算公式如下：

其中：V_b为测试击穿电压/kV，d为试样平均厚度/mm，E_m为击穿场强/kV mm^-1。

环氧树脂试样在击穿发生后会产生多个电流脉冲，不断形成放电脉冲。图4为测试获得的击穿电流波形，选择击穿后第一个电流脉冲在时间上的积分作为平均击穿电流：

其中i(t)为击穿时刻脉冲电流值，t_b为第一个脉冲电流的持续时间。

通过上述实施方式可以说明本技术方案，其中各部件的结构、连接方式和工艺等都是可以有所变化的，但凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：

基于高频变压器典型运行工况特性，绝缘介质材料高频电场下的短时击穿测试平台需产生高频方波电压并施加在试样上，测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施，通过程序控制单元控制高压高频电源产生高频电压施加在被测试样上，保护模块、检测模块、和数据采集单元分别串联或并联在回路中；

步骤2：

选择击穿电压的波形为方波或者正弦波；控制电压电压幅值由起始值连续升压至绝缘介质击穿为止，电压起始值为零，最高输出电压为10kV，频率最高10kHz，为保证绝缘介质短时击穿，升压时间最大可设为10s；

步骤3：

步骤4：

将示波器设置为边沿触发方式，电压触发电平设置为7V，电流触发电平设置为10V，采集击穿瞬间的电压与电流波形；

步骤5：

步骤6：

设置恒温油浴的温度为所需实验温度，温度范围是室温至200℃，将试样和电极放入油浴中保持稳定；

步骤7：

2.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤1中环氧树脂绝缘介质材料高频电场下短时击穿测试平台包括高压高频电源、电极和被测试样单元、保护模块、检测模块、数据采集单元、程序控制单元和屏蔽措施，高压高频电源有功率放大电路、高频变压器、驱动和保护电路组成；检测模块采用高压差分探头和高频电流探头检测电压和电流波形，程序控制单元通过数据采集卡控制电源输出高频电压加在检测模块的电极上，高压差分探头与电极并联采集电压信号，高频电流探头串联在回路中采集电流信号，测试回路中串联一个2MΩ电阻进行击穿后设备的限流保护。

3.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤2中设置的升压速率为1kV/s，且可控；电压频率最高可达10kHz，其电源电压波形为占空比50％的方波或正弦波，实验过程中电压幅值逐渐增加，若电压幅值上升至最高设定值试样仍然没有击穿，则增大电压幅值重新进行实验。

4.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤3中高压差分探头与绝缘介质是并联关系，高压差分探头测量的实际电压与输出电压的比值是1500:1，输出电压通过同轴电缆连接至示波器，高频电流探头线圈套在试样与地之间的低压连接线上，线圈在示波器上显示的是电压信号，分析时将测量的电压信号转换为电流信号，转换关系为20mV/A。

5.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤4示波器的触发条件为脉冲边沿触发。

6.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤5的绝缘介质试样厚度为100μm，电极为球-球电极，材料为金属铜，电极直径为25mm，上电极接高压电源，下电极接地。

7.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤6恒温加热单元包括恒温加热油浴、加热流动和温度控制单元，其中恒温加热油浴具有内循环与加热功能，最高温度为200℃，硅油置于恒温加热油浴箱体内。

8.根据权利要求1所述的一种高频方波和正弦电压下磁件绝缘介质短时击穿测试方法，其特征在于，所述步骤7通过软件界面控制高频高压电源输出规定的电压波形，并进行连续升压实验；通过示波器和采集显示击穿电压与电流波形；正弦波电压下的实验时，规定以击穿时刻前一周期电压波形的有效值作为击穿电压数值，以击穿时刻第一个电流脉冲在时间上的积分作为击穿电流数值，高频方波电压下的击穿实验时，规定击穿时刻前方波电压的最高幅值为击穿电压值。