一、局部放電現象

 

局部放電（partial discharge，簡(jiǎn)稱(chēng)PD）現象，通常主要指的是高壓電氣設備絕緣層在足夠強的電場(chǎng)作用下局部范圍內發(fā)生的放電，某個(gè)區域的電場(chǎng)強度一旦達到其介質(zhì)擊穿場(chǎng)強時(shí)，該區域就會(huì )出現放電現象。這種放電以?xún)H造成導體間的絕緣局部短（路橋）接而不形成導電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質(zhì)都會(huì )有一些影響，輕微的局部放電對電力設備絕緣的影響較小，絕緣強度的下降較慢；而強烈的局部放電，則會(huì )使絕緣強度很快下降。

 

實(shí)際上，局部放電現象不僅僅發(fā)生在高壓電氣設備中，也會(huì )發(fā)生在開(kāi)關(guān)電源系統中，并且也有相應的安規標準去檢驗整個(gè)開(kāi)關(guān)電源系統的絕緣是否滿(mǎn)足局部放電要求。以三相變頻器為例，IEC61800-5-1中明確指出，如果一次測高壓端與安全二次側電壓（SELV）之間的重復峰值電壓超過(guò)了750V，并且，在絕緣層厚度上的電壓應力超過(guò)了1KV/mm，則必須做局部放電測試認證。

 

局部放電發(fā)生時(shí)，主要伴隨有以下幾種能量釋放方式：

 

圖1.局部放電能量釋放方式

 

我們先來(lái)感受一下夜色中高壓輸電線(xiàn)絕緣子上的電暈局部放電，紫色的弧光，狐媚而又破壞力十足。

 

 

圖2.電暈局部放電

 

局部放電對絕緣結構的破壞機理主要有三個(gè)方面：

 

1.帶電粒子(電子、離子等)沖擊絕緣層，破壞其分子結構，如纖維碎裂，因而絕緣受到損傷。

2.由于帶電離子的撞擊作用，使該絕緣出現局部溫度升高，從而易引起絕緣的過(guò)熱，嚴重時(shí)就會(huì )出現碳化。

3.局部放電產(chǎn)生的臭氧及氮的氧化物會(huì )侵蝕絕緣，當遇有水分則產(chǎn)生硝酸，對絕緣的侵蝕更為劇烈。

 

見(jiàn)微知著(zhù)，局部放電測試的目的就是為了發(fā)現電氣設備絕緣中潛在的薄弱點(diǎn)，在未釀成災難性的后果前，即有針對性的進(jìn)行補救、改善或者更換。

 

根據局部放電能量釋放方式的特點(diǎn)，局部放電檢測方法主要分為兩大類(lèi)七種方法，見(jiàn)圖3所示，這幾種方法中，以脈沖電流法用得最多，也最為成熟。常用的數字局部放電儀的原理就是脈沖電流法，對應的安規標準有IEC60270，對應的國標有：

 

●    GB/T 7354-2003局部放電測量(IEC60270：2000 IDT)；

●    DL/T 846.4-2016高電壓測試設備通用技術(shù)條件第4部分：脈沖電流法局部放電測量?jì)x；

●    DL/T 417-2006電力設備局部放電現場(chǎng)測量導則。

 

 

圖3.局部放電檢測方法

 

☆關(guān)于檢測方法，還可以參考《淺談局部放電測量》這篇文章。

 

因為局部放電是比較復雜的物理現象，必須通過(guò)多種表征參數才能全面的描繪其狀態(tài)，同時(shí)局部放電對絕緣破壞的機理也很復雜，需要通過(guò)不同的參數來(lái)評定它對絕緣的損害，目前主要以如下兩個(gè)參數來(lái)判定。

 

1. 視在放電電荷——在絕緣體中發(fā)生局部放電時(shí)，絕緣體上施加電壓的兩端出現的脈動(dòng)電荷稱(chēng)之為視在放電電荷，單位用皮庫（pc）表示，通常以穩定出現的最大視在放電電荷作為該試品的放電量。

 

2. 放電重復率——在測量時(shí)間內每秒中出現的放電次數的平均值稱(chēng)為放電重復率，單位為次/秒，放電重復率越高，對絕緣的損害越大。

 

二、開(kāi)關(guān)電源系統中的局部放電

 

這里先解釋一下安全二次側電壓SELV的含義，SELV是safety extra low voltage的縮寫(xiě)，指的是不超過(guò)50Vrms的交流電壓和不超過(guò)120V的直流電壓，是為了防止觸電事故而由特定電源供電所采用的電壓。

 

SELV通常用于給人機接口，液晶屏，按鍵等人體可以直接觸摸到的設備供電，可以避免操作人員遭受電擊，威脅到生命安全，所以，SELV電路與一次側高壓端之間必須是加強絕緣，同時(shí)還需要注意，如果一次測高壓端與SELV電路之間的重復峰值電壓超過(guò)了750V，并且，在絕緣層厚度方向上的電壓應力超過(guò)了1KV/mm，則還必須增加局部放電測試認證。

 

如圖4所示三相變頻器中，左下角綠色虛線(xiàn)圍起來(lái)的部分就是SELV電路，輔助電源SPS左側的供給MCU的+24V，+5V兩路電源與SPS的其余的電壓輸入輸出電氣連接點(diǎn)之間，都必須滿(mǎn)足加強絕緣要求。

 

圖4.三相變頻器結構框圖

 

以三相480V變頻器為例，交流輸入線(xiàn)電壓為480Vrms，則其母線(xiàn)電壓平均值為480*1.35=648Vdc，也就是進(jìn)入輔助電源SPS的工作電壓就是648V，這個(gè)電壓值已經(jīng)非常接近750V這個(gè)閾值，同時(shí)，需要注意的是，750V閾值電壓是在整機實(shí)際運行過(guò)程中，實(shí)際測試得到的一次側高壓端與SELV電路之間的重復峰值電壓，用高壓差分探頭分別勾取兩邊的監測點(diǎn)，若此電壓超過(guò)750V，同時(shí)，在絕緣層厚度方向上的電壓應力超過(guò)了1KV/mm，則局部放電測試認證必做。

 

假設輔助電源SPS采用了經(jīng)典的單管反激變換器，如圖5所示，SPS從變頻器的BUS電容上取電，這里為了簡(jiǎn)化電路，變壓器T1的輸出只設計了兩路輸出電壓，分別給IGBT的驅動(dòng)器和MCU側供電，從前面的定義可以看出，給MCU供電的+24V_CONTROL就是SELV電路，需要與其他電路之間做加強絕緣處理，也就是變壓器T1的pin12-pin14所在的繞組與其余繞組之間必須滿(mǎn)足加強絕緣要求，同時(shí)，在PCB板上，+24V_CONTROL所在電路與其他電路之間的爬電距離也必須滿(mǎn)足加強絕緣要求。

 

圖5.單管反激變換器簡(jiǎn)圖

 

回到本文的重點(diǎn)，接下來(lái)測試一次側高壓端與SELV電路之間的重復峰值電壓是否超過(guò)750V閾值電壓。有經(jīng)驗的同學(xué)都知道，在開(kāi)關(guān)電源中，重點(diǎn)是要找到變換器中的“動(dòng)點(diǎn)”，也就是電壓的變化率dv/dt最大的節點(diǎn)，在圖5中，一次側高壓端的監測點(diǎn)就可以選為Q1的Drain極，也就是變壓器T1的pin 3，安全二次側SELV的監測點(diǎn)既可以選擇變壓器T1的pin 12，也可以選擇變壓器T1的pin 14，最后以正常帶載工況下一次側、二次側之間檢測到最大電壓為作為設定局部放電電壓UPD的基準。

 

圖6.重復峰值電壓監測示意圖

 

圖7是一張實(shí)測的一次側高壓端與SELV電路之間的重復峰值電壓波形圖（CH1黃色），可以看到，此電壓已經(jīng)超過(guò)了750V的閾值，同時(shí)，變壓器結構中繞組與繞組之間的麥拉絕緣膠帶通常為2層，每層的厚度都小于0.1mm，所以，需要增加局部放電測試認證是板上釘釘了。

 

圖7.重復峰值電壓實(shí)測波形圖

 

說(shuō)到這里，估計有的同學(xué)就會(huì )問(wèn)了，為什么以前沒(méi)有做過(guò)局部放電這項測試呢？原因主要有兩點(diǎn)：

 

1.以前確實(shí)沒(méi)有對應的安規標準要求強制通過(guò)局部放電測試，變頻器中增加這項測試也是約四年前的事；

2.電源整機降成本帶來(lái)的附贈產(chǎn)物，如圖8所示，以前傳統的給SELV電路供電是采用兩級變換器的方式，先通過(guò)一級DC-DC變換器將BUS母線(xiàn)降低為48V或者更低，再通過(guò)一級隔離DC-DC變換器給SELV電路供電，因為第二級隔離DC-DC變換器之間的壓差不可能超過(guò)750V閾值，所以，局部放電測試就無(wú)需再做，只需要滿(mǎn)足對應的加強絕緣要求即可。

 

但是，現在的電源整機由于降成本的壓力，與圖5所示一樣，將傳統的兩級變換器改為一級DC-DC變換器，同時(shí)給SELV電路和其他的比如驅動(dòng)電路等供電，趕上新的安規標準的執行，那局部放電測試就和其他安規項目一樣，成為必修課了。

 

圖8.傳統SELV兩級變換器供電方式

 

三、局部放電測試的標準

 

IEC61800-5-1中對于局部放電測試的標準如圖9所示，測試中加載的電壓是50HZ或者60的交流電壓, UPD的取值就是在圖7中實(shí)際測得的電壓。需要注意的一點(diǎn)是，在這里UPD既可以取有效值，也可以取峰值，舉例講，圖7中測得的重復峰值電壓為1100V，則在做局部放電測試時(shí)，對應的加載測試電壓的峰值就是1.875*1100=2062.5V；同時(shí)，也可以觀(guān)察到圖7中的有效值為559.8Vrms，則對應的測試電壓也可以按照1.875*559.8Vrms=1049.6Vrms加載。因為測得的重復峰值電壓波形并不是標準的正弦波，所以其峰值電壓與有效值電壓之間并不是1.414倍的關(guān)系。

 

圖9.IEC61800-5-1中局部放電測試電壓與時(shí)間曲線(xiàn)

 

局部放電測試通過(guò)的判定標準是在第二段1.5UPD電壓施加期間的視在放電電荷不超過(guò)10pC，如果超過(guò)10pC即判定為不合格?；氐角笆龅娜嘧冾l器中，需要通過(guò)局部放電測試的器件之一就是變壓器T1了。圖10是MPS研發(fā)的數字局部放電儀，圖11是變壓器的局部放電測試場(chǎng)景。

 

圖10.MPS數字局部放電儀

 

圖11.變壓器局部放電測試

 

四、預防局部放電的措施

 

從前面兩個(gè)章節的陳述中，大家應該發(fā)現了，輔助源SPS變壓器的設計是通過(guò)局部放電測試的關(guān)鍵，所以，這個(gè)章節就重點(diǎn)介紹預防變壓器局部放電的措施。

 

1、從源頭抓起，從絕緣材料的生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始管控，防止其生產(chǎn)過(guò)程中混入導電性沉積物、金屬碎屑、浮泡和濕氣等，造成后續使用這些絕緣材料的產(chǎn)品無(wú)法達到設計要求。

 

圖12.麥拉絕緣膠帶和骨架

 

2、以變壓器設計中用到的麥拉絕緣膠帶和骨架為例，如圖12所示，可以使用較高CTI（相對起痕指數）等級的絕緣材料，可以有效的滿(mǎn)足加強絕緣的爬電距離要求和降低發(fā)生局部放電的幾率。絕緣材料的CTI等級分類(lèi)如圖13所示，CTI>600是目前最好的絕緣材料。

 

圖13.絕緣材料CTI等級分類(lèi)

 

3、增加氣隙長(cháng)度和爬電距離，以降低電場(chǎng)強度。以圖7中測得的UPD電壓有效值559Vrms去查詢(xún)對應的加強絕緣爬電距離要求，如圖14所示，在污染等級為Ⅱ類(lèi)，采用600>CTI≥400的絕緣材料的條件下，基本絕緣的爬電距離要求為4.5mm，則滿(mǎn)足加強絕緣要求的爬電距離至少為基本絕緣爬電距離要求的2倍，也就是要大于9mm。

 

圖14.爬電距離查詢(xún)表

 

對變壓器設計而言，也就是SELV電路所在繞組與其余繞組之間的擋墻寬度至少要超過(guò)9mm，如圖15所示變壓器內部繞組結構圖，骨架左右兩側的擋墻寬度至少要大于4.5mm，則上下兩個(gè)相鄰的繞組的擋墻寬度加起來(lái)就大于了9mm，滿(mǎn)足加強絕緣爬電距離要求。這也意味著(zhù)，如果要滿(mǎn)足加強絕緣的爬電距離要求，則勢必需要增大骨架的尺寸，也就是所用磁芯的尺寸也要變大，否則骨架很可能繞不下全部的線(xiàn)包。

 

圖15.變壓器內部繞組結構圖

 

4、增加絕緣層的厚度。局部放電是因為物體內部局部范圍內的電場(chǎng)強度超過(guò)絕緣介質(zhì)的強度而發(fā)生的物理現象，電場(chǎng)強度反比于相互之間的距離，單位為V/m（伏特/米），所以，增加絕緣層的厚度，可以有效的降低加載在絕緣層上的電場(chǎng)強度，從而降低發(fā)生局部放電的幾率。另外，絕緣層厚度的增加，也增加了對絕緣材料中的空洞等缺陷的容錯程度，降低了對絕緣材料的要求。

 

以圖15所示變壓器設計為例，增加SELV繞組與相鄰的兩個(gè)繞組gate driver supply、AUX之間的麥拉絕緣膠帶的厚度，對于保障變壓器的設計通過(guò)局部放電測試有著(zhù)非常大的影響。圖16就是加不同層數的麥拉膠帶的局部放電對比結果，3款變壓器樣品中，1#在SELV繞組的前后各自加了4層麥拉膠帶，2#在SELV繞組的前后各自加了5層麥拉膠帶，3#樣在1#的基礎上增加了一個(gè)屏蔽層繞組，其他條件3款變壓器都保持一樣。

 

可以看到，僅有2#  5層麥拉膠帶的變壓器樣品通過(guò)了局部放電測試。

 

圖16.麥拉膠帶層數對局部放電結果的影響

 

細心的同學(xué)估計注意到了，圖15的變壓器繞組結構沒(méi)有采用三明治繞法，當然，這種繞法結構確實(shí)會(huì )導致變壓器的漏感變大。工程應用中，兩相其害取其輕，漏感只能通過(guò)外部電路的配合來(lái)降低其影響。

 

另外，SELV繞組的出線(xiàn)，除了需要用鐵氟龍套管穿管外，建議最好不要與一次側高壓繞組的出線(xiàn)端交叉。

 

5、將變壓器全面灌封、含浸處理，在真空條件下，將變壓器從下到上，用凡立水等絕緣材料逐步灌封。凡立水浸入變壓器內部，可以彌補骨架、麥拉絕緣膠帶上面的空洞、氣泡等缺陷，同時(shí)，含浸處理可以有效的改善變壓器的污染等級。

 

6、在PCB板上涂刷絕緣涂層，同理，可以改善污染等級，降低滿(mǎn)足加強絕緣的爬電距離要求。

 

五、小結

 

局部放電測試在開(kāi)關(guān)電源中還是一個(gè)比較小眾的話(huà)題，本篇文章從三相變頻器的SELV電路的加強絕緣說(shuō)起，簡(jiǎn)要介紹了局部放電的標準和預防措施，重點(diǎn)介紹了輔助電源SPS的變壓器設計如何滿(mǎn)足加強絕緣和通過(guò)局部放電測試。當然，在圖4的框圖中，DSP與MCU之間的數字隔離芯片也是需要通過(guò)加強絕緣和局部放電測試認證的。

 

希望本篇文章所介紹的小知識能對各位同學(xué)的日常工作有所幫助。

 

來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體，原創(chuàng )：伍堂順 施三保  

 

 

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。

 

推薦閱讀：