…………………………一皇王研霾一 ＿ 某高频变压器匝间绝缘降低的故障分析及测试原理介绍 中国船舶重工集团公司第七一。研究所 向涛峰 【摘要】随着频率的增加，集肤效应增加了高频变压嚣工作时的温升，由此带来了匝间绝缘性能降低的风险。匝ｆ，１耐压测试仪采用直接浪涌冲击法，可以方便的测试高频 变压器的绝缘性能是否良好。以某设备ｅｅ使用的高频变压器为例，阐述了相关分析测试方法，并对改进前后的变压器匝闻绝缘性能进行了对比试验分析。 【关键词】集肤效应；匝间耐压测试仪；直接浪涌冲击法 １．引言 假设导线截面为圆形，直流阻抗为Ｒ ，集 否差异来检测绕组线圈匝间绝缘是否良好 。 随着科学技术的不断发展，高频化和高 肤效应带来的交流阻抗为Ｒ ，导线直径为ｄ， 绕组在高压冲击波激励下的响应为衰减振 功率密度化已成为电子世界的研究方向和发展 半径为ｒ，则导通平面的内半径为（ｒ—ｓ），则 荡，其频率为： 趋势。变压器是一种重要的电子器件，被广泛 有： ，一 １ 一 的运用于民用和军用领域。在很多设备中，高 Ｒａｃ一： ： ： （４） 频变压器被广泛运用，并且随着频率和功率的 Ｒ如刃 一 （，一 ） （ｄ／２Ｓ） －（ｄ／２Ｓ— ） 对于同一设计的绕组线圈，其各相Ｒ、Ｌ、 不断提高，其对系统的性能产生影响也日益重 （３） Ｃ的设计值应是对称和平衡的。若绕组发生匝 要。随着工作频率的升高，集肤效应造成了变 式（３）表明绕线交直流阻抗比仅与绕线直 问短路、开路等故障时，绕组阻抗将产生变 压器能量损耗增加，由此带来变压器匝间绝缘 径和集肤深度的比值有关，如图１所示。 化，相应的波形也会出现差异。 降低的风险。运用匝间耐压测试仪和直接浪涌 再联系式（２），说明高频时，绕线直径越 ＳＲ（ｊ 冲击法可以方便的测试变压器匝间绝缘性能是 大，其损耗越大。因此往往采用多股线并绕来 ｒ 卜 ．， 、 ］ 否良好。本文以某设备中使用的高频变压器在 取代同样面积的单股线，因为这样增加了导线 ｌ】 ｒ Ｒ 『调试时匝间绝缘降低的故障为例，阐述了相关 传导的总面积。例如，两股线并联后，虽然它 分析测试方法，为高频变压器等磁性器件的设 们的面积和与另一单股线相等，但是其直径 ， ｕｃ 。：ｎ “ Ｉ Ｉ≯ ． 计生产提供了借鉴作用。 却为Ｄ／ （Ｄ为并联前每股线的直径）。设集 ２．故障机理分析 肤深度为ｓ，并联前每股线的环形表层面积为 带有高频变压器的某设备在调试时发生放 碰 。由于表层厚度只与频率有关，与绕线直 图２测试电路主回路 电打火故障。经检测，与高频变压器配套使用 径无关，并联后，整个表面面积为２［ （Ｄ／ ） 匝问绝缘测试电路主回路可以简化为图２ 的高频功放模块损坏，具体损坏部位为其中的 Ｓ］＝７／＂ ＤＳ。这样并联后，虽然总的截面积没 的形式，ｕ 为高压变压器ＴＰＬ次级电压，其中 吸收电阻、ＭＯＳＦＥＴ管和二极管。红外测温仪显 变，但导通面积却是并联前的 倍，即增加了 ＴＰＬ、Ｄ、Ｃｏ组成冲击电压发生器。可控硅ＳＲＣ起 示该变压器线圈温度达到８Ｏ℃左右，处于严重 ４１％Ｅ 。 着高压开关的作用，Ｒ为波头电阻。图中Ｌ为被 异常状态，很可能影响其性能指标，因此初步 拆开该故障高频变压器，发现它只采用了 测绕组电感，Ｒ。．是它的电阻，ｃ。．为振荡电容。 分析该系统的故障是由于变压器绝缘性能降低 单股线，因此在调试时它的温度达到８０℃就不 可控硅ＳＲＣ的触发信号与Ｕ 同步。当Ｕ 为正半周 带来的。 难理解了。分析匝间绝缘降低，是因为长期工 时，经二极管Ｄ整流向 充电，直至电容Ｃ。上的 为什么该高频变压器在工作时温度会如此 作在８Ｏ℃以上高温环境（温升６０℃）及高频变压 电压接近ｕ 的峰值时触发电路产生一组触发脉 高，怎么去解决这个问题，先要分析集肤效应的 器上有３０００Ｖ以上的高电压等因素。变压器温 冲ｕ ，触发可控硅ＳＲＣ，可控硅被触发后，电容 影响。集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通 升的原因主要是工作时有较高频率的谐波分量 Ｃ。便通过波头电阻向被测件绕组放电，于是便 过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种 在因趋肤效应造成变压器急剧发热。设计时只 产生了衰减波 。 现象叫集肤效应。由于趋肤效应，载有交流电 考虑了工作频率，没有考虑高频谐波分量的趋 电路瞬间放电的微分方程为： 的输电线路中导线边缘的电流密度增大，导线 肤效应影响，所以只采用了单股漆包线绕制， Ｌｄｉ内部的电流密度减小，电流密度在其横截面上 且设计时只采用了单层绝缘纸。 ，＋Ｒ．ｆ＿ ｒ （５） 呈不均匀分布，使导线的等效面积减小，产生更 总之，高频变压器存在高频谐波分量 经过电路分析可以看出，冲击电压前沿与 多的焦尔热，即增大了线路的等效电阻 。 （１ＯＯｋＨｚ以上）及高电压（３０００Ｖ以上）的情况 波头电阻和ｃ有关。被测绕组参数ｒ、Ｌ、ｃ的变 下，因趋肤效应及高温疲劳造成高频变压器层 化都会引起衰减速振荡的振幅、时间常数的例 间绝缘降低，工作时打火弓Ｉ起电感量突变，从 数和频率的变化，所以如果匝间短路、开路等 而损坏高频功放模块。 问题出现，绕组参数产生变化，通过观察衰减 ／ 通过以上分析也让我们找到了一条对该高 振荡波形的变化便可检测层间、匝间异常。 ／ Ｉ ／ 频变压器进行设计改进，增强匝间绝缘性能的 波形比较一般运用面积比较法、面积差 ／ 途径。即通过采用多股线并绕来取代同样面积 比较法等方法。匝间绝缘测试仪的原理就是通 一 的单股线，重新设计高频变压器。 过比较测试波和标准波问的差异来判断绝缘故 ／ ３．绕组匝间耐压测试原理 障，因此对波形的精确比较分析成为此项测试 然而对故障高频变压器的进一步研究中， 的关键所在 。 遇到了如下问题。按照相关技术指标，从外观 如图３为一组通过匝间耐压测试仪测试的 图１圆形绕线的交／直流阻抗比与绕线直径和集肤深 检查、电感量测试、绝缘钡９试等结果并未发现 绕组层间绝缘情况的波形。虚线波形为被试件 度之比（ｄ／Ｓ）的关系 变压器有明显异常，结果表明它仍然是符合相 波形，实线波形为参考件波形，两波形大体一 绕线集肤深度定义为由于集肤效应使到体 关技术指标的。因此，可以推断，与普通变压 致，说明被测件良好，同一型号的被测件有可 内的电流密度下降到导体表面电流密度的ｉ／ｅ 器彻底损坏情况不同，这次故障中的高频变压 能存在轻微的差异，因而两波形不一定能完全 或３７％处的径向深度。即认为表面下深度为Ｓ的 器只是线圈匝间绝缘降低，在工作时存在打火 重合。 的厚度导体流过导线的全部电流，而在ｓ层以 现象，造成电感量突变而使功放模块输出端过 外的导体完全不流过电流。我们可以计算交变 电压，当过电压超出吸收电阻的负载能力、击 电流集肤效应的深度： 穿吸收电阻的同时，页损坏Ｍ０ｓＦＥＴ和二极管。 对于这种绝缘性能非彻底损坏而只是降低 ＝ ＝ 的情况，如何去有效测试呢？下面就介绍一种 式中，ｆ是交流电频率，ｏ是导体导电 方便直观的仪器——匝间耐压测试仪。 率， 是导体磁导率。７Ｏ℃时铜线的集肤深度 匝间绝缘测试有多种方式，目前国际上通 为： 用的是直接浪涌冲击法 该方法以检测被测品 ２８３７ ：—４ ｆ— （… ２ｊ的阻抗对称平衡情况为基本原理，将具有规定 图３匝问耐压测试仪测试波形 峰值和波前时间的冲击电压波，直接施加于同 ４．故障变压器和改进变压器的测试和试验 式中，厚度ｓ的单位是ｍ订ｓ，频率的单位 一设计的被测试品线圈和参照品绕组线圈上， 对比 是Ｈｚ。 利用冲击电压在两者中引起的衰减振荡波形有 针对高频变压器匝间绝缘降低的故障，新 屯子世界 一３５— Ｉ ．．皇王研霾…………………………一 光纤直放站在电气化铁路中对既有中继器＋漏缆方式的改造应用 中铁建电气化局集团第三工程有限公司 吴常广 【摘要】本文因邯长铁路进行电气化改造对既有无线列调系统存在问题进行分析，提出了采用光纤直放站解决无线信号场强覆盖的设计施工方案。 【关键词】中继器漏缆；光纤直放站 邯长铁路蜿蜒曲折，弯道多，弯曲半径较 小，途经太行山区，隧道较长，为提高邯长铁 路的运能，从２０１０年开始，对邯长铁路进行增 复线及电气化改造。邯长铁路既有无线列调通 信制式为４５０ＭＨｚ频段ｃ制式，弱场强覆盖方案 采用中继器＋漏泄电缆的方式。但由于邯长铁 路地形复杂，桥隧多，目前全线还存在很多处 无线列调弱场区，在这些区段车站，调度无法 和司机进行较好的联系。 １．中继器＋漏泄电缆覆盖 １．１原理 如图１所示，中继器＋漏缆覆盖方案是由 洞口中继器（Ｉ型），洞内中继器（ＩＩ型）， 漏泄电缆及天线、调相接头（含头、座）、固 定接头、终端接头（含头、座、阻抗转换）、 功率分配器、终端匹配负载等组成的。洞口中 继器通过无线与车站台联系，接收来自车站台 的下行信号，传送到漏泄电缆，完成弱场强区 （通常为隧道、山阻隔的弯道）的场强覆盖， 弱场强区的移动台发射的电波由漏缆和中继器 通过无线馈送给车站台，以此来实现列车在弱 场强区的通信。 哆 ………一 ……………一 … ？ … ………、 肿 一一 图２ Ｉ．２存在问题 １．２．１噪声级联 邯长铁路进行电气化改造，接触网高电压 设计了多股线绕制而成的高频变压器，变压器 参数对比如表１所示。 表１新旧变压器参数 和电力机车运行时，产生含谐波的大电流，从 而对周围的电磁环境产生严重的电磁干扰。 而采用中继器＋漏泄电缆覆盖方案受电磁 环境干扰，存在噪声级联累积放大的情况，直 接影响话音通信质量，因此中继器串接的设备 数量受到，在满足用户进行较好话音通信 的前提下，此方式只能解决一定距离的场强覆 盖。 ｌ＿２．２采用无线接力方式存在的问题 无线接力方式运用Ｉ型中继器接收、放大 车站电台发射的信号，再通过天线发射给下一 个Ｉ型中继器，下一个中继器采取同样的方式 向下传输，中继器的上行天线用于接力，下行 天线即接力同时也进行无线信号覆盖。 这种方式的缺点是，系统中的任一环节出 现故障，将会导致与其接力的设备接收不到信 号而不工作，造成大范围的盲区。 １．２．３自激问题 自激现象是指输出信号传入到输入信号 中，经过中继器设备内的放大电路放大输出， 然后又重新传入到输入信号中，再次放大，这 样一直重复下去，形成正反馈，形成噪声，最 后就形成刺耳的尖叫现象。 在中继器十漏缆的方式中，如果Ｉ型中继器 隔离度不够就会产生自激。 ‘ ２．解决方案 针对以上问题，对邯长线无线列调系统进 行改造，结合邯长线扩能改造的大施工环境， 邯郸一长治新敷设干线通信光缆的机会，把既 有的中继＋漏缆的方式改为光纤直放站，为光 纤直放站专门敷设８芯、１２芯或２Ｏ芯光缆。 光纤直放站系统由近端机、远端机、天 线、漏缆及相关的配件组成，其下行信号传输 的过程为：近端机把车站台信号放大到一ｌＯｄＢｍ 左右，转或为光信号通过光纤传送到远端机。 远端机把收到的信号进行功率放大，通过天线 或漏缆把下行信号覆盖到弱场区。 上行信号传输过程为：移动台信号通过 远端天线输入到远端机，把移动台信号放大 到一３０￣ＯｄＢｍ，然后送到远端机里的光端机， 转换为光信号通过光纤传送到近端机，然后耦 合到基站（车站台）（如图２所示）。如果是 无线型近端机，则把光端机输入的信号进行功 率放大，通过近端定向天线把上行信号传送到 车站台。 与中继器加漏缆方式相比，采用光纤直放 站的方式，在光纤资源丰富的情况下，近端机 可根据需要配置多个光收发模块，每个光收发 模块对应一个远端机，并与该远端机之间采用 根光纤来传送上下行信号。由于采用光信号 进行传输，传输速度快，干扰小。而且光纤直 放站系统具备遥控、遥测及完善的保护和报警 功能，不但可以对光纤直放站进行本地和远程 监控，还可以了解到设备的各个模块是否工作 正常。若工作不正常，监测系统会立即报警， 并报告监测主机。如果是设备软故障，通过远 程操作即可恢复故障，极大地方便了检修维 一护。 在本次的设计中，结合邯长扩能改造，针 对噪声级联的问题，既有中继器＋漏缆４５０Ｍ Ｃ 制式改造为光纤直放站４５０Ｍ Ｂ￥１Ｊ式，近端机分 别与远端机通过一条光纤相连，呈星型分布， 远端机之间互不级联，针对自激问题，改变正 反向馈线的线路走向，针对地形问题引起的弱 场强区，新设光纤直放站、双定向天线、增加 漏缆长度，加大了覆盖范围。 施工中，由于电气化铁路产生的大感应电 流，大于５００米的漏缆在每段的两端及中间加 设直流隔断器，在馈缆的入室端加接地卡，良 好接地，保证设备运行安全。 ３．结语 实践证明，光纤直放站通过光缆传输信 号，噪音小，受干扰小，维护方便，在铁路无 线列调改造中取得了很好的效果。 参考文献 【１］《列车无线调度通信系统制式及主要技术》ＴＢ／Ｔ ３０５２—２００２． 压器在制作上有缺陷，这样的波形说明旧变压 ５．结束语 本文以某设备中使用的高频变压器匝间绝 器内部绝缘性能己不好，在工作时能量损失较 大，而旧变压器在工作中确实存在温升过高的 缘降低的故障为例，详细分析了故障机理，并 问题。 介绍了一种高效测试变压器等磁性器件匝间耐 再对两种高频变压器分别进行温升试验情 压性能的方法，解决了该高频变压器的故 况如表２和表３所示 障，为相关领域的研究设计和生产可以提供一 表２旧变压器测量数据 定的借鉴意义。 工作时间１磁芯温度Ｉ线圈温度Ｉ ５ 一 备注 参考文献 ２３ ２８ ２８ ｌ０ — ４Ｏ Ｉ 室温２１℃。 ６１ 悃温升较大，只工作１ ‘‘－－－’一 １５ ８０ １ 线圈温度 ２６ ２８ 分钟 备注 【１］鲁百佐，刘志存．趋肤效应的实验研究Ⅱ］．物理测试，２００４，４． Ａｂｒａｈａｍ Ｉ．Ｐｒｅｓｓｍａｎ，开关电源设计【Ｍ］．北京：电子工业 出版社，２００５． 表３新变压器测量数据 工作时间 磁芯温度 ２ｌ ２１ ［３］ＪＢ／Ｔ ９６１５－－２ｏ０ｏＩ交流低压电机散嵌绕组匝问试验方 法［Ｓ］．２００１ 图４新旧变压器测试波形对比 １０ 运用匝间耐压测试仪，对新旧两种变压器 进行了测试，如图４所示。图中显示了在给定 ５ｋＶ脉冲电压后，两种变压器上产生的瞬态波 形。其中振幅高的为新变压器，振幅低的为旧 变压器，从图４中可以看出两个电感波形相差 较大。旧变压器的波形衰减明显，且积差和差 积数值也较大，分别为５１和７３。可以判断旧变 一ｌ５ ２０ ２５ ２２ ２２ ２２ ２７ ２７ ２７ 室温２１℃ ［４］孙东凯．匝问耐压测试仅的波形形成机制和工作原理 通过对新旧变压器进行匝间耐压测试和温 升试验，说明新的高频变压器改进效果明显， 解决了该高频变压器匝间绝缘降低的故障。将 新变压器装入设备，进行考核试验，结果显示 使用情况良好。 Ｕｊｌ中国仪器仪表，２０００，３：１８—２１ 【５１方亮，易灵芝，李进泽 绕组匝间绝缘测试研究Ｕ】．计算 技术与自动化，２０１０，６：５８． ３６一电早世界
