開關(guān)電源中的局部放電
發(fā)布時間:2021-09-07 來源:伍堂順 施三保 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】局部放電(partial discharge,簡稱PD)現(xiàn)象,通常主要指的是高壓電氣設(shè)備絕緣層在足夠強(qiáng)的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電,某個區(qū)域的電場強(qiáng)度一旦達(dá)到其介質(zhì)擊穿場強(qiáng)時,該區(qū)域就會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短(路橋)接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質(zhì)都會有一些影響,輕微的局部放電對電力設(shè)備絕緣的影響較小,絕緣強(qiáng)度的下降較慢;而強(qiáng)烈的局部放電,則會使絕緣強(qiáng)度很快下降。
一、局部放電現(xiàn)象
局部放電(partial discharge,簡稱PD)現(xiàn)象,通常主要指的是高壓電氣設(shè)備絕緣層在足夠強(qiáng)的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電,某個區(qū)域的電場強(qiáng)度一旦達(dá)到其介質(zhì)擊穿場強(qiáng)時,該區(qū)域就會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短(路橋)接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質(zhì)都會有一些影響,輕微的局部放電對電力設(shè)備絕緣的影響較小,絕緣強(qiáng)度的下降較慢;而強(qiáng)烈的局部放電,則會使絕緣強(qiáng)度很快下降。
實(shí)際上,局部放電現(xiàn)象不僅僅發(fā)生在高壓電氣設(shè)備中,也會發(fā)生在開關(guān)電源系統(tǒng)中,并且也有相應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)去檢驗(yàn)整個開關(guān)電源系統(tǒng)的絕緣是否滿足局部放電要求。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(cè)電壓(SELV)之間的重復(fù)峰值電壓超過了750V,并且,在絕緣層厚度上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm,則必須做局部放電測試認(rèn)證。
局部放電發(fā)生時,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
我們先來感受一下夜色中高壓輸電線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(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理主要有三個方面:
1.帶電粒子(電子、離子等)沖擊絕緣層,破壞其分子結(jié)構(gòu),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(xiàn)局部溫度升高,從而易引起絕緣的過熱,嚴(yán)重時就會出現(xiàn)碳化。
3.局部放電產(chǎn)生的臭氧及氮的氧化物會侵蝕絕緣,當(dāng)遇有水分則產(chǎn)生硝酸,對絕緣的侵蝕更為劇烈。
見微知著,局部放電測試的目的就是為了發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣中潛在的薄弱點(diǎn),在未釀成災(zāi)難性的后果前,即有針對性的進(jìn)行補(bǔ)救、改善或者更換。
根據(jù)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七種方法,見圖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(shù)字局部放電儀的原理就是脈沖電流法,對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)有IEC60270,對應(yīng)的國標(biāo)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(shè)備通用技術(shù)條件第4部分:脈沖電流法局部放電測量儀;
● DL/T 417-2006電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)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?yàn)榫植糠烹娛潜容^復(fù)雜的物理現(xiàn)象,必須通過多種表征參數(shù)才能全面的描繪其狀態(tài),同時局部放電對絕緣破壞的機(jī)理也很復(fù)雜,需要通過不同的參數(shù)來評定它對絕緣的損害,目前主要以如下兩個參數(shù)來判定。
1. 視在放電電荷——在絕緣體中發(fā)生局部放電時,絕緣體上施加電壓的兩端出現(xiàn)的脈動電荷稱之為視在放電電荷,單位用皮庫(pc)表示,通常以穩(wěn)定出現(xiàn)的最大視在放電電荷作為該試品的放電量。
2. 放電重復(fù)率——在測量時間內(nèi)每秒中出現(xiàn)的放電次數(shù)的平均值稱為放電重復(fù)率,單位為次/秒,放電重復(fù)率越高,對絕緣的損害越大。
二、開關(guān)電源系統(tǒng)中的局部放電
這里先解釋一下安全二次側(cè)電壓SELV的含義,SELV是safety extra low voltage的縮寫,指的是不超過50Vrms的交流電壓和不超過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(jī)接口,液晶屏,按鍵等人體可以直接觸摸到的設(shè)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(cè)高壓端之間必須是加強(qiáng)絕緣,同時還需要注意,如果一次測高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓超過了750V,并且,在絕緣層厚度方向上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm,則還必須增加局部放電測試認(rèn)證。
如圖4所示三相變頻器中,左下角綠色虛線圍起來的部分就是SELV電路,輔助電源SPS左側(cè)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,都必須滿足加強(qiáng)絕緣要求。
圖4.三相變頻器結(jié)構(gòu)框圖
以三相480V變頻器為例,交流輸入線電壓為480Vrms,則其母線電壓平均值為480*1.35=648Vdc,也就是進(jìn)入輔助電源SPS的工作電壓就是648V,這個電壓值已經(jīng)非常接近750V這個閾值,同時,需要注意的是,750V閾值電壓是在整機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中,實(shí)際測試得到的一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓,用高壓差分探頭分別勾取兩邊的監(jiān)測點(diǎn),若此電壓超過750V,同時,在絕緣層厚度方向上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm,則局部放電測試認(rèn)證必做。
假設(shè)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,這里為了簡化電路,變壓器T1的輸出只設(shè)計(jì)了兩路輸出電壓,分別給IGBT的驅(qū)動器和MCU側(cè)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(qiáng)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足加強(qiáng)絕緣要求,同時,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足加強(qiáng)絕緣要求。
圖5.單管反激變換器簡圖
回到本文的重點(diǎn),接下來測試一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓是否超過750V閾值電壓。有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)都知道,在開關(guān)電源中,重點(diǎn)是要找到變換器中的“動點(diǎn)”,也就是電壓的變化率dv/dt最大的節(jié)點(diǎn),在圖5中,一次側(cè)高壓端的監(jiān)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(cè)SELV的監(jiān)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(cè)、二次側(cè)之間檢測到最大電壓為作為設(shè)定局部放電電壓UPD的基準(zhǔn)。
圖6.重復(fù)峰值電壓監(jiān)測示意圖
圖7是一張實(shí)測的一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓波形圖(CH1黃色),可以看到,此電壓已經(jīng)超過了750V的閾值,同時,變壓器結(jié)構(gòu)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(rèn)證是板上釘釘了。
圖7.重復(fù)峰值電壓實(shí)測波形圖
說到這里,估計(jì)有的同學(xué)就會問了,為什么以前沒有做過局部放電這項(xiàng)測試呢?原因主要有兩點(diǎn):
1.以前確實(shí)沒有對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求強(qiáng)制通過局部放電測試,變頻器中增加這項(xiàng)測試也是約四年前的事;
2.電源整機(jī)降成本帶來的附贈產(chǎn)物,如圖8所示,以前傳統(tǒng)的給SELV電路供電是采用兩級變換器的方式,先通過一級DC-DC變換器將BUS母線降低為48V或者更低,再通過一級隔離DC-DC變換器給SELV電路供電,因?yàn)榈诙壐綦xDC-DC變換器之間的壓差不可能超過750V閾值,所以,局部放電測試就無需再做,只需要滿足對應(yīng)的加強(qiáng)絕緣要求即可。
但是,現(xiàn)在的電源整機(jī)由于降成本的壓力,與圖5所示一樣,將傳統(tǒng)的兩級變換器改為一級DC-DC變換器,同時給SELV電路和其他的比如驅(qū)動電路等供電,趕上新的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行,那局部放電測試就和其他安規(guī)項(xiàng)目一樣,成為必修課了。
圖8.傳統(tǒng)SELV兩級變換器供電方式
三、局部放電測試的標(biāo)準(zhǔn)
IEC61800-5-1中對于局部放電測試的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)峰值電壓為1100V,則在做局部放電測試時,對應(yīng)的加載測試電壓的峰值就是1.875*1100=2062.5V;同時,也可以觀察到圖7中的有效值為559.8Vrms,則對應(yīng)的測試電壓也可以按照1.875*559.8Vrms=1049.6Vrms加載。因?yàn)闇y得的重復(fù)峰值電壓波形并不是標(biāo)準(zhǔn)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間曲線
局部放電測試通過的判定標(biāo)準(zhǔn)是在第二段1.5UPD電壓施加期間的視在放電電荷不超過10pC,如果超過10pC即判定為不合格?;氐角笆龅娜嘧冾l器中,需要通過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(shù)字局部放電儀,圖11是變壓器的局部放電測試場景。
圖10.MPS數(shù)字局部放電儀
圖11.變壓器局部放電測試
四、預(yù)防局部放電的措施
從前面兩個章節(jié)的陳述中,大家應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了,輔助源SPS變壓器的設(shè)計(jì)是通過局部放電測試的關(guān)鍵,所以,這個章節(jié)就重點(diǎn)介紹預(yù)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)過程開始管控,防止其生產(chǎn)過程中混入導(dǎo)電性沉積物、金屬碎屑、浮泡和濕氣等,造成后續(xù)使用這些絕緣材料的產(chǎn)品無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
圖12.麥拉絕緣膠帶和骨架
2、以變壓器設(shè)計(jì)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(shù))等級的絕緣材料,可以有效的滿足加強(qiáng)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
3、增加氣隙長度和爬電距離,以降低電場強(qiáng)度。以圖7中測得的UPD電壓有效值559Vrms去查詢對應(yīng)的加強(qiáng)絕緣爬電距離要求,如圖14所示,在污染等級為Ⅱ類,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,則滿足加強(qiáng)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.爬電距離查詢表
對變壓器設(shè)計(jì)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9mm,如圖15所示變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)圖,骨架左右兩側(cè)的擋墻寬度至少要大于4.5mm,則上下兩個相鄰的繞組的擋墻寬度加起來就大于了9mm,滿足加強(qiáng)絕緣爬電距離要求。這也意味著,如果要滿足加強(qiáng)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包。
圖15.變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)圖
4、增加絕緣層的厚度。局部放電是因?yàn)槲矬w內(nèi)部局部范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度超過絕緣介質(zhì)的強(qiáng)度而發(fā)生的物理現(xiàn)象,電場強(qiáng)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強(qiáng)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(shè)計(jì)為例,增加SELV繞組與相鄰的兩個繞組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(shè)計(jì)通過局部放電測試有著非常大的影響。圖16就是加不同層數(shù)的麥拉膠帶的局部放電對比結(jié)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(chǔ)上增加了一個屏蔽層繞組,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了局部放電測試。
圖16.麥拉膠帶層數(shù)對局部放電結(jié)果的影響
細(xì)心的同學(xué)估計(jì)注意到了,圖15的變壓器繞組結(jié)構(gòu)沒有采用三明治繞法,當(dāng)然,這種繞法結(jié)構(gòu)確實(shí)會導(dǎo)致變壓器的漏感變大。工程應(yīng)用中,兩相其害取其輕,漏感只能通過外部電路的配合來降低其影響。
另外,SELV繞組的出線,除了需要用鐵氟龍?zhí)坠艽┕芡?,建議最好不要與一次側(cè)高壓繞組的出線端交叉。
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(nèi)部,可以彌補(bǔ)骨架、麥拉絕緣膠帶上面的空洞、氣泡等缺陷,同時,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,降低滿足加強(qiáng)絕緣的爬電距離要求。
五、小結(jié)
局部放電測試在開關(guān)電源中還是一個比較小眾的話題,本篇文章從三相變頻器的SELV電路的加強(qiáng)絕緣說起,簡要介紹了局部放電的標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)防措施,重點(diǎn)介紹了輔助電源SPS的變壓器設(shè)計(jì)如何滿足加強(qiáng)絕緣和通過局部放電測試。當(dāng)然,在圖4的框圖中,DSP與MCU之間的數(shù)字隔離芯片也是需要通過加強(qiáng)絕緣和局部放電測試認(rèn)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。
來源:英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體,原創(chuàng):伍堂順 施三保
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會者蒞臨SPS 2024?展會參觀交流,體驗(yàn)最新自動化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦