变压器的可靠性设计与试验
Design and Test for Reliability of Transformers


可靠性问题是人们在使用各种产品中形成的概念，已经有久远的历史。人们常说的“耐用不耐用，安全不安全，故障多不多，能不能正常使用”......，即在预期的工作环境或条件中，或是过早地损坏、或是使用性能降低、或是故障频繁、或是危及人身安全和本系统及相关产品的使用性能与寿命等，都属于可靠性问题。所以，“可靠性”已为产品设计、制造与管理工作者高度重视。变压器是设备或系统工作比例较小的元件，其技术含量和资金投入都是如此。但是因为变压器的可靠性问题所造成的后果较其它一些元件的失效后果更严重一些，所以变压器工作者对其可靠性问题也更为重视。

1 变压器的可靠性设计问题
我们都知道，目前变压器的设计生产几乎都是定制型的——即有特定的设备或系统工程对象以及相应的使用条件与环境，在货架上自由买卖的品种与数量很少。然而，这并不影响其设计中仍有一些未知条件。如①多样化的使用环境。因为产品销售的国际化，其使用地域范围十分广阔。环境的多变性随时会给设备及其元件带来新的影响。我们的实践证明，在现代社会，即使很小批量的产品，既有可能在高山大漠等非常干燥的气候中使用，也有可能在海岸 、海岛以及海洋船舶等具有高温度、高腐蚀性环境下使用。设备与其元件设计制造必须考虑这类情况。②设计制造中所用原材料、零部件的未知因素。如它们与技术条件或标准的一致性如何，甚至可能是不合格品或假冒产品。这些在主观因素之外的影响，是产品可靠性的大敌。设计制造中严格选材，谨慎采购是保证产品可靠性不可缺的。③系统或设备设计本身的缺陷或局部损坏可能造成元器件的超载工作。④制造、运输过程中的影响如冲击、碰撞、温度、湿度、受力等。
基于以上这些不确定因素，在设计上一般以增加合适的安全系数（包括电性能指标如过载、机械指标如冲击，温度变化应力，防腐蚀等化学影响等）为解决办法。所谓“合适”是对产品可靠性、成本、使用寿命等的综合评估；它的确定，除通过一些试验验证外，设计人员的经验是非常重要的。非特殊情况下使用或者采用特殊材料时，一般可以凭经验来确定安全系数。

2 电子变压器的可靠性试验项目及方法
2.1 振动、冲击试验
振动、冲击试验就是在试验室人为地给试验样品一个设定的振动、冲击强度，以考验产品在该振动、冲击强度下工作的可靠性。
大家知道，变压器的线圈、磁芯及其他的机械连接、紧固，在振动、冲击等机械力的影响下都会造成绝缘强度、连接牢度等变化。变压器在制造和使用过程中，受机械力、温度变化热胀冷缩等的影响是不可避免的。这些影响有可能造成的机械损坏而使变压器击穿等。通过振动、冲击试验除可对用户提出合理的使用须知外，则可寻求出合适的设计安全系数。
振动、冲击试验一般在企业的环境试验室进行。振动试验时，变压器按其实际工作的固定方式牢固地固定在振动台上，且线圈通路。然后，按技术条件的要求将设备调整到需要的振动频率、加速度、振动次数或时间；非特别要求时，一般变压器应承受50Hz的频率、2g的加速度、连续一个小时的作用。冲击试验的方法与振动试验相同，一般变压器应能承受频率为40～80次/分、加速度为10g、总冲击次数为1000次的作用。
样品经振动、冲击试验后，要进行外观、直流电阻（即有无开裂或断路）和空载电流的检查。
2.2 低温试验
变压器进行低温试验的目的，是考虑它们在低温状态下工作时，容易造成机械性损伤，如灌封材料的机械性开裂而影响使用；或者产品在生产过程中防潮措施不完善，线圈等吸收了较多水分，在低温状态下工作时，水气易结成冰造成体积膨胀，使变压器的绝缘材料受到破坏而失效。

低温试验方法为：将变压器置于温度预调到-25℃的低温箱内，按表1的时间保持试验时间。保温时间到点后，待箱内温度逐渐恢复到规定值后，自箱内取出，再在正常大气条件下恢复2个小时后擦干样品表面水珠，进行检查。试验样品符合下列要求方可认定为合格：外观没有锈蚀、裂痕或其他机械性损伤；线圈、磁芯及其他配件的安装牢度无变化；外型尺寸及安装尺寸符合图纸尺寸公差；抗电强度和感应电压符合设计指标。
2.3 高温试验
鉴于在高温状态下，变压器所使用的绝缘材料（薄膜、漆）的绝缘电阻将有显著下降，从而造成击穿电压和电晕电压降之下降；同时“高温”会促使绝缘材料加速老化，缩短使用寿命。为保证变压器在高温环境下的正常使用，必须通过试验以改进设计。

高温试验方法：将变压器试验样品置于预调到表2规定的极限工作温度的高温箱内，它们在箱内彼此之间以及与箱壁之间的距离应不小于10cm。其在箱内保温时间见表3。达到保温时间后，样品从箱内取出①立即进行绝缘电阻检查，应符合各绕组间及各绕组与磁芯间的绝缘电阻大于20MΩ（用兆欧表或摇表测试、测试电压为直流500V）；②测量电晕电压；③测量感应电压和④按抗电强度试样表规定的试验电压的75%进行抗电强度试验。


2.4 恒定湿热试验
变压器的恒定湿热试验与交变湿热试验都是为了考核其在高温受潮时的绝缘性能、抗腐蚀防锈等能力，提供设计（及选材）依据，保证产品在所要求的环境中能正常工作，因为高温潮湿环境对以上性能的影响特别严重。
恒定湿热试验的方法：将试验样品放入箱内的相对湿度为90%～95%的试验箱内，在温度为45℃±2℃的条件下保持48小时。试件取出后即擦干表面的水珠，放在正常大气压和常温下恢复2小时后进行检查。样品应符合：①外观无锈蚀、裂痕或其它机械性损伤；线圈、磁芯及配件保持原安装时的牢固度；外型尺寸和安装尺寸符合设计要求；②变压器次级开路、初级施加额定频率的额定电压时，空载电流、空载电压、空载损耗应符合技术条件的要求；③绝缘电阻≥10MΩ；④抗电强度按规定试验无击穿现象；⑤变压器随施加于绕组两端的感应电压试验时，回路电流不得显著增大，绕组无灼热、飞弧、击穿或损伤迹象。

2.5 交变湿热试验
试验方法：交变湿热试验是将试样置于试验箱中。试验以升温、高温高湿、降温、低温高湿等四个阶段为一个周期，共进行四个周期，每个周期为24小时，如图1所示。

交变湿热试验周期图说明：
①升温阶段：在2小时左右的时间内，将试验箱内的温度由室温升至55±2℃，而箱内的相对湿度应大于95%。其温度、湿度的控制应能保证试样表面有凝露，但相对湿度不应为100%。
②高温度高湿阶段：当温度达到55℃，相对湿度达到93±3%时，即进入高温高湿阶段。升温阶段和高湿阶段的时间和为12小时。在此阶段结束前的15分钟，试件表面应避免凝露。
③降温阶段：在36小时内，将试验箱内的温度从55℃降到25℃，这阶段的相对湿度保持在90%以上。
④低温高湿阶段：当试验箱内温度降到25±2℃、相对湿度达到93±2%时，即进入低温高湿阶段，此阶段保持到24小时试验期结束止，约9小时左右。
检验：试验周期结束后，自试验箱内取出试样并擦干表面，在5小时内进行下列检查：①铁芯表面和安装螺钉允许有少许斑点状锈蚀，其它外观部分均符合设计要求；②抗电强度、感应电压试验、空载电流检测均达到要求。

2.6 低气压试验
在低气压状况下，变压器引出线之间及引出线对地之间的空气击穿电压的下降比较显著。为了保证设备在空用或高压地区的正常、安全可靠地工作，故进行低气压试验。

试验方法：低气压试验主要是考验引出端之间及其对地的抗电强度，它们主要是考验引出端之间及其他地的抗电强度，它们主要由出头距离的尺寸的决定，也就是决定于绕线时的操作。由于每一批产品不是完全由同样的绕线工操作，故每批试样必须挑选引线间距离最小的产品。试验时，将试样置于低气压箱内，降低气压至表4所列规定值，保持5分钟，在压力表上的气压指标值不变时进行抗电强度测试。

2.7 热冲击试验
热冲击试验是人为地制造环境温度的骤变，以考验产品在经受温度剧变后产品的质量与性能。现代电子设备的使用环境很复杂，如航空电子设备在飞机起降的很短时间内，就可能从零下几十度聚升到零上几十度，降落时则反之。这必须造成变压器的热胀冷缩，从而产生机械应力使变压器的结构材料、绝缘材料、灌封材料等的损伤甚至破坏。故通过试验以选取必要的设计安全系数。
热冲击试验的方法：将试样置于温度冲击试验箱（490ST-15型）内，以-55℃到+100℃的范围设置好温度，按表5中规定的保持时间，连续进行五次循环试验。

检查：连续五次温度冲击结束后，从高温状态下取出，在正常大气压的室温下放置不少于表6时间后进行检查。


2.8 防霉变、防腐蚀试验
防霉变、防腐蚀是近海和海上使用的电子设备所不忽视的一项工作。
霉变、腐蚀试验根据用户要求在一定模拟环境下进行。一般企业的环境试验部门条件不具备，可以与工艺部门合作进行。

2.9 负载特性试验
变压器负载特性试验的目的是验证其性能是否达到设计要求，检验其各绕线圈的匝数符合设计参数。
变压器负载特性的试验检测可以在其高温试验中进行。当被试验的样品达到温升温定状态后，即先予测量负载电压，然后检测高温试验的有关参数或状态。负载电压在设计要求的范围内即为合格。

2.10 空载特性试验
变压器在次级开路、初级施加额定频率的额定电压时，空载电流、空载电压、空载损耗应符合技术设计的要求。
空载特性试验方法：
空载特性试验所用测试电路图如图2所示。

图中：T1——调压器，T2——被测变压器，F——保险丝，S1——单刀双掷开关，S2——单刀单掷开关，A——精度为1.5级的有效值电流表，W——精度为2.5级的、功率因数cosφ≤0.2的低功率因数瓦特表，V1——精度为1.0内阻不低于1kΩ/V交流电压表，H2——精度为0.5级的频率计，L1——被测变压器初级线圈，L2——被测变压器次级线圈。
测量空载电流值：
将S1合向位置“1”，调节T1，使交流电压表V1的读数为额定值，记录电流表A的指标值（扣除电压表V1的分流值）即为空载电流值。
测量空载电压值：
如上述测量时，保持交流电压表V1读数为额定值，将开关S2闭合，记录交流电压表V2的指标值即为空载电压值。
计算空载损耗：
将S2断开，S1合向位置“2”，重新调节T1使交流电压表V1的读数为额定值，记录瓦特表指示值，按下式即可换算空载损耗。

式中，P0——被测变压器的空载损耗，W；P——瓦特表W的指标值，W；U1——交流电压表V1的指标值，V；Rv1——交流电压表V1的内阻，Ω；IA——电流表A的指标值，A；Rw——瓦特表所选用的电流量程的电流线圈内阻，Ω。
进行空载电流和空载损耗测量时，要求测试电源频率误差≤±1%。
从理论与经验上讲，变压器在空载状态运行时，磁芯中主磁通的量值是由线圈电压决定的， 因此，当在变压器初级加上额定电压时，磁芯中主磁通达到了额定的数值，这时磁芯中的功率损耗（铁损）也达到了变压器额定工作状态下的数值。因此，变压器空载时，不予计算、初级的输入功率即可以认为全部是变压器的铁损。

2.11 过负荷试验
过负荷试验是考核变压器在电源电压于+10%范围工作时，能否经得住考验；它是变压器可靠性的一项重要指标。大家清楚，变压器在额定负载下工作时，如果电源电压增加10%，那么电流也要增大10%，磁通密度增大10%，而VA值、铁损、铜损都有要增大21%；这就必然会使变压器的温升超过正常值，从而可能造成变压器的烧毁或击穿，或使其绝缘系统加快老化造成使用寿命缩短。
过负载试验的方法：将变压器试样放置于恒温箱中，箱内温度设置在技术条件规定的最高环境温度，使变压器处于额定工作状态，然后将初级电压提高到额定值的1.12倍，在负荷状态下连续工作8小时后，应能通过以下检查：感应电压、空载特性、外观。
变压器的可靠性试验应进行哪些项目，应根据产品的技术条件或设计承制协议规定选取，不必试验全部项目。

（转载自《电子变压器设计》2003年第1期）