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)域的電場強度一旦達(dá)到其介質(zhì)擊穿場強時,，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,，絕緣強度的下降較慢,；而強烈的局部放電,，則會使絕緣強度很快下降,。
實際上，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，在未釀成災(zāi)難性的后果前,，即有針對性的進行補救,、改善或者更換。
根據(jù)局部放電能量釋放方式的特點,，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。
因為局部放電是比較復(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之間，都必須滿足加強絕緣要求,。
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閾值電壓是在整機實際運行過程中,，實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，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絕緣要求,。
圖5.單管反激變換器簡圖
回到本文的重點，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)驗的同學(xué)都知道,，在開關(guān)電源中，重點是要找變換器中的“動點”,，也就是電壓的變化率dv/dt最大的節(jié)點,，在圖5中，一次側(cè)高壓端的監(jiān)測點就可以選為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)峰值電壓實測波形圖
說到這里,，估計有的同學(xué)就會問了，為什么以前沒有做過局部放電這項測試呢,？原因主要有兩點：
1. 以前確實沒有對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求強制通過局部放電測試,，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,，因為第二級隔離DC-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)的加強絕緣要求即可。
但是,，現(xiàn)在的電源整機由于降成本的壓力,，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中實際測得的電壓,。需要注意的一點是，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,。因為測得的重復(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)計是通過局部放電測試的關(guān)鍵,，所以,，這個章節(jié)就重點介紹預(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)計要求,。
圖12.麥拉絕緣膠帶和骨架
2,、以變壓器設(shè)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(shù)）等級的絕緣材料,，可以有效的滿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,，以降低電場強度,。以圖7中測得的UPD電壓有效值559Vrms去查詢對應(yīng)的加強絕緣爬電距離要求，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,，滿足加強絕緣爬電距離要求,。這也意味著，如果要滿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。局部放電是因為物體內(nèi)部局部范圍內(nèi)的電場強度超過絕緣介質(zhì)的強度而發(fā)生的物理現(xiàn)象,，電場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(shè)計為例，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,，重點介紹了輔助電源SPS的變壓器設(shè)計如何滿足加強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,。