变压器失效分析.doc

宇航用电感器和变压器失效特征1 引言在设计宇航用功率电子元器件中，存在着许多风险。为了确保最高标准的质量和可靠性，通常有许多标准被强制应用于宇航用元器件的零部件设计、制造过程，以达到其在使用中失效减到最少的目的。对于定制的宇航用电磁器件，所依据的标准是美国标准MIL-STD-981空间飞行用磁性器件设计制造要求。虽然宇航用元器件失效的安全和替换费用昂贵到无法估量，但是在工程设计中不能过分强调其可靠性的重要性。由于应用于宇航用的元器件的数量很少，因此，很难区分出失效设计缺陷、过应力或因为不良的电子元器件所引起的。为了减少电子元器件的应力，每只宇航用功率电子元器件在应用设计中应按工程要求进行降额。另外，大量的电子元器件在宇航工程中装机之前需逐一进行筛选。作为附加安全保险，除了需承受的电应力外，工程项目办公室通常要求进行一些附加的分析，包括失效模式和后果、可靠性、最坏条件电路、安全、辐射、维修性、机械应力、热等。即使在完成了所有这些分析之后，主要元件通常还需在整个可能的各种工作和非工作情况下进行试验。尽管有这些标准、严格的试验以及相应的高成本，但某些失效仍然会发生。客观上，希望知道失效与所进行的试验和分析的类型之间是否存在某一种关系。对于功率电子元器件，如果能确定某一些试验和分析的性能就能极大地提高任务的成功率，而不进行其他试验和分析;则在试验和分析的选择上就能给用户提出较好的建议，而使每一美元的费用具有最好的价值。2 研究焦点对于鉴别宇航用元器件失效的机理的目的，合乎逻辑的做法是关注关键分立元器件而不是制造成的一个单元的组件。这种观点的一个明显理由是只设计供宇航用的元器件的数量很少，因而限制了评价用的样品数量。相反，某些特定的元器件，例如电源电感器和变压器，是构成功率电子元器件结构的基本单元。因此，对评价电感器和变压器用样品的合理数量提出建议是研究的关注点;并合理地认为这是两种结构简单、材料耐用和技术成熟的元器件;为此而提出的问题是采用多少数量且按MIL-STD-981的要求进行试验才确实能反映这两种元器件的可靠性指标。3 研究途径对宇航用电感器和变压器的失效数据进行收集和分析。电感器和变压器数据的主要来源包括以下几个方面：a) 美国政府工业数据交换项目(GIDEP);b) 美国宇航局对设计和试验可靠性的推荐的规程：课程学习资料;c) 磁性元器件制造厂;d) 电子元器件筛选试验室，等等;3.1 失效数据分析对收集的数据进行评价并可归为以下几类：a) 失效按来源分类，即：制造、设计、装机;b) 失效按故障类型分类，即：开路、短路、特性不合格、其它; 发生失效的频度 单件数量c) 每年发生的总失效数;d) 由于检测方法引起的失效数。3.1.1 失效界定从调查的失效报告看出，制造、设计与装机的失效之间的分界线是模糊的。下面的定义是美国某研究中心拟定的有助于在各种界线之间区分，并提供分类的一致性。关于失效，这里采用了最常用的分类方法。a) 制造失效主要表现为： 不合适的制造过程; 使用错误的材料; 低劣的加工质量; 不正确的装配; 不正确的操作封装和运输。b) 设计失效主要表现为： 基本设计缺陷; 不合适的材料规范; 不正确的试验规范; 不正确/不合适的装机指南。c) 装机失效主要表现为： 低劣的装机质量; 不合适的连接; 操作不当; 不符合装机规范。 3.1.2 失效结果分析 根据此分析中使用的有效GIDEP数据，提出以下意见： a) 磁性元器件在开路模式多于短路模式; b) 制造差错引起的失效多于设计或装机差错引起的失效; c)制造技术的逐年进步未显示出与制造相关的失效逐年减少; d)在温度循环试验中失效的元器件多于其他试验; e)大约20%的失效是在使用中发生的; f)在使用中发生的失效有多种原因，而绝缘击穿和不正确的焊点较为普遍。 3.2 试验顺序 信由磁性元器件制造厂对电源变压器和电源电感器进行MIL-STD-981中B组试验的相对优先排序，磁性元器件制造厂通常进行一些试验，以证实其产品符合用户规范的规定。这些试验中的某些项目符合MIL-STD-981手册的表4-B组电源变压器和电感器的试验的规定，如： a) 温度冲击; b)老炼; c)密封(适用时); d)介质耐电压; e)感应电压; f)绝缘电阻;g)电特性;h) X光检杳;i)目检和尺寸检查 (外部的)。 对磁性元件制造厂进行调查，根据其试验，如何评价MIL-STD-981中各试验项目的相对重要性。被调查的一些制造厂，按MIL-STD-981 标准进行了试验，而另一些则未按规定进行。但对其数据分析后未发现两者有明显的差异。 3.2.1 调查结果 通过对磁性元件制造商的调查结果，对MIL-STD- 981 中各项试验项目的相对重要性得出结论如下： a) 根据用户应用所进行的试验项目; b)不考虑应用，大多数磁性元器件制造厂将介质绝缘和电特性视为最优先的试验项目; c)密封和X光检查通常被认为是最低限的要求。需要注意在某些应用中， 这些试验则是必需的。 对众多制造商的调查结果见图2。图中反映了根据试验产生失效倾向的所示试验项目的相对重要性。图中序号 “5”表示排序中的最高，建议这项试验将最能暴露元器件的潜在失效;相反，序号“1” 表示该项试验是排序中最低位，暴露元器件的潜在失效可能性最小。图中“%”值，表明对调查问题所给出试验项目所示序号的制造厂的百分比。 4 结论 按照失效原因、故障类型和发生的频度，年度发生率统计和检测方法，对宇航用电源电感器和变压器的失效进行了分析和归类。以及磁性元件制造厂的经验对MIL-STD-981的试验项目产生绝大多数失效所具有的潜能。研究结果如下： a)磁性元器件所遇到的失效，特别是电感器和变压器，不是很常见的。 b)收集的数据表明： 磁性元器件的失效开路模式多于短路模式; 制造差错造成的失效多于设计或装机差错造成的失效; 随着制造技术的不断进步，由于制造差错造成的失效并不是逐年减少; 元器件在温度循环试验中的失效多于其他试验; 绝缘击穿和不正确的焊接点多数是在使用中产生的失效。 c) 来自磁性元器件制造厂的调查显示： 磁性元器件制造厂通常认为电介质和电测试项目是在最优先的，而密封和X 光检查通常认为排位最低。 宇航用元器件研发和要保持高可靠必须维护反映失效趋向的有效数据库，以支持对失效机理的分析和了解，这些费用也在不断提高。对于这些工作我国目前还属空白，仍有待于大量的工作和数据积累。电子基础知识-变压器工作原理一、变压器的制作原理：在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。二、分类按冷却方式分类：干式(自冷)变压器、油浸(自冷)变压器、氟化物(蒸发冷却)变压器。按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、壳式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、环型变压器、金属箔变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。三、电源变压器的特性参数工作频率变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。额定功率在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。额定电压指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流(产生磁通)和铁损电流(由铁芯损耗引起)组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗(铜损)，这部分损耗很小。效率指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。绝缘电阻表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。四、音频变压器和高频变压器特性参数频率响应指变压器次级输出电压随工作频率变化的特性。通频带如果变压器在中间频率的输出电压为U0，当输出电压(输入电压保持不变)下降到0.707U0时的频率范围，称为变压器的通频带B。初、次级阻抗比变压器初、次级接入适当的阻抗Ro和Ri,使变压器初、次级阻抗匹配，则Ro和Ri的比值称为初、次级阻抗比。在阻抗匹配的情况下，变压器工作在最佳状态，传输效率最高。五、低频变压器的技术参数对不同类型的变压器都有相应的技术要求，可用相应的技术参数表示。如电源变压器的主要技术参数有：额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能。对于一般低频变压器的主要技术参数是：变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等。电压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当N2N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2式中n称为电压比(圈数比)。当nN2，V1V2，该变压器为降压变压器。反之则为升压变压器。变压器的效率：在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即式中为变压器的效率;P1为输入功率，P2为输出功率。当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率等于100%，变压器将不产生任何损耗。但实际上这种变压器是没有的。变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损。铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。变压器的铁损包括两个方面。一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。另一是涡流损耗，当变压器工作时。铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。关于就变压器的可靠性测试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。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。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。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4080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20M（用兆欧表或摇表测试、测试电压为直流500V）；测量电晕电压；测量感应电压和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452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：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；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；绝缘电阻10M；抗电强度按规定试验无击穿现象；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： 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552，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%。 高温度高湿阶段：当温度达到55，相对湿度达到933%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。 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。 低温高湿阶段：当试验箱内温度降到252、相对湿度达到932%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：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；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cos0.2的低功率因数瓦特表，V1精度为1.0内阻不低于1k/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，；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，。 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。