隨著SiC等大功率半導(dǎo)體器件的使用，高頻變壓器中非正弦方波電壓上升與下降沿出現(xiàn)陡脈沖應(yīng)力，給高頻變壓器絕緣可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)。

西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊圍繞dv/dt對高頻變壓器絕緣介質(zhì)損耗與沖擊能量積聚的影響展開研究。采用階躍響應(yīng)函數(shù)模擬高dv/dt脈沖電壓，結(jié)合絕緣介質(zhì)損耗分解與計算，提出了dv/dt與方波電壓疊加下絕緣介質(zhì)損耗的計算方法。研究結(jié)果為大容量高頻變壓器絕緣失效與設(shè)計提供指導(dǎo)。

工頻變壓器和高頻變壓器的區(qū)別

日常生活中我們可以看到變壓器的品種有很多，常見到的就是按頻率分類的R型低頻變壓器、中頻變壓器和高頻變壓器。

首先是低頻變壓器。從名稱上看，它的頻率應(yīng)該很低。通常，低頻變壓器的頻率是50-60Hz，我國常用頻率為50Hz，而一些外國國家使用60Hz。目前，許多低頻變壓器也被稱為工頻變壓器。過去，低頻變壓器常用于電源電壓轉(zhuǎn)換，這些電源轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性采用線性調(diào)節(jié)，因此低頻電源變壓器也被稱為線性電源變壓器。

低頻變壓器通常由鐵芯、繞組、絕緣材料等制成。低頻變壓器的設(shè)計應(yīng)使銅損壞等于鐵損壞，以減少變壓器的損失，使工作更加穩(wěn)定。有些廠家在設(shè)計制造時為節(jié)約成本而減少銅的用量，常常減少銅線圈數(shù)，這樣會使空載電流增大，同樣空載損耗也會增加，如果變壓器長時間處于這種狀態(tài)，就會造成能源的浪費。很多使用的設(shè)備或許都沒注意到這一點，但這也是變壓器使用過程中非常重要的一點。

而高頻變壓器實際上是一種工作頻率高的電子變壓器。高頻變壓器的一般工作頻率大于20KHz以上。高頻變壓器的主要核心是磁芯，與低頻變壓器不同。它具有高磁導(dǎo)率和高電阻率。當(dāng)有一定的線圈匝數(shù)時，它可以通過小的激磁電流承受高額外電壓。因此，在一定的輸出功率要求下，磁芯體積可以減小。

高頻變壓器通常用于開關(guān)電源，是儲存和傳輸能量的重要組成部分。高頻變壓器在單片開關(guān)電源中的性能不僅對電源效率有很大的影響，而且與電源的其他指標(biāo)和電磁兼容性直接相關(guān)。因此，高效高頻變壓器應(yīng)具有直流損耗低、交流損耗低、漏感小、繞阻本身分布電容和繞阻耦合電容小的特點。

電力電子變壓器（PET）是實現(xiàn)可再生與分布式能源接入、并網(wǎng)和靈活交直流輸配電的關(guān)鍵設(shè)備。高頻變壓器是PET的核心部件，與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，高頻變壓器承受高頻非正弦電壓，電壓波形通常為雙極性方波。功率半導(dǎo)體器件的快速開通和關(guān)斷造成快速的電壓上升沿，高次電壓諧波也會疊加在瞬態(tài)繞組電壓上，導(dǎo)致高頻變壓器中出現(xiàn)多頻電應(yīng)力，給高頻變壓器絕緣可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)。

介質(zhì)損耗的定義及意義

電介質(zhì)就是絕緣材料。當(dāng)研究絕緣物質(zhì)在電場作用下所發(fā)生的物理現(xiàn)象時，把絕緣物質(zhì)稱為電介質(zhì);而從材料的使用觀點出發(fā)，在工程上把絕緣物質(zhì)稱為絕緣材料。既然絕緣材料不導(dǎo)電，怎么會有損失呢？

我們確實總希望絕緣材料的絕緣電阻愈高愈好，即泄漏電流愈小愈好，但是，世界上絕對不導(dǎo)電的物質(zhì)是沒有的。任何絕緣材料在電壓作用下，總會流過一定的電流，所以都有能量損耗。把在電壓作用下電介質(zhì)中產(chǎn)生的一切損耗稱為介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失。

如果電介質(zhì)損耗很大，會使電介質(zhì)溫度升高，促使材料發(fā)生老化(發(fā)脆、分解等)，如果介質(zhì)溫度不斷上升，甚至?xí)央娊橘|(zhì)熔化、燒焦，喪失絕緣能力!導(dǎo)致熱擊穿，因此電介質(zhì)損耗的大小是衡量絕緣介質(zhì)電性能的一項重要指標(biāo)然而不同設(shè)備由于運行電壓、結(jié)構(gòu)尺寸等不同，不能通過介質(zhì)損耗的大小來衡量對比設(shè)備好壞。因此引入了介質(zhì)損耗因數(shù) tg (又稱介質(zhì)損失角正切值)的概念。

介質(zhì)損耗因數(shù)的定義是：被試品的有功功率比上被試品的無功功率所得數(shù)值。介質(zhì)損耗因數(shù) tg 8 只與材料特性有關(guān)，與材料的尺寸、體積無關(guān)，便于不同設(shè)備之間進(jìn)行比較。當(dāng)對一絕緣介質(zhì)施加交流電壓時，介質(zhì)上將流過電容電流 I1、吸收電流 I2和電導(dǎo)電流 I3，如圖所示。其中反映吸收過程的吸收電流，又可分解為有功分量和無功分量兩部分。電容電流和反映吸收過程的無功分量是不消耗能量的，只有電導(dǎo)電流和吸收電流中的有功分量才消耗能量。

測量變壓器繞組連同套管的介質(zhì)損耗角正切 tg 6 時主要用于更進(jìn)一步檢查變壓器整體是否受潮、絕緣油及紙是否劣化等嚴(yán)重的局部缺陷，以及繞組上是否附著油泥等雜質(zhì)。

西安交大高頻變壓器實驗測試驗證成果

西安交大團(tuán)隊針對高頻變壓器絕緣材料在高頻、高dv/dt電壓下的電-熱失效問題，開展dv/dt與方波電壓疊加下高頻變壓器固體絕緣環(huán)氧樹脂介質(zhì)損耗計算與分析，以及高dv/dt對絕緣沖擊能量損傷的影響。通過有限元物理場仿真研究獲得了高頻變壓器絕緣溫升與沖擊能量特性。研究結(jié)果對大容量高頻變壓器絕緣失效與可靠性具有重要意義。

1）根據(jù)絕緣介質(zhì)損耗機理，采用階躍函數(shù)模擬dv/dt脈沖，通過頻域疊加，推導(dǎo)得到了不同 dv/dt方波電壓下絕緣介質(zhì)損耗計算公式。計算表明高dv/dt時絕緣介質(zhì)損耗可增加兩倍以上。

2）采用有限元物理場仿真發(fā)現(xiàn)絕緣電場畸變發(fā)生在繞組端部，且隨dv/dt周期變化很小，最大電場變化很小，但出現(xiàn)時間縮短。表明高dv/dt時，絕緣內(nèi)部出現(xiàn)多次電場集中。

3）從絕緣材料在交變電場下能量儲存和釋放的角度分析了能量密度pd。其與絕緣位移電流和電場畸變密切相關(guān)。計算表明pd隨dv/dt增加而顯著增大，表明極性反轉(zhuǎn)時的沖擊能量顯著增加，pd與介質(zhì)損耗協(xié)同作用導(dǎo)致高dv/dt下絕緣電-熱累積效應(yīng)增加，從而影響絕緣失效特性。實驗結(jié)果表明變壓器溫度與仿真一致，驗證了本文的介質(zhì)損耗與能量沖擊的分析。

李盛濤教授團(tuán)隊依托西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，團(tuán)隊成員13人，其中教授3名，副教授4名，助理教授3名，技術(shù)人員2名，秘書1名，科研財務(wù)助理1名。

目前，該團(tuán)隊成員已獲得的榮譽有：國家科技進(jìn)步二等獎1項、國家自然科學(xué)獎二等獎3項、省部級一等獎4項，國家電網(wǎng)特高壓交/直流示范工程特殊貢獻(xiàn)專家等獎項。團(tuán)隊瞄準(zhǔn)高水平論文，積極擴(kuò)展學(xué)術(shù)影響力，研究成果在PRL、Macromolecules、JPCL、ASS、APL、IEEE系列、中國電機工程學(xué)報等知名期刊發(fā)表論文500余篇，其中SCI收錄180余篇。

來源：電氣技術(shù)，道客巴巴，深圳科捷盛偉業(yè)電子有限公司

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