摘要：全環(huán)氧固封高頻變壓器采用環(huán)氧樹脂固體絕緣材料實現(xiàn)設(shè)備整體絕緣，可大幅降低設(shè)備體積。考慮到環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性能較差，高頻變壓器內(nèi)部熱量難以散出，提出在高頻變壓器鐵芯與低壓繞組之間加散熱水管的散熱方法，有效降低其運行溫度。本文以10kV全環(huán)氧固封高頻變壓器為研究對象，分析計算了鐵芯損耗和繞組損耗，搭建了損耗試驗平臺，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了損耗計算的準(zhǔn)確性。以高頻變壓器損耗作為熱源，建立了溫度場仿真模型，分析了水流量、水管材質(zhì)和環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)等因素對水冷散熱效果的影響規(guī)律，指導(dǎo)高頻變壓器的散熱設(shè)計。10kHz/200kVA樣機(jī)溫升試驗結(jié)果與仿真結(jié)果誤差為2.7%，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和散熱方式的有效性，支撐了全環(huán)氧固封高頻變壓器的工程化應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：高頻變壓器;溫度場;散熱

　　引言

　　隨著分布式電源、新型儲能裝置等直流電源廣泛接入，以及電動汽車、數(shù)據(jù)中心等直流負(fù)荷的應(yīng)用越來越多，要求傳統(tǒng)配電網(wǎng)同時具備交直流電源接入以及交直流負(fù)荷供電的能力[15]。交直流混合配電網(wǎng)通過AC/DC、DC/DC、DC/AC等交直流接口，實現(xiàn)交直流源荷的混合接入，高頻變壓器是DC/DC變換器中的關(guān)鍵部件，起著電氣隔離、電壓變換、傳輸功率等關(guān)鍵性作用[68]。全環(huán)氧固封干式高頻變壓器采用環(huán)氧樹脂固體絕緣材料實現(xiàn)電氣設(shè)備的整體絕緣，可大幅降低絕緣距離，減小設(shè)備體積、有效提升功率密度。

　　運行溫度是考核變壓器性能的重要指標(biāo)，全環(huán)氧固封干式變壓器運行溫度較高時，會加快環(huán)氧樹脂絕緣材料老化速度，造成絕緣失效，影響設(shè)備安全運行[9]，由于環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性能差，同時隨著頻率的提高和設(shè)備體積的減小，高頻變壓器的熱負(fù)荷密度相對傳統(tǒng)干式變壓器急劇增大，增加了全環(huán)氧固封干式變壓器的散熱難度，采用傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱方式無法有效降低變壓器內(nèi)部溫度。因此，針對全環(huán)氧固封高頻變壓器，需要研究新的散熱方法。

　　本文首先基于IGSE算法[1011]計算實際工況下高頻變壓器的鐵芯損耗;考慮高頻下集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)，采用Dowell[1215]公式計算高頻下的繞組損耗，搭建損耗測試平臺，對損耗理論計算方法和實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證。以鐵芯損耗和繞組損耗為熱源，建立了高頻變壓器溫度場仿真模型，分析了內(nèi)部溫度分布規(guī)律，綜合考慮溫度分布、加工工藝和材料特性，分析了環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)、水冷管材質(zhì)和水流速度對溫度場的影響，對環(huán)氧固封高頻變壓器的散熱設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。最后，通過10kHz/200kVA樣機(jī)的溫升試驗，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對本文所提的散熱方法進(jìn)行驗證。

　　1高頻變壓器損耗計算及熱平衡分析

　　1.1高頻變壓器損耗分析

　　1.1.1鐵芯損耗計算與試驗

　　高頻變壓器鐵芯材料主要有納米晶、非晶合金和鐵氧體等，考慮鐵芯的損耗特性、變壓器工作頻率、運行磁密以及經(jīng)濟(jì)性等因素[1617]，本文采用納米晶鐵芯材料進(jìn)行損耗計算，根據(jù)鐵芯廠家提供的大尺寸納米晶材料在正弦電壓波形下運行磁密損耗數(shù)據(jù)，基于經(jīng)驗公式進(jìn)行擬合求解，同時還需考慮非正弦激勵、環(huán)氧樹脂固化應(yīng)力和運行溫度對鐵芯損耗的影響。鐵芯損耗計算方法主要包括SE算法[18]和其它改進(jìn)算法[1920]。SE算法簡化較多，計算時涉及的未知參數(shù)較少。根據(jù)廠家提供的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過非線性擬合得到SE計算表達(dá)式中各參數(shù)值。

　　1.2高頻變壓器熱平衡分析

　　全環(huán)氧固封高頻變壓器溫升主要是由鐵芯損耗和繞組損耗引起，環(huán)氧樹脂本身介質(zhì)損耗引起的熱量較小，可忽略不計。損耗產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的方式向周圍擴(kuò)散，當(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時，高頻變壓器溫升趨于平衡[21]。

　　1.2.1發(fā)熱分析

　　全環(huán)氧固封高頻變壓器運行時主要包含三個熱源，分別為鐵芯損耗轉(zhuǎn)化的熱量，低壓繞組損耗轉(zhuǎn)化的熱量和高壓繞組損耗轉(zhuǎn)化的熱量。這三個熱源產(chǎn)生的熱量，其中一部分使高頻變壓器自身的溫度升高，另一部分按照散熱方式和散熱路徑散發(fā)到被環(huán)氧樹脂包圍的外表面。全環(huán)氧固封高頻變壓器熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在鐵芯內(nèi)部、高低壓繞組內(nèi)部、環(huán)氧樹脂內(nèi)部、鐵芯與水管壁之間、高低壓繞組與環(huán)氧樹脂之間;熱對流主要發(fā)生在冷卻水和環(huán)氧樹脂最外層與空氣之間;熱輻射主要發(fā)生在環(huán)氧樹脂最外層與空氣之間。

　　2高頻變壓器溫度場建模

　　2.1基本假設(shè)全環(huán)氧固封高頻變壓器溫度場仿真建模時，做以下假設(shè)：

　　1)模型中只考慮鐵芯、繞組、環(huán)氧絕緣材料、水冷管、去離子水，暫不考慮其它構(gòu)件;

　　2)為縮短仿真時間，將多層繞組等效為單層繞組;

　　3)高頻變壓器鐵芯和繞組的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容不隨溫度的變化而變化;

　　4)溫度場仿真時，高頻變壓器內(nèi)部的發(fā)熱比較均勻;

　　5)外界空氣溫度恒定不變?yōu)?93K。

　　2.2溫度場仿真模型

　　本文以實際研制的0kHz/200kVA全環(huán)氧固封高頻變壓器樣機(jī)為算例，由于全環(huán)氧固封高頻變壓器溫度熱點主要集中在鐵芯和低壓繞組周圍，提出在鐵芯外圍布置散熱水管，鐵芯和低壓繞組的熱量通過流動的去離子水導(dǎo)出，可有效降低鐵芯和低壓繞組的溫度，同時可保證水冷管處于低電位，降低水冷系統(tǒng)絕緣要求。

　　3溫度場仿真結(jié)果及分析

　　全環(huán)氧固封高頻變壓器在自然散熱條件下，由于繞組和鐵芯整體包封，環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)低，熱點溫度集中在鐵芯以及低壓繞組周圍，通過在高頻變壓器鐵芯外圍布置散熱水冷管，鐵芯和低壓繞組的熱量通過流動的去離子水導(dǎo)出。

　　測量全環(huán)氧固封高頻變壓器表面?zhèn)�點的溫度，水流量取1.5L/min，根據(jù)國標(biāo)1094.11規(guī)定，當(dāng)連續(xù)3h溫度變化小于1K時，變壓器溫升即達(dá)到穩(wěn)定。

　　4結(jié)論

　　1)基于IGSE算法，考慮澆注壓力的影響，計算了高頻方波激勵下，全環(huán)氧固封高頻變壓器納米晶鐵芯損耗;基于Dowell算法，考慮集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和非正弦電流波形，計算了高頻變壓器的繞組損耗，損耗計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，最大誤差<3.5%，驗證了損耗計算方法的準(zhǔn)確性。

　　2)建立了全環(huán)氧固封高頻變壓器溫度場仿真模型，得出高頻變壓器內(nèi)部溫度分布規(guī)律，提出在鐵芯和低壓繞組之間布置水冷管的散熱方式，并分析了環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱系數(shù)、水冷管材質(zhì)和水流速度對溫度場的影響，指導(dǎo)了大容量環(huán)氧固封式高頻變壓器的散熱設(shè)計。

　　3)通過研制的10kHz/200kVA環(huán)氧固封式樣機(jī)溫升試驗，試驗結(jié)果與溫度場仿真結(jié)果相對比，高頻變壓器表面最大誤差為2.7%，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和散熱方法的有效性。

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　　作者：靳艷嬌，喬光堯，鄧占鋒，李芳義，李衛(wèi)國，趙國亮，劉海軍