【摘要】：基于功率器件的電力電子變壓器(Power Electronic Transformer,PET)是未來智能電網(wǎng)中進行能源互聯(lián)、調(diào)度和控制的路由器,可實現(xiàn)交流與直流以及不同直流電壓等級間的靈活變換,在可再生能源大規(guī)模可靠并網(wǎng)方面具有很好的應(yīng)用前景,且特別適用于對電能變換設(shè)備的體積、重量有特殊要求的場合。高頻電力變壓器是PET中實現(xiàn)電氣隔離和電壓等級變換的核心組件,在高頻電壓作用下其匝間、層間、相間、對地絕緣和氣-固界面絕緣將面臨損耗發(fā)熱嚴重、局部/沿面放電、絕緣過早失效等一系列問題,且絕緣性能受到電壓參數(shù)(波形、頻率、幅值、上升時間等)和溫度等多因子耦合作用的影響。為推進高頻變壓器向高電壓、大功率、小型化和高頻率發(fā)展,有必要針對高頻電應(yīng)力作用下的局部放電與沿面放電特性、放電損傷導(dǎo)致的絕緣壽命衰減行為及其內(nèi)在物理機制等關(guān)鍵問題,開展系統(tǒng)性的探索研究,這對于高頻變壓器的絕緣設(shè)計和性能評估具有重要的基礎(chǔ)理論價值和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。通過搭建高頻加速老化實驗平臺和放電信號采集處理系統(tǒng),在50Hz～30kHz的寬頻范圍內(nèi),研究了電壓頻率對聚酰亞胺絕緣局部放電特性(涉及放電起始電壓、放電相位譜圖、放電幅值及放電次數(shù)等)和絕緣壽命的影響,發(fā)現(xiàn)隨著電壓頻率的升高,單周波放電次數(shù)和平均放電幅值先增長后下降,存在“頻致拐點”現(xiàn)象;為揭示該現(xiàn)象的產(chǎn)生機理,從空間電荷與放電特征參量的關(guān)聯(lián)規(guī)律、溫度對局部放電特性的影響機制分析著手,結(jié)合高頻致熱效應(yīng)和電壓頻率對空間電荷耗散過程的影響,建立了“頻致拐點”現(xiàn)象的理論模型。采用頻率為1kHz的正弦波、三角波、雙極性方波、單極性方波和振蕩脈沖5種不同的電壓波形,以及具有不同上升時間的雙極性方波電壓,研究了電壓波形、極性以及上升時間對聚酰亞胺絕緣局部放電行為和絕緣壽命的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上從局部放電測試(涉及放電起始電壓、平均放電幅值、單周波放電次數(shù)、單周波總放電幅值)和絕緣壽命測試兩個角度出發(fā),建立了不同高頻電壓波形之間以及工頻與高頻電壓之間的等價性準則,另外,還通過引入峰-峰值因子、有效值因子和形狀因子,實現(xiàn)了電壓波形參數(shù)對絕緣老化速率的量化表征。基于正交實驗設(shè)計理論,在5～30kHz、1.5～3.0kV、13～180℃范圍內(nèi)測試了不同頻率、幅值和溫度下聚酰亞胺試樣的絕緣壽命,首先結(jié)合極差和方差分析法討論了三種因素及其交互作用對絕緣老化速率的影響,確定了影響因素的主次順序以及交互作用的強弱程度;進一步獲得了各因素水平變化對電-熱應(yīng)力耐受系數(shù)的影響規(guī)律,以及單因素獨立作用、多因素協(xié)同作用下的加速老化系數(shù),證明了多因素間交互作用的存在性;最后,計算了各影響因素及其交互作用對絕緣壽命的影響系數(shù)大小,并據(jù)此建立了考慮因素間交互作用的多因子壽命預(yù)測模型,并通過驗證組實驗證明了預(yù)測模型的可靠性。采用針-棒電極結(jié)構(gòu),研究了電壓頻率和溫度對空氣-聚酰亞胺絕緣沿面放電起始電壓、閃絡(luò)電壓和沿面絕緣壽命的影響規(guī)律,統(tǒng)計分析了沿面放電不同發(fā)展階段的放電特性(放電形態(tài)、相位譜圖和放電特征參量);發(fā)現(xiàn)電壓正、負半波的放電相位譜圖間具有明顯的極性效應(yīng),并基于放電統(tǒng)計特征的變化規(guī)律提出了沿面放電發(fā)展程度的表征參量以及臨近沿面閃絡(luò)的預(yù)警信號;結(jié)合不同放電階段的絕緣材料界面特性分析(表面電荷分布、表面形貌和特征官能團),揭示了氣-固界面沿面放電的發(fā)展演化規(guī)律以及沿面放電與界面特性的交互影響,并基于表面電荷積聚對沿面電場分布的影響分析,闡釋了正、負半波極性效應(yīng)的產(chǎn)生原因。采用反應(yīng)集方法實現(xiàn)了對空氣放電中粒子反應(yīng)的大幅簡化,基于流體動力學(xué)理論,通過對粒子輸運方程、泊松方程和等離子化學(xué)反應(yīng)的耦合表征,并充分考慮帶電粒子在絕緣介質(zhì)表面的反應(yīng)與累積過程,建立了高頻絕緣局部放電和沿面流注的混合數(shù)值模型;據(jù)此實現(xiàn)了球-板電極結(jié)構(gòu)下局部放電、針-棒電極結(jié)構(gòu)下沿面流注發(fā)展過程的動態(tài)模擬,獲得了放電過程中帶電粒子濃度、表面電荷密度、電場強度等參量的時空演化規(guī)律;進一步分析了局部放電與材料表面電荷累積、空間電荷分布的相互作用,電壓幅值和頻率對放電電流的影響,沿面流注發(fā)展的微觀物理機制,以及溫度、氣壓、二次電子發(fā)射系數(shù)等對沿面流注的影響機理;同時,利用已開展的實驗研究結(jié)果與該數(shù)值模型仿真結(jié)果進行交互驗證。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM433
【圖文】：

按照包含的ＡＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＤＣ或ＤＣ／ＡＣ變換環(huán)節(jié)的多少（高頻變壓器也作為一逡逑個ＡＣ／ＡＣ變換環(huán)節(jié)），可將現(xiàn)有拓撲分為三級型、四級－Ｉ型、四級－ＩＩ型和五級逡逑型四種基本類型［１（）］，如圖１－１所示。其中，五級型由于模塊化程度高、具有多逡逑種交直流端口、濾波電路簡單，在實際研制中獲得了最廣泛的關(guān)注和研究。需逡逑要說明的是，五級型拓撲中同時包含了直流變壓器［１，５］，即由ＤＣ／ＡＣ、高頻變壓逡逑器、ＡＣ／ＤＣ三個環(huán)節(jié)組成的中間部分。逡逑除傳統(tǒng)交流變壓器的電壓變換和電氣隔離功能外，電力電子變壓器還具備逡逑以下優(yōu)點：１）重量輕、體積小，容量固定時變壓器體積約正比于頻率／的－３／４逡逑方［１１］；邋２）原方電流、副方電壓與功率高度可控，不存在鐵心磁飽和導(dǎo)致的電壓、逡逑電流波形畸變問題，供電電能質(zhì)量高；３）可實現(xiàn)功率雙向流動、無功補償以及逡逑功率因數(shù)校正，能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；４）兼有斷路器的功能，逡逑可以快速關(guān)斷故障大電流

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋ａｎｄ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ邋ｂｙ邋ＨＦＰＴ逡逑高頻變壓器面臨的絕緣問題主要有，逡逑（１）高頻變壓器承受的電壓波形具有頻率高、幅值大、上升時間短的特點，逡逑對變壓器絕緣來說是一種非常規(guī)的特殊應(yīng)力沖擊�，F(xiàn)有研究表明，電壓波形參逡逑數(shù)對絕緣老化和放電行為有很大影響，高頻電壓會大大縮短絕緣材料的失效時逡逑間。例如，工頻交流電壓下可運行１５年的變頻電機在高頻電壓下的壽命僅有逡逑１？２年，甚至幾個月內(nèi)就會出現(xiàn)絕緣故障［３６＿３８１。逡逑（２）高頻條件下集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)顯著，變壓器鐵心損耗、繞組銅耗、逡逑絕緣材料介質(zhì)損耗以及功率器件的開關(guān)損耗等，都將遠遠高于工頻電壓，導(dǎo)致逡逑變壓器產(chǎn)熱嚴重、運行溫度升高。運行經(jīng)驗表明，高頻電力設(shè)備的正常工作溫逡逑度可達１５０？２00。０２９，３９，４（）］，電壓頻率每升高１１＾２，變頻電機定子棒的溫度約升逡逑高邋１０ｏＣ［４１］。逡逑（３）電壓頻率的提高會顯著縮小變壓器的體積和重量，緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計非逡逑常不利于熱量的散失，容易導(dǎo)致局部熱點的出現(xiàn)；同時還提高了不同單元間的逡逑耦合度，易導(dǎo)致不均勻的電場分布，在絕緣薄弱處引發(fā)放電。圖１－３所示為容逡逑

邋＋３０邐邐邋５．１邋ｋｇ逡逑圖１－３高頻與低頻變壓器體積對比逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｏｆ邋ＨＦ邋ａｎｄ邋ＬＦ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ逡逑目前高壓大容量的高頻變壓器尚無統(tǒng)一的制作工藝或參考標(biāo)準，不同樣機逡逑采用的繞組結(jié)構(gòu)、鐵心材料、絕緣形式、絕緣材料、冷卻方式等也有很大差異。逡逑在固體絕緣材料選擇方面，常用的有聚酰亞胺薄膜（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ，邋；ＰＩ）、ＰＥＴ聚酯逡逑薄膜、聚氨酯薄膜、Ｎｏｍｅｘ紙、改性ＤＭＤ絕緣紙、環(huán)氧樹脂、ＰＦＡ薄膜、云逡逑母帶等［２９＇３0，３５，４２＿４３］。其中，聚酰亞胺是目前已知的最適用于高頻絕緣的聚合物材逡逑料，其為主鏈上含有酰亞胺環(huán)（－ＣＯ－ＮＨ－ＣＯ－）的一類芳雜環(huán)高分子化合物，長逡逑期使用溫度范圍－２００？３００°Ｃ，絕緣性能高，介電損耗小，具備優(yōu)良的電氣、機逡逑械、耐高低溫、耐酸堿腐蝕、耐輻射等性能，且在合成方面也有突出優(yōu)勢，被逡逑廣泛應(yīng)用在變頻電機、航空、航天、微電子、功率器件等領(lǐng)域。逡逑盡管國內(nèi)外研宄一致表明，高頻電壓下變壓器會面臨散熱、局部／沿面放電、逡逑過早失效等一系列的絕緣問題

【參考文獻】

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本文編號：2766281