摘要：全環(huán)氧固封高頻變壓器采用環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣材料實(shí)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(shù)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(yùn)行溫度。本文以10kV全環(huán)氧固封高頻變壓器為研究對(duì)象，分析計(jì)算了鐵芯損耗和繞組損耗，搭建了損耗試驗(yàn)平臺(tái)，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了損耗計(jì)算的準(zhǔn)確性。以高頻變壓器損耗作為熱源，建立了溫度場(chǎng)仿真模型，分析了水流量、水管材質(zhì)和環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)等因素對(duì)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(jì)。10kHz/200kVA樣機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差為2.7%，驗(yàn)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(chǎng);散熱

　　引言

　　隨著分布式電源、新型儲(chǔ)能裝置等直流電源廣泛接入，以及電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心等直流負(fù)荷的應(yīng)用越來(lái)越多，要求傳統(tǒng)配電網(wǎng)同時(shí)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(guò)AC/DC、DC/DC、DC/AC等交直流接口，實(shí)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(shù)脂固體絕緣材料實(shí)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(yùn)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(yùn)行溫度較高時(shí)，會(huì)加快環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料老化速度，造成絕緣失效，影響設(shè)備安全運(yùn)行[9]，由于環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)熱性能差，同時(shí)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(duì)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(wú)法有效降低變壓器內(nèi)部溫度。因此，針對(duì)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(jì)算實(shí)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(jì)算高頻下的繞組損耗，搭建損耗測(cè)試平臺(tái)，對(duì)損耗理論計(jì)算方法和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)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(chǎng)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(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)、水冷管材質(zhì)和水流速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)環(huán)氧固封高頻變壓器的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。最后，通過(guò)10kHz/200kVA樣機(jī)的溫升試驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)本文所提的散熱方法進(jìn)行驗(yàn)證。

　　1高頻變壓器損耗計(jì)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(jì)算與試驗(yàn)

　　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(yùn)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(jì)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(yùn)行磁密損耗數(shù)據(jù)，基于經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合求解，同時(shí)還需考慮非正弦激勵(lì)、環(huán)氧樹(shù)脂固化應(yīng)力和運(yùn)行溫度對(duì)鐵芯損耗的影響。鐵芯損耗計(jì)算方法主要包括SE算法[18]和其它改進(jìn)算法[1920]。SE算法簡(jiǎn)化較多，計(jì)算時(shí)涉及的未知參數(shù)較少。根據(jù)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)非線性擬合得到SE計(jì)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(shù)脂本身介質(zhì)損耗引起的熱量較小，可忽略不計(jì)。損耗產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(shí)，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(yùn)行時(shí)主要包含三個(gè)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(gè)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(shù)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(shù)脂內(nèi)部、鐵芯與水管壁之間、高低壓繞組與環(huán)氧樹(shù)脂之間;熱對(duì)流主要發(fā)生在冷卻水和環(huán)氧樹(shù)脂最外層與空氣之間;熱輻射主要發(fā)生在環(huán)氧樹(shù)脂最外層與空氣之間。

　　2高頻變壓器溫度場(chǎng)建模

　　2.1基本假設(shè)全環(huán)氧固封高頻變壓器溫度場(chǎng)仿真建模時(shí)，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(shí)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(chǎng)仿真時(shí)，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(chǎng)仿真模型

　　本文以實(shí)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(diǎn)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(guò)流動(dòng)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(shí)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(chǎng)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(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)低，熱點(diǎn)溫度集中在鐵芯以及低壓繞組周圍，通過(guò)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(guò)流動(dòng)的去離子水導(dǎo)出。

　　測(cè)量全環(huán)氧固封高頻變壓器表面?zhèn)�點(diǎn)的溫度，水流量取1.5L/min，根據(jù)國(guó)標(biāo)1094.11規(guī)定，當(dāng)連續(xù)3h溫度變化小于1K時(shí)，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(jì)算了高頻方波激勵(lì)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(jì)算了高頻變壓器的繞組損耗，損耗計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，最大誤差<3.5%，驗(yàn)證了損耗計(jì)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(chǎng)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(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)、水冷管材質(zhì)和水流速度對(duì)溫度場(chǎng)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(jì)。

　　3)通過(guò)研制的10kHz/200kVA環(huán)氧固封式樣機(jī)溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與溫度場(chǎng)仿真結(jié)果相對(duì)比，高頻變壓器表面最大誤差為2.7%，驗(yàn)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(guó)，趙國(guó)亮，劉海軍