全环氧固封高频变压器散热优化设计研究

　　摘要：全环氧固封高频变压器采用环氧树脂固体绝缘材料实现设备整体绝缘，可大幅降低设备体积。考虑到环氧树脂导热性能较差，高频变压器内部热量难以散出，提出在高频变压器铁芯与低压绕组之间加散热水管的散热方法，有效降低其运行温度。本文以10kV全环氧固封高频变压器为研究对象，分析计算了铁芯损耗和绕组损耗，搭建了损耗试验平台，将计算结果与试验结果进行对比，验证了损耗计算的准确性。以高频变压器损耗作为热源，建立了温度场仿真模型，分析了水流量、水管材质和环氧树脂导热系数等因素对水冷散热效果的影响规律，指导高频变压器的散热设计。10kHz/200kVA样机温升试验结果与仿真结果误差为2.7%，验证了仿真模型的准确性和散热方式的有效性，支撑了全环氧固封高频变压器的工程化应用。

　　关键词：高频变压器;温度场;散热

　　引言

　　随着分布式电源、新型储能装置等直流电源广泛接入，以及电动汽车、数据中心等直流负荷的应用越来越多，要求传统配电网同时具备交直流电源接入以及交直流负荷供电的能力[15]。交直流混合配电网通过AC/DC、DC/DC、DC/AC等交直流接口，实现交直流源荷的混合接入，高频变压器是DC/DC变换器中的关键部件，起着电气隔离、电压变换、传输功率等关键性作用[68]。全环氧固封干式高频变压器采用环氧树脂固体绝缘材料实现电气设备的整体绝缘，可大幅降低绝缘距离，减小设备体积、有效提升功率密度。

　　运行温度是考核变压器性能的重要指标，全环氧固封干式变压器运行温度较高时，会加快环氧树脂绝缘材料老化速度，造成绝缘失效，影响设备安全运行[9]，由于环氧树脂导热系数低，导热性能差，同时随着频率的提高和设备体积的减小，高频变压器的热负荷密度相对传统干式变压器急剧增大，增加了全环氧固封干式变压器的散热难度，采用传统风冷散热方式无法有效降低变压器内部温度。因此，针对全环氧固封高频变压器，需要研究新的散热方法。

　　本文首先基于IGSE算法[1011]计算实际工况下高频变压器的铁芯损耗;考虑高频下集肤效应与邻近效应，采用Dowell[1215]公式计算高频下的绕组损耗，搭建损耗测试平台，对损耗理论计算方法和实测结果进行对比验证。以铁芯损耗和绕组损耗为热源，建立了高频变压器温度场仿真模型，分析了内部温度分布规律，综合考虑温度分布、加工工艺和材料特性，分析了环氧树脂导热系数、水冷管材质和水流速度对温度场的影响，对环氧固封高频变压器的散热设计进行优化。最后，通过10kHz/200kVA样机的温升试验，与仿真结果进行对比，对本文所提的散热方法进行验证。

　　1高频变压器损耗计算及热平衡分析

　　1.1高频变压器损耗分析

　　1.1.1铁芯损耗计算与试验

　　高频变压器铁芯材料主要有纳米晶、非晶合金和铁氧体等，考虑铁芯的损耗特性、变压器工作频率、运行磁密以及经济性等因素[1617]，本文采用纳米晶铁芯材料进行损耗计算，根据铁芯厂家提供的大尺寸纳米晶材料在正弦电压波形下运行磁密损耗数据，基于经验公式进行拟合求解，同时还需考虑非正弦激励、环氧树脂固化应力和运行温度对铁芯损耗的影响。铁芯损耗计算方法主要包括SE算法[18]和其它改进算法[1920]。SE算法简化较多，计算时涉及的未知参数较少。根据厂家提供的测试数据，经过非线性拟合得到SE计算表达式中各参数值。

　　1.2高频变压器热平衡分析

　　全环氧固封高频变压器温升主要是由铁芯损耗和绕组损耗引起，环氧树脂本身介质损耗引起的热量较小，可忽略不计。损耗产生的热量以热传导、热对流和热辐射的方式向周围扩散，当发热和散热达到平衡时，高频变压器温升趋于平衡[21]。

　　1.2.1发热分析

　　全环氧固封高频变压器运行时主要包含三个热源，分别为铁芯损耗转化的热量，低压绕组损耗转化的热量和高压绕组损耗转化的热量。这三个热源产生的热量，其中一部分使高频变压器自身的温度升高，另一部分按照散热方式和散热路径散发到被环氧树脂包围的外表面。全环氧固封高频变压器热传导主要发生在铁芯内部、高低压绕组内部、环氧树脂内部、铁芯与水管壁之间、高低压绕组与环氧树脂之间;热对流主要发生在冷却水和环氧树脂最外层与空气之间;热辐射主要发生在环氧树脂最外层与空气之间。

　　2高频变压器温度场建模

　　2.1基本假设全环氧固封高频变压器温度场仿真建模时，做以下假设：

　　1)模型中只考虑铁芯、绕组、环氧绝缘材料、水冷管、去离子水，暂不考虑其它构件;

　　2)为缩短仿真时间，将多层绕组等效为单层绕组;

　　3)高频变压器铁芯和绕组的导热系数、密度和比热容不随温度的变化而变化;

　　4)温度场仿真时，高频变压器内部的发热比较均匀;

　　5)外界空气温度恒定不变为293K。

　　2.2温度场仿真模型

　　本文以实际研制的0kHz/200kVA全环氧固封高频变压器样机为算例，由于全环氧固封高频变压器温度热点主要集中在铁芯和低压绕组周围，提出在铁芯外围布置散热水管，铁芯和低压绕组的热量通过流动的去离子水导出，可有效降低铁芯和低压绕组的温度，同时可保证水冷管处于低电位，降低水冷系统绝缘要求。

　　3温度场仿真结果及分析

　　全环氧固封高频变压器在自然散热条件下，由于绕组和铁芯整体包封，环氧树脂导热系数低，热点温度集中在铁芯以及低压绕组周围，通过在高频变压器铁芯外围布置散热水冷管，铁芯和低压绕组的热量通过流动的去离子水导出。

　　测量全环氧固封高频变压器表面个点的温度，水流量取1.5L/min，根据国标1094.11规定，当连续3h温度变化小于1K时，变压器温升即达到稳定。

　　4结论

　　1)基于IGSE算法，考虑浇注压力的影响，计算了高频方波激励下，全环氧固封高频变压器纳米晶铁芯损耗;基于Dowell算法，考虑集肤效应、邻近效应和非正弦电流波形，计算了高频变压器的绕组损耗，损耗计算结果与试验结果对比，最大误差<3.5%，验证了损耗计算方法的准确性。

　　2)建立了全环氧固封高频变压器温度场仿真模型，得出高频变压器内部温度分布规律，提出在铁芯和低压绕组之间布置水冷管的散热方式，并分析了环氧树脂导热系数、水冷管材质和水流速度对温度场的影响，指导了大容量环氧固封式高频变压器的散热设计。

　　3)通过研制的10kHz/200kVA环氧固封式样机温升试验，试验结果与温度场仿真结果相对比，高频变压器表面最大误差为2.7%，验证了仿真模型的准确性和散热方法的有效性。

　　参考文献

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　　作者：靳艳娇，乔光尧，邓占锋，李芳义，李卫国，赵国亮，刘海军