SST中輔助電源變壓器的絕緣結構設計

中圖分類號：TM41 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0048-05

Abstract：Withtheimprovementofvoltagelevels，theinsulationproblemsofauxiliarypowertransformersusedfor independentpowersupplyinSolidStateTransformers（SSTs）havebecomeincreasinglyprominent.Iftheinsulationisnotproperly designed，seriouspartialdischargeswillbecausedresultinginisulationagingfailureandaffectingtheoraloperationof electricalequipment.Tothisend，theauthorhaveproposedatechnicalsolutionusingacombinationofmetalshieldedinsulated wiresandmagneticringsintheband.Itcannotonlyhomogenizetheelectricfielddistributionandincreasethelevelofpartial discharge，butalsoreducethevolumeocupiedbythetransformerandimprovethepowerdensityofthesystem.Bycomparing andanalyzingthecharactersticsoftheproposedauxiliarypowertransformerandtheexisting primaryauxiliarypowertransformer intermsofelectricfielddistributionandvolumeocupation，theproposedschemehasbeeverfiedintermsofoptimizingthe electric field distribution（reducing the maximum electric field value by 65 % ）and reducing the transformer volume（saving the occupied space and volume by about 1/3 ）

Keywords：solidstate transformer，insulationstructure;auxiliarypowersupply；transformer;electricfielddistribution

固態變壓器（Solid State Transformer，SST），亦稱電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer，PET），是一種融合電力電子技術與高頻變壓器的新型電力電子設備，兼具電氣隔離、電壓變換及功率調節與控制等多重功能優勢[I-3]。SST的典型應用場景包括交直流混合微電網、電動汽車充電站和數據中心電源等。與傳統工頻變壓器相比，SST顯著提升了系統的性能、效率和可靠性，同時支持多種附加功能。目前，中壓大容量級聯型固態變壓器多采用模塊化的輸入串聯輸出并聯技術（Input Series Output Parallel，ISOP）。在此框架中，SST系統的輸入端連接中壓交流，輸出端為低壓直流電[4-0]。系統由多個功率模塊級聯組成，每個模塊包含一個AC/DC變換電路和一個提供電氣隔離的DC/DC變換電路。

輔助電源是確保SST成功啟動和平穩運行的關鍵部件。傳統設計通常從功率模塊內部取電，無須考慮隔離問題，設計簡單且經濟。然而，這種方法難以滿足未來的新增功能需求，例如熱插拔操作期間實現系統側旁路開關供電等。因此，SST系統需要采用具有中壓隔離能力的獨立輔助電源，以滿足安全性和功能的雙重需求。獨立輔助電源通常從市電取電，它不僅為功率模塊供電，還需同時為顯示觸摸設備供電，是安全特低電壓（SafetyExtra-low Voltage，SELV）電路。

隨著電壓等級的不斷提升，為在中壓模塊與外部輔助電源之間提供有效隔離并確保人身安全，變壓器需滿足更高的隔離要求。根據IEC61800-5-1標準，SELV電路與高壓電路之間需達到保護隔離等級（ Pro- tectiveSeparation）。這可通過以下方式實現： ① 雙重絕緣或加強絕緣； ② 基本絕緣外加接地屏蔽； ③ 限制過電壓或過電流的電路設計。此外，為提高系統的功率密度，要求隔離變壓器設計緊湊，盡可能減少體積占用。

為滿足上述要求，輔助電源變壓器通常采用雙重絕緣或基本絕緣外加接地屏蔽的絕緣方式，這對應現有的2種主要設計方案[11-12]

方案一為普通絕緣線對兩級磁環進行串聯的設計，其中每一級磁環均為基本絕緣，以形成雙重絕緣結構，其示意圖如圖1所示。電路的最左端為SELV電路，最右側為處于不同電壓水平的多個高壓（HighVoltage，HV）功率模塊。普通絕緣線的結構如圖1中插圖所示，中間為導電芯線，外部包裹絕緣層，其工作電壓等級可達幾十千伏。該方案的不足之處包括： ① 由于采用兩級磁環隔離，如圖1所示，每一級磁環之間（如 l₄ ）及磁環與環境和SELV電路之間（比如 l₁，l₂ 和l₃ ）需保留足夠的電氣間隙和爬電距離，這顯著增加了系統的空間占用。 ② 受限于第一級磁環的設計（例如散熱需求），第二級充許串聯的負載數目較少，因此需要配置多個SELV電路以滿足供電要求。 ③ 兩級磁環串聯對應兩次能量傳遞，降低了供電效率。

方案二為現有一級輔助電源變壓器設計，其特點是低壓線與接地金屬管共同穿過多個磁環。相比方案一，該方案的隔離級數由兩級減少為一級，從而提高了供電效率，減小了體積并減少了零部件數量，其結構如圖2所示。電路的最左端為SELV電路，最右端為級聯的HV功率模塊，中間為磁環隔離部分。接地金屬管（鋁管）穿過磁環并位于磁環中心位置，初級線穿過接地鋁管，構成基本絕緣外加接地金屬屏蔽的絕緣結構。初級線的工作電壓等級為幾十伏。然而，該方案仍存在不足： ① 磁環灌封工藝限制了磁芯材料的選擇，且灌封材料的應力通常會顯著增加磁芯損耗，同時不利于磁環散熱。 ② 接地鋁管暴露于空氣中，為滿足安規要求，其與高壓側之間（如圖2中的 l₁ 所示）需保留較大的電氣間隙和爬電距離，進一步增加了空間需求。

周圍環境鋁管級一次側線 00-0U1U2 HV功率模塊磁環灌封SELV電路 Un為了同時實現減小輔助電源變壓器體積和提高效率的目標，本文提出了一種全新的一級變壓器隔離方案：基于帶內金屬屏蔽絕緣線與磁環組合的技術。本文首先設計了這種新型絕緣結構，隨后通過與現有一級輔助電源變壓器結構進行對比，系統分析了其電場分布特性和體積占用情況。

1輔助電源變壓器的絕緣結構設計

圖3為帶內金屬屏蔽絕緣線穿過多個磁環窗口的結構設計。磁環通過磁環骨架固定，絕緣線、磁環窗口和磁環骨架成同心結構，并且絕緣線貫穿多個磁環（圖中示例為3個）及磁環骨架。磁環骨架安裝于具有不同電壓水平的功率模塊的同一側。相比于現有一級輔助電源變壓器，該設計摒棄了灌封處理，從而大幅提高了磁環的散熱性能。

圖4展示了單個磁環絕緣結構的截面示意圖，結構從磁環中心沿徑向依次包括：一次側繞組芯線、固體絕緣層1、接地屏蔽層、固體絕緣層2、空氣2、磁環和二次繞組。絕緣線由芯線、固體絕緣層1、接地屏蔽層及固體絕緣層2組成。固體絕緣層1用于耐受一次側繞組芯線相對于接地屏蔽層的電壓，該電壓一般較低，約為幾十伏的電壓等級；固體絕緣層2可耐受二次側繞組或磁環相對于接地屏蔽層的電壓，該電壓為SST系統的工作電壓，最高可達幾十千伏。

圖5（a）和（b）分別為現有一級輔助電源變壓器和本文設計的輔助電源變壓器的結構簡化示意圖。現有設計的絕緣結構由內向外依次為：芯線、空氣1、接地屏蔽層（接地鋁管）空氣2、固體絕緣層2和磁環。而本文設計中，空氣1被固體絕緣層1替代，同時空氣2與固體絕緣層2的位置互換。固體絕緣層的材料可選用聚乙烯、聚氨酯或硅橡膠等有機高分子材料，具有優良的絕緣性能。

2變壓器絕緣結構的電場分析

2.1變壓器絕緣結構的電場設計準則

輔助電源變壓器為同軸結構，其電場分布可通過高斯定理和電場-電壓關系描述，基本公式如下

式（1）—（5）中： λ 為單位長度芯線上的電荷； r₀ 為接地金屬屏蔽的外半徑； R 為磁環的內半徑； d 為固體絕緣層2的厚度； ε_r1 和 ε_r2 分別為固體絕緣層1和空氣的相對介電常數， ε_r2≈1：U 為SST系統的額定電壓。

為了避免局部放電，固體絕緣材料的電場強度不得超過 8kV/mm ，空氣電場強度不得超過 2kV/mm 在空氣相對介電常數為1的條件下，芯線與固體絕緣層2界面上的電場 E₁₀ 及固體絕緣層2與空氣2界面上的電場 E₂₀ 需滿足以下條件

由此推導出固體絕緣層2中的電場表達式為

空氣2中電場表達式為

2.2變壓器絕緣結構的電場仿真分析

絕緣結構的改變會顯著影響電場分布，該部分對現有一級輔助電源變壓器和本文設計的輔助電源變壓器進行了仿真對比分析。接地金屬屏蔽層（或接地鋁管）的外半徑為 5mm ，固體絕緣層2的厚度為 5mm ， ε_r 為3，在外加電壓 15kV 條件下，電場分布如圖6（a）磁環內半徑為 17mm ，固體絕緣材料的相對介電常數和圖6（b）所示。

為了直觀比較2種絕緣結構中的電場幅值，圖7展示了從圓心沿徑向（ x 軸）的電場幅值變化曲線。現有一級輔助電源變壓器在絕緣結構內側（接地鋁管外表面，橫坐標 5mm ）電場強度最大，為 2.9kV/mm ，而在外側電場強度較小（小于 0.5kV/mm ，電場分布極不均勻。相比之下，本文設計的輔助電源變壓器最大電場位于固體絕緣層2與空氣2的界面（橫坐標 12mm ），為 1.9kV/mm ，內側電場強度僅為 1.2kV/mm 。本文設計使電場分布更加均勻，最大電場值降低 65% ，由2.9kV/mm 減小至 1.9kV/mm ，大幅提升了變壓器的局部放電水平。

2.3 變壓器占用體積分析

對于 13.8kV 的中壓絕緣系統，安規標準規定的電氣間隙和爬電距離分別為 152mm 和 203mm 現有一級輔助電源變壓器中，接地鋁管與高壓側的距離（如圖2中的 l₂ ）需至少為 152mm ，加上磁環自身體積，變壓器總寬度約 200mm 。

本文設計采用固體絕緣層2包覆低壓側芯線，不受上述安規標準限制，磁環和支架總寬度約為130mm 。相比現有設計（包括一次側繞組、接地鋁管、磁環及其灌封材料、磁環骨架），本文設計變壓器節省約1/3的占用空間，顯著提高了輔助電源的功率密度。

3結論

本文提出的帶內金屬屏蔽絕緣線穿過磁環的結構設計，使輔助電源變壓器的電場分布更加均勻，顯著提高了局部放電性能。在典型的結構尺寸設計中，變壓器中的最大電場值降低了 65% ，由 2.9kV/mm 降至 1.9kV/mm ，優化了絕緣結構的電場分布。

相較于現有的一級輔助電源變壓器，本文提出的帶金屬屏蔽線與磁環組合的方案無須滿足高壓側與接地屏蔽層之間的安規距離，從而有效減小了變壓器的體積。對于 13.8kV 電壓水平的設計，該方案能夠節省約1/3的絕緣結構占用空間，提高了SST系統的功率密度。

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