为了提升中频变压器的散热和机械性能，合肥工业大学电气与自动化工程学院、阳光电源股份有限公司、国网安徽省电力有限公司的赵玉顺、戴义贤、庄加才、蔡国庆、陈志伟、刘鑫，在2023年第4期《电工技术学报》上撰文，针对中频变压器绝缘材料的性能参数进行了优化配置。
研究人员通过建立热固耦合模型，结合有限元法分析了中频变压器额定运行时的温度场以及热冲击试验时的应力场和位移场，以检验绝缘材料的散热和力学性能。采用Box-Benhnken中心组合设计试验和响应面分析法，研究了绝缘材料性能参数对变压器温升、应力和形变的影响。求解响应面模型获得理想的绝缘材料性能参数范围，结合实际确定了优化配合方案：导热系数为0.8W/(m·K)，热膨胀系数为4.7×10-5K-1，杨氏模量为3.5GPa。通过仿真与试验对优化方案进行验证，各项试验指标均满足要求。上述研究结果可为中频变压器绝缘材料的优化与选择提供依据。
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中频变压器（MediumFrequencyTransformers,MFT）是电力电子变压器系统的核心设备。借助于电力电子模块控制，中频变压器可实现电能质量控制、谐波治理、故障隔离等功能。在“双碳”和“新基建”等政策的驱动下，未来光伏、风电等绿色能源发电量大幅提升，新能源并网、电动汽车充电桩、海上风电、大型数据中心的建设迅速发展，高压大容量中频变压器展现出广阔的应用前景。
中频变压器的结构紧凑，绝缘设计和材料选型是制造这种设备的关键问题，需要综合考虑绝缘、散热损耗、开裂、寄生参数等问题。采用环氧树脂浇注作为中频变压器的绝缘形式，具有尺寸小、免维护、清洁环保等优势，能满足电力电子变压器模块化、小型化、易组装的应用需求。为了保证中频变压器的高功率密度，其环氧树脂浇注绝缘须采用厚绝缘结构。
然而，在变压器的成型制造、热冲击试验、冷热循环试验、温升试验过程中，厚绝缘结构散热困难、热应力大，变压器易发生温升过高、绝缘结构开裂和局部放电量超标等问题，这已成为制约中频变压器向高压、大容量方向发展的关键。
目前，国内外学者主要通过优化电气结构来进行中频变压器绝缘设计，通过优化绕组和磁心来减小损耗以避免其温升过高。优化电气结构的方法在提升中频变压器绝缘可靠性、降低损耗等方面取得了较好成效，但绝缘材料的选型和开发亦是解决中频变压器绝缘、散热与应力控制等问题的重要环节。
由于绝缘材料的各项性能指标相互制约，同步提高困难，目前尚无各项性能俱佳的绝缘材料，在选择或开发中频变压器用绝缘材料时，可行的方法是寻求材料各项性能参数之间的平衡。
为了对绝缘材料进行优化选择，合肥工业大学电气与自动化工程学院等单位的研究人员建立了中频变压器热固耦合模型，采用Box-Benhnken中心组合设计试验和响应面分析法，研究了绝缘材料性能参数对中频变压器温升、应力、形变的影响。通过对响应面模型进行求解，获得了符合要求的绝缘材料性能参数范围，结合生产实际确定了优化配合方案，并进行仿真计算和变压器真型试验，对优化结果进行了验证。
图1树脂浇注中频变压器透视图
他们最后得出研究结论如下：
1）采用纯环氧树脂作为绝缘材料时，中频变压器额定运行时的最高温度为243.6℃，超过环氧树脂的玻璃化转变温度，降低了其绝缘寿命和可靠性；热冲击试验中绝缘层的最大应力为84.6MPa，超过了纯环氧树脂绝缘材料的拉伸强度，易发生绝缘开裂；绝缘层的最大形变为0.868mm，满足绝缘结构的刚度要求。
2）通过Box-Benhnken中心组合设计试验和响应面法分析，发现绝缘材料的导热系数超过1W/(m·K)之后，继续提升导热系数，散热效果提升不明显；热冲击过程中绝缘结构的最大应力与绝缘材料的热膨胀系数和杨氏模量呈正相关，最大形变量与绝缘材料的热膨胀系数呈正相关。综合分析得出，绝缘材料的导热系数和热膨胀系数对中频变压器的性能影响较大。
图2热冲击试验后的树脂绝缘层
3）结合生产条件和难度确定绝缘材料的性能参数优化配合方案为：导热系数0.8W/(m·K)，热膨胀系数4.7×10-5K-1，杨氏模量为3.5GPa。仿真结果显示，相较于纯环氧树脂，优化后中频变压器的最高温升降低了82.6%，最大应力降低了37.7%，最大形变降低了40.2%，各指标水平均满足要求。采用性能参数优化后的环氧树脂对中频变压器进行浇注，并开展温升和热冲击试验，温升满足要求，绝缘层未出现开裂，验证了优化结果的合理性。
本研究成果发表在2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“基于热固耦合的中频变压器绝缘材料性能参数优化配合方法”。本工作得到国家电网有限公司科技资助项目的支持。