【中图分类号】TM4 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）03-0000-00

1 引言

级联型多电平高压变流器由于其高可靠性和完美的输出波形及其在输入与输出谐波抑制、效率和输入功率因素等方面的独特优势而广泛应用于风机、水泵等行业，如高压变频器、无功补偿领域的SVG^[1-3]。由于采用多个模块进行级联，通常变流器输入输出电压可达到10 kV以上，甚至可达到35 kV等级 ^[4]。作为高电压、大功率的电气设备，变流器的绝缘设计对于其安全运行非常重要。变流器的绝缘结构中分别采用了固体绝缘和空气绝缘，由于空气的绝缘强度远小于固体绝缘介质，实际运行或试验中出现的电晕、击穿放电、爬电等绝缘故障都是由于其局部的电场超过空气的击穿场强临界值引起的，因此变流器内部电场分析对于绝缘结构设计非常必要^[5]。

本文以10 kV级联型高压变流器的功率单元柜为研究对象，分析变流器的绝缘结构设计，并对变流器内部电场分布进行有限元计算，研究变流器在故障或过电压冲击工况下的绝缘性能，优化变流器内部的电场分布，提升其绝缘水平，降低发生电晕或击穿故障的可能性，从而整体提升装置可靠性。

2 变流器绝缘结构

高压变频器、SVG等大多数高压变流装置应用于污秽等级较高的工矿企业或海拔、湿度较高的风电场。因此，在进行变流器的绝缘设计时通常按污秽等级为PD3和海拔为2 000 m进行设计。按照国家标准GB/T 12668规定^[6]，10 kV变流器最小空气电气间隙选取为120 mm。柜内固体绝缘材料选取相比漏电起痕指数（CTI）不小于600的SMC或FRP等绝缘材料，因此，爬距比选取为14 mm/kV。额定电压为10 kV的电气系统其最高电压一般按12 kV考虑，因此，最小爬电距离设计为168 mm。其绝缘结构如图1所示。

通常采用相关冲击试验考核绝缘结构设计的合理性，10 kV变流器设备需满足工频耐压和雷电冲击电压的绝缘要求^[6]。该试验考核方式需在样机生产后才能进行，不但会导致产品研发周期延长而且无法提前发现可能存在的缺陷，加大了产品研发失败的风险；而如果为了追求成功率一味加大余量必然大大增加产品研发成本。因此，在产品研发过程中进行内部电场的有限元计算，提前发现风险点并优化产品设计有利于提高产品开发的成功率和降低成本。

3 变流器电场仿真模型

为充分验证变流器的绝缘水平还需模拟产品在雷电冲击下的绝缘水平。图7示出在70 kV电压下变流器模块底面电场分布，通过测量，在模块导轨尖角处电场强度已达到24.536 kV/cm，该值已非常接近空气临界场强，极易导致发生局部放电现象。

 由于局部放电会造成周围绝缘材料局部温升过高使局部出现炭化现象，在多次或长期冲击过电压下势必导致变流器绝缘性能下降，最终导致整体绝缘失效。因此，必须对变流器的绝缘结构进行优化。

5 变流器绝缘结构优化

从上述分析可知，电场分布畸变最严重的部位都集中在模块导轨与模块接触部位，可以通过以下方式进行绝缘结构优化：

（1）加大空气间隙和绝缘距离；

（2）加大导轨端面曲率半径；

（3）更改导轨材质为绝缘材质等方式。

其中，方式1会增加变流器体积，而方式2由于钢板厚度限制无法明显增加折弯半径，因此本文选择方式3将导轨由钢板改为与模块外壳材质相同的SMC绝缘材料。再次进行雷电冲击电场分布计算，验证其改善效果。图8示出优化后变流器模块底面的雷电冲击电场分布

由图8可以看出，将模块导轨改为SMC绝缘材料后，电场分布的均匀性明显大大提高，虽然最大电场强度仍在模块导轨与底部横梁的接触部位附件，但最大电场值已降低至16.495 kV/cm，小于空气临界场强并有一定余量。说明该方式能够对变流器内部电场分布起到明显的改善效果。

6 结语

本文通过对变流器的内部静电场强度仿真，分析了变流器的电压分布和电场分布情况，找出了容易导致绝缘事故的危险区域，并对绝缘结构进行了优化，通过仿真实验验证了优化方案的有效性。

相较于试验法，通过三维静电场仿真分析法可以更直观地了解电场在复杂结构的变流器内部的分布情况，便于寻找薄弱点并进行优化和验证，为产品绝缘设计提供设计参考而且节省了大量的研发时间和成本。随着变流器开关频率的提高，变流器在高频和高电压下的瞬态电场分布和对绝缘结构的影响也将是未来研究的重点方向。

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作者简介

任涛 （1985－） 男 工程师 研究方向为电能质量治理及高压变频器等装置结构及绝缘技术