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《Thermal runaway and induced electrical failure of epoxy resin in high-frequency transformer: insulation design reference》
题目：高频变压器环氧固封绝缘的热失控和热致击穿：绝缘设计参考
作者：尚星宇，庞磊，卜钦浩，张乔根
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环氧树脂是高压大容量高频变压器（high-frequency transformer，HFT）常用的固封绝缘材料，在电力电子变换器高频方波电压作用下，环氧树脂的介电损耗不可忽略。理论研究预测，接近环氧玻璃化转变温度（Tg）时，介电损耗与温度的正反馈关系会导致“热失控”，然而现有实验研究很难在传统电极结构下观察到高频电场导致的环氧固封绝缘热致击穿现象。本文采取高边界热阻、无局部放电的试样形式，研究环氧固封绝缘热失控及热致击穿过程，通过介电温升测试与仿真计算结合，研究高频变压器环氧固封绝缘热失控阈值，对于高压大容量高频变压器优化设计及可靠性提升具有参考价值。
1）研究方法
图1展示了本文的研究方法，通过热压法制备环氧树脂试样片，为观察介电损耗的积累，在试样两面涂覆导电电极并用窄铜箔引出，热电偶被布置于地电极下方。通过有限次谐波损耗之和计算方波激励下与温度场耦合的介电损耗，考虑电极热容和自然对流传热。
图1 试样制备、电极形式及仿真温度分布
2）研究结果
研究了不同频率、电压、上升沿、占空比和直流偏置下的介电温升，仿真与实验值一致。部分结果如图2所示。
图2 330ns上升沿、不同频率和方波电压下介电加热温升的测量和仿真值
热失控原理如图3所示，以平板电极为例，不同外部环境温度下的散热功率呈直线，而介电损耗产热功率随温度接近α峰温度而显著增加，二者形成非稳定点时发生热失控，该点可能显著低于Tg = 114℃，这意味着实际温升校核时，需要参考材料温-频介电谱严格规定绝缘温升。
图3 介电加热温升的测量和仿真值
图4显示了0.9mm厚度试样片在不同方波频率下的温升；临界频率下，测量温度由准稳态值突增，试样片发生热应变。进一步地，将样品采用环氧封装，模拟固封绝缘中的失效过程，发现热失控并不会直接导致击穿，而是在超过200℃的温度下热分解产生气化通道并发生火花放电导致击穿，这与传统高场热击穿理论的“瞬时性”不符。实际应用中，局部热失控还将导致环氧热膨胀系数显著增加，形成界面脱粘间隙并发生高频次局部放电。
图4 介电加热温升的测量和仿真值
图5 环氧固封试样热失控过程中电极温度、绝缘外表面温度和附近空气温度的测量值
分析了某200 kHz高压高频变压器环氧固封绕组的介电损耗温升对绝缘厚度的敏感性，发现其主要取决于层间和段间电场，如图6所示。依此提出图7中不同工作频率下环氧复合材料固封绝缘设计的参考平均电场强度，分别以变压器空载时“介电温升不超过5K”和“不发生热失控”的准则计算。
图6 介电损耗对匝间、层间、段间及外部绝缘层厚度的敏感性分析
图7 高频变压器环氧固封绝缘设计参考值
1.基于高边界热阻、无局部放电的实验电极结构，仿真和实验分析了环氧固封绝缘的介电损耗热失控阈值，观察到显著低于玻璃化转变温度的临界热失控温度；
2.发现环氧绝缘不会因热失控直接击穿，而存在材料形变、分解和内部火花放电的过程，并最终诱发绝缘击穿；
3.介电损耗导致的温升对局部电场畸变不敏感，对于高频变压器，绕组层间和段间平均电场主要决定绝缘最大温升，并基于“介电温升不超过5K”和“不发生热失控”两种设计准则，计算得到了典型工况下绝缘许用平均电场的参考值。
Xingyu Shang, Lei Pang*, Qinhao Bu, Qiaogen Zhang: Thermal runaway and induced electrical failure of epoxy resin in high-frequency transformer: insulation design reference. High Voltage. 9(5), Pages 989-1000(2024).
尚星宇，男，博士研究生，研究方向为电力电子装备绝缘可靠性。
庞磊，通讯作者，男，博士，副教授，主要从事高压电力电子技术及应用、脉冲功率与放电等离子体等方面的研究工作。Email: plein911@163.com。
卜钦浩，男，博士研究生，研究方向为等离子体改性功能环氧树脂复合材料。
张乔根，男，博士，教授，担任国家重点研发计划首席科学家、陕西省三秦学者特聘教授、中国电机工程学会高电压专委会委员等。主持国家重点研发计划项目2项；国家自然科学基金重点项目1项、参加国家自然科学基金重点项目1项；主持国家863项目1项，国防预研项目2项，参加973项目2项和国家重大专项1项。主持完成直流换流阀综合性能测试与评估、特高压GIS绝缘特性与试验、特高压变压器与换流变压器绝缘等方面课题多项。主要研究领域为交、直流特高压直流换流阀、GIS、变压器等核心设备的绝缘特性、试验评价、智能传感与故障诊断等。
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