摘要：电力电子技术促使电能使用更加灵活、合理和高效，是构建能源互联网及智能电网的重要支撑技术。随着电力电子技术及相关应用领域的不断发展，对工作在电力电子系统驱动下的电气设备的可靠性提出更高要求。其中，电力电子设备中的电气绝缘技术是制约电力电子设备向大功率、高频率、小型化和高电压方向发展的关键问题之一，近年来在学术和工业界引起广泛关注。
关键词：电力电子设备；电气绝缘；问题
1电力电子设备绝缘材料的特性分析
1.1电力电子设备的绝缘材料
在电网系统中，大量的电力电子设备得到了应用。而设备的绝缘材料选用将直接影响到设备的安全性能，并且也决定了电网是否会出现绝缘问题。就目前来看，电力电子设备的常用绝缘材料包含了绝缘子、环氧树脂板和热缩套管。其中，绝缘子可以用于进行母线等带电导体的固定和支撑，能够防止电流回地。而绝缘子表面一旦有附着物，就容易导致两端出现电压击穿，因此还要增大其表面距离。环氧树脂板为具有耐表面漏电、耐电弧和高介电性能的特点，是利用环氧树脂材料制作而成的。随着厚度的增加，环氧树脂板的耐电压等级也将得到提高。此外，热缩套管为利用聚烯烃材料制作而成的热收缩套管，具有机械强度大和耐高温等特点，在线缆绝缘保护上得到了广泛应用。
1.2电力电子设备绝缘材料特性
在对电力电子设备的绝缘材料特性展开分析时，需要对材料的耐电压强度、耐热等级和机械强度等性能进行分析。在设备所处的环境中，如果电场强度达到一定等级，绝缘材料就会被击穿。所以，材料的耐电压强度越高，其绝缘强度就能得到保证，也能够使电力设备内部的绝缘性得到保证。除了受电压作用，电力设备的绝缘层也会受热量的影响。一旦出现热老化现象，设备的绝缘材料就会被过早破坏，从而影响设备的安全使用。所以，想要使绝缘材料的强度得到保证，还要使绝缘材料拥有较高的耐热等级。此外，在电力设备运行的过程中，绝缘材料可能会承受各种张力或压力。使绝缘材料具有较高的机械强度，则能够避免绝缘材料遭到破坏，继而使设备维持长期可靠运行。
2电力电子设备中的电气绝缘问题
2.1电力电子变压器的电气绝缘问题
随着电力电子器件技术的不断进步，电力电子设备必然向高频化、小型化、高压、大电流等方向发展，输出功率密度不断提高，这将对电力电子器件的工艺水平、基础材料、工作可靠性提出更高要求。
电力电子变压器由电力电子变换器和高频变压器构成。电力电子变压器提出的最初目的是为减少低频变压器在电力机车上的重量。为连接接触网，一般采用多级功率器件串联的方式解决器件承压、承流的问题，这将大大增加电力电子变压器的体积和复杂性。随着电力电子技术的发展以及社会对新能源电力的迫切需求，电力电子变压器将有望担任“能量路由器”的角色，成为未来能源互联网的关键设备。在5~10a内，随着SiC材料对Si材料的替代，电力电子变压器将向开关速度更快、工作电压更高的方向发展。然而，与传统工频电力变压器相比，电力电子变圧器的结构更为紧凑，匝数较多，匝间绝缘可能承受较强的电应力，进而导致绝缘失效现象发生。
当电力电子变压器工作在更高频率、更高电压环境下时，绝缘材料承受的电–热应力更加严酷，其稳定性和可靠性将成为制约电力电子变压器未来发展的瓶颈。适用于电力电子变压器的高频、重复脉冲电压条件下传统绝缘材料的电气性能相关研究逐渐引起国内外学者关注。
2.2换流变压器的电气绝缘问题
高压直流输电在远距离、大容量输电、跨海联网输电等方面存在突出优势，近年来得到快速发展。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆换流站作为直流输电系统的重要组成部分，其故障率主要由换流变压器绝缘性能决定。高压整流硅、晶闸管的引入使换流变电站中的电气设备承受直流和脉冲叠加的电应力，局部放电以及由此引起的空间电荷积累效应会降低绝缘系统可靠性，是高压直流输电绝缘设计时必须考虑的问题。
换流变压器的绝缘结构主要由变压器油、绝缘纸和纸板构成。纳米材料会对纤维素绝缘纸性能产生影响，适当的添加将较大程度改善电介质空间电荷特性、击穿强度和抗老化等性能。变压器油中的直流电场存在过渡过程，且具有明显的极性效应，油中的负电荷比正电荷更易于在纸板表面积累。当换流变压器阀侧绕组承受工频交流电压作用时，电场主要受材料介电常数影响，呈现阻性分布。当上述绕组承受交直流复合场作用时，油纸复合绝缘的击穿场强与复合场中交流电压的分量密切相关。而复合场下油纸界面积聚的电荷极性与直流电压分量极性相同，直流分量所占比例越高，电荷的累积效应越大，油纸界面的电荷密度越大。
当换流变压器承受极性反转电压作用时，阀侧电场分布不同于稳态电压。随着极性反转的发生，等位线会出现回环甚至闭合现象，电场强度最大值出现在静电环外的第1个角环处。影响油中电场畸变的因素较多，主要体现在电压反转过程持续时间、绝缘纸板和绝缘油的体积电阻率之比、油的介电常数和纸板的体积电阻率之积等。且低温条件下，极性反转电压对复合绝缘击穿存在较大影响，极性反转速度越快，绝缘破坏越严重。随着油、纸间的厚度比的增大，电场的畸变程度减弱，当只考虑极性反转电压时，大油隙结构更有利。
温升亦会改变介质电阻率，进而影响换流变压器内部电场分布，引起绝缘问题。电阻率较大的介质由于受温度影响其电阻率的变化会有明显不同，进而影响了电场分布，使电场强度明显升高。综上所述，温度和极性反转电压均会加重场强畸变，对换流变压器绝缘系统带来较大冲击。尽管针对换流变压器绝缘问题进行的实验和分析较多，但仍缺乏从电荷分布特性、交直流叠加下绝缘破坏机理、纳米材料添加对改善空间电荷特性等方面的理论研究，需要构建高灵敏度、高空间分辨率的油纸绝缘界面电荷的测量装置，并加强不同运行状态及不同型号电气设备的油纸绝缘的对比研究，从而提高换流变压器的绝缘设计和分析能力。
2.3变频电机的电气绝缘问题
电机消耗了总发电量的60%以上，也是电力电子技术应用最早、最成功的行业。采用电力电子装置驱动传统异步电机后，电机将具有高效、无级调速、易启动等优点，变频电机已成为电力拖动的主流。然而，经电力电子装置整流、滤波和逆变后，脉宽调制技术产生的高频重复脉冲经连接电缆输入至电机定子。传统的电机绝缘只需考虑偶尔短时出现的过电压应力（如操作过电压、雷击过电压等）。然而，变频电机将承受重复脉冲产生的持续电应力，高频脉冲下绝缘系统介质损耗导致的温升增加、由于连接电缆与电机的阻抗不匹配造成的重复过电压、过电压在电机绕组中的分布不均以及由此可能造成的局部放电，这些因素都将加速绝缘系统老化。同时，由于电机运行电压较高，电机运行时允许局部放电产生，但在评估电机绝缘系统性能时，应对具有与待评估电机绝缘系统相同的绝缘材料和绝缘工艺的绝缘模型，测试其在局部放电存在时的绝缘寿命，以评判待评估电机绝缘寿命是否满足设计要求。
结 语
以现有工作为基础，立足于电力电子技术在新能源电力生产、电力传输、电力消费等行业的应用背景，针对不同设备、不同应力下的电力电子系统电气绝缘问题，深化绝缘破坏机理、影响因素及绝缘系统相关评估技术的研究，据此制订普遍适用于工业生产的标准，从材料性能提升、绝缘工艺改进等方面提出切实可行的解决方案，以提高电力电子设备的绝缘可靠性。
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论文作者:张月圆
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
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