中压变换器关键部件绝缘设计与评估方法研究
发布时间：2021-06-24 12:39
基于SiC器件的中压变换器因外部绝缘问题限制了其功率密度的提高,迫切需要研究其外部绝缘设计与评估方法。本文首先提出了一种基于硅光电倍增管的局部放电光学检测传感器;然后,利用此传感器研究了2种外部绝缘结构在PWM激励下的局部放电（partial discharge, PD）特性,并总结了普适的电力电子高压绝缘设计建议;最后,以Si C中压变换器中2个关键绝缘部件的设计评估作为实例,利用所提传感器进行绝缘考核性试验。结果表明:Si PM光学传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,适合PWM激励下的电力电子应用;2种典型外部放电缺陷下,PD起始电压均随着器件开关切换速度和频率的提高而降低;对于沿面放电,PD脉冲主要分布于PWM激励的上升和下降沿,而对于尖端放电,PD脉冲主要存在于PWM激励的平坦区;实例结果验证了所提传感器在功率变换器绝缘系统离线评估甚至未来在线监测应用中的可行性。提出的电力电子绝缘设计建议和评估方法,对未来中压高功率密度变换器的绝缘设计与评估具有借鉴意义。
【文章来源】：高电压技术. 2020,46(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
基于SiPM的PD传感器Fig.1SiPM-basedPDsensor
张崇兴，吴文杰，谢佳成，等：中压变换器关键部件绝缘设计与评估方法研究3409光学传感器，可以准确地获取2种不同放电缺陷下的实验数据。通过数据的处理分析，总结出一些功率变换器外绝缘设计与评估建议。2.1两种外部放电模型对于功率变换器来说，发生在空气中的外部放电可分为2类：1)沿面放电，它发生在暴露的金属、绝缘介质和空气三者的结合点交界面上，然后沿着绝缘表面发展，PCB的外露金属垫上的放电或叠形母排的金属连接件处的放电均属于沿面放电的范畴；2)尖端放电，它发生在暴露于空气中且附近没有其他绝缘介质的金属件附近，即存在于高压部件或相邻的PEBBs之间具有不同电势的金属件间。由于外部放电发展主要受电场分布和界面特性的影响，因此本文建立了2种典型的外部放电缺陷模型：1）棒板沿面放电缺陷，试品为GPO3绝缘板，如图2(a)所示；2）尖端放电缺陷，如图2(b)所示。图中，D为棒电极直径；r为曲率半径；为板电极直径；d为针板电极间距。2.2重复PWM激励及其波形参数定义对于PWM型激励，由于功率变换器拓扑结构、调制方式和应用场合的不同，其波形参数在变换器运行过程中会发生变化，具体包括极性、上升/下降时间、幅值、占空比和频率等，如图3所示。由于这些参数对局部放电的发展有着不同的影响，因此需要研究2种不同放电缺陷下放电特征与波形参数之间的关系，以给出相对完整的绝缘设计原则和建议。本文采用商用高压方波源实现了输出参数可调的PWM激励，其极性可以是单极性或双极性；输出幅值最高可达25kV；上升/下降时间可在0.7~70μs内连续可调；脉冲宽度可调范围为0~150μs(正负脉宽可单?
3410高电压技术2020,46(10)20%±4%，因此可忽略大气条件的变化对放电状态的影响。3基于PWM激励下局部放电特性的功率变换器绝缘设计与评估建议对于2种外部放电缺陷模型，本节首先对比研究了SiPM和HFCT局部放电检测有效性，然后分别研究了PWM激励下典型的局部放电波形及其相基局部放电谱图(phase-resolvedpartialdischarge，PRPD)特征，并解释了造成2种放电特征差异的物理机制。在理论解释的基础上，最后研究了PDIV随波形参数(极性、开关速度和重复频率)的变化规律，以期得到普适的功率变换器绝缘设计评估指导建议。PDIV试验流程如下：逐步增大激励电压幅值，当观察到超过背景噪声的第一个PD脉冲时，所施加电压的峰值被记录为UPDIV(i)；对于沿面放电，首先在同一绝缘板(GPO3)上重复实验10次；然后更换一个新的样品再重复10次，以确保实验的可重复性。多次实验PDIV的平均值被视为最终的PDIV值，计算式为20PDIVPDIV11=()(1,2,20)20iUUii(1)此外，本文所有的PRPD谱图均为提取200个PWM激励周期的PD脉冲绘制而成，并计算了平均放电电流(Ip)，其定义为在选定的参考时间间隔(Δt)内n个PD幅值(Qj)的总和除以该时间间隔，按下式计算：1p=(1,2,)njjQIjnt(2)3.1SiPM和HFCT局部放电检测有效性对比针对本文所述的不同放电结构或部件样品，对HFCT所测信号进行了FFT频谱分析，如图5所示。结果表明，在高dV/dt的PWM激励下，试品的等效电容较大时，位移电流的幅值可到数百mA，频率分布范围为近60M
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅功率器件技术综述与展望[J]. 盛况,任娜,徐弘毅. 中国电机工程学报. 2020(06)
[2]方波电压下交联聚乙烯中的空间电荷特性[J]. 王霞,舒子航,段胜杰,王华楠,吴锴. 高电压技术. 2020(02)
[3]电力电子设备中的电气绝缘问题[J]. 王鹏,赵政嘉,刘雪山,周群,雷勇,王为. 高电压技术. 2018(07)
[4]高压方波脉冲波形参数对局部放电的影响[J]. 郭小霞,吴广宁,高波,周力任,曹开江. 绝缘材料. 2008(05)
本文编号：3247114
【文章来源】：高电压技术. 2020,46(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
基于SiPM的PD传感器Fig.1SiPM-basedPDsensor
张崇兴，吴文杰，谢佳成，等：中压变换器关键部件绝缘设计与评估方法研究3409光学传感器，可以准确地获取2种不同放电缺陷下的实验数据。通过数据的处理分析，总结出一些功率变换器外绝缘设计与评估建议。2.1两种外部放电模型对于功率变换器来说，发生在空气中的外部放电可分为2类：1)沿面放电，它发生在暴露的金属、绝缘介质和空气三者的结合点交界面上，然后沿着绝缘表面发展，PCB的外露金属垫上的放电或叠形母排的金属连接件处的放电均属于沿面放电的范畴；2)尖端放电，它发生在暴露于空气中且附近没有其他绝缘介质的金属件附近，即存在于高压部件或相邻的PEBBs之间具有不同电势的金属件间。由于外部放电发展主要受电场分布和界面特性的影响，因此本文建立了2种典型的外部放电缺陷模型：1）棒板沿面放电缺陷，试品为GPO3绝缘板，如图2(a)所示；2）尖端放电缺陷，如图2(b)所示。图中，D为棒电极直径；r为曲率半径；为板电极直径；d为针板电极间距。2.2重复PWM激励及其波形参数定义对于PWM型激励，由于功率变换器拓扑结构、调制方式和应用场合的不同，其波形参数在变换器运行过程中会发生变化，具体包括极性、上升/下降时间、幅值、占空比和频率等，如图3所示。由于这些参数对局部放电的发展有着不同的影响，因此需要研究2种不同放电缺陷下放电特征与波形参数之间的关系，以给出相对完整的绝缘设计原则和建议。本文采用商用高压方波源实现了输出参数可调的PWM激励，其极性可以是单极性或双极性；输出幅值最高可达25kV；上升/下降时间可在0.7~70μs内连续可调；脉冲宽度可调范围为0~150μs(正负脉宽可单?
3410高电压技术2020,46(10)20%±4%，因此可忽略大气条件的变化对放电状态的影响。3基于PWM激励下局部放电特性的功率变换器绝缘设计与评估建议对于2种外部放电缺陷模型，本节首先对比研究了SiPM和HFCT局部放电检测有效性，然后分别研究了PWM激励下典型的局部放电波形及其相基局部放电谱图(phase-resolvedpartialdischarge，PRPD)特征，并解释了造成2种放电特征差异的物理机制。在理论解释的基础上，最后研究了PDIV随波形参数(极性、开关速度和重复频率)的变化规律，以期得到普适的功率变换器绝缘设计评估指导建议。PDIV试验流程如下：逐步增大激励电压幅值，当观察到超过背景噪声的第一个PD脉冲时，所施加电压的峰值被记录为UPDIV(i)；对于沿面放电，首先在同一绝缘板(GPO3)上重复实验10次；然后更换一个新的样品再重复10次，以确保实验的可重复性。多次实验PDIV的平均值被视为最终的PDIV值，计算式为20PDIVPDIV11=()(1,2,20)20iUUii(1)此外，本文所有的PRPD谱图均为提取200个PWM激励周期的PD脉冲绘制而成，并计算了平均放电电流(Ip)，其定义为在选定的参考时间间隔(Δt)内n个PD幅值(Qj)的总和除以该时间间隔，按下式计算：1p=(1,2,)njjQIjnt(2)3.1SiPM和HFCT局部放电检测有效性对比针对本文所述的不同放电结构或部件样品，对HFCT所测信号进行了FFT频谱分析，如图5所示。结果表明，在高dV/dt的PWM激励下，试品的等效电容较大时，位移电流的幅值可到数百mA，频率分布范围为近60M
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅功率器件技术综述与展望[J]. 盛况,任娜,徐弘毅. 中国电机工程学报. 2020(06)
[2]方波电压下交联聚乙烯中的空间电荷特性[J]. 王霞,舒子航,段胜杰,王华楠,吴锴. 高电压技术. 2020(02)
[3]电力电子设备中的电气绝缘问题[J]. 王鹏,赵政嘉,刘雪山,周群,雷勇,王为. 高电压技术. 2018(07)
[4]高压方波脉冲波形参数对局部放电的影响[J]. 郭小霞,吴广宁,高波,周力任,曹开江. 绝缘材料. 2008(05)
本文编号：3247114
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