阅读说明：本技术 一种相变冷却高频高压电力电子变压器 (phase-change cooling high-frequency high-voltage power electronic transformer ) 是由 张玉波 国建鸿 王环 黄欣科 窦德刚 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种相变冷却高频高压电力电子变压器,包括：变压器本体和相变冷却介质；所述变压器浸泡在所述相变冷却介质中,所述变压器本体包括铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘骨架、底座、顶座和绝缘螺杆,所述铁芯内嵌于所述顶座和所述底座中,所述绝缘螺杆连接所述顶座和所述底座,固定所述铁芯；所述绝缘骨架的两端插入所述顶座和所述底座中,与所述铁芯的距离为20mm,所述绝缘骨架的中间部分开有凹槽,所述次级线圈均匀绕制在所述凹槽内；所述初级线圈使用扁铜带均匀分布在两个所述铁芯柱上,所述铁芯柱上的所述初级线圈的始末端和中间连接端穿过所述顶座引出,所述中间连接端使用金属螺丝连接固定。(The invention relates to an phase-change cooling high-frequency high-voltage power electronic transformer which comprises a transformer body and a phase-change cooling medium, wherein the transformer body is soaked in the phase-change cooling medium and comprises an iron core, a primary winding, a secondary winding, an insulating framework, a base, a top seat and an insulating screw rod, the iron core is embedded in the top seat and the base, the insulating screw rod is connected with the top seat and the base and used for fixing the iron core, two ends of the insulating framework are inserted into the top seat and the base, the distance between the two ends of the insulating framework and the iron core is 20mm, a groove is formed in the middle of the insulating framework, the secondary winding is uniformly wound in the groove, the primary winding is uniformly distributed on two core column iron cores through flat copper strips, the starting end and the middle connecting end of the primary winding on the core column are led out through the top seat, and the middle connecting end is fixedly connected through a metal screw.)

一种相变冷却高频高压电力电子变压器

技术领域

本发明涉及高频高压变压器技术领域，尤其涉及一种相变冷却高频高压电力电子变压器。

背景技术

电力电子变压器按照冷却方式划分，通常可分为油冷式变压器、干式变压器、相变冷却变压器等几个类别。油冷式变压器的冷却介质为变压器油，其优点是技术成熟，电气强度高，但电力电子变压器的应用场景多为柜体或集装箱，其较大的体积无法保证设备具有足够的功率密度；并且油冷式变压器中的变压器油会随着温度的变化而膨胀或者收缩，长时间运行后，很容易发生漏油现象，造成设备内元器件被污染，严重时还可引起火灾，如果采用强迫油循环方式，则增加了变压器制造的复杂程度，也同样大大增加了变压器的体积。干式变压器避免了油冷式变压器的一些缺点，在电力电子变压器领域应用最为广泛，但其体积同样较大，并且对于耐压要求较高的应用场景，干式变压器往往需要使用绝缘树脂材料灌封，一方面造成其散热能力较差，在设计时线圈需要采用更低的电流密度，另一方面变压器的灌封在工艺上很难保证完全在真空条件下，灌封材料间存留的空气气隙往往造成变压器的局部放电指标过大，长期运行后，变压器存在被击穿的危险。相变冷却变压器是近年来新兴地把相变冷却方法应用到变压器制造的技术，利用相变冷却介质沸点低、绝缘强度高、安全环保等特点，可以在设计变压器时，在保证变压器具备足够耐压强度的条件下，大大缩减初级线圈和次级线圈的绝缘距离，并显著提高线圈的电流密度，从而大大减少了变压器的体积；并且，虽然在变压器运行初始阶段，冷却介质中存在少量的水分，但是随着热交换的不断进行，水分也会汽化成水蒸气而逐渐漂浮在冷却介质表面(冷却介质的密度大于水)，从而使冷却介质越使用越纯净，既保证了变压器初次级线圈之间的绝缘强度保持较高水平，也使得变压器具备较小的局部放电指标，相比于其他两类变压器，具有明显的优势。因此，相变冷却变压器应用前景十分广阔。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种相变冷却高频高压电力电子变压器，其体积更小，性能更稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种相变冷却高频高压电力电子变压器，包括变压器本体和相变冷却介质。所述变压器本体浸泡在所述相变冷却介质中，包括铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘骨架、底座、顶座和绝缘螺杆，所述铁芯内嵌于所述顶座和所述底座中，所述绝缘螺杆连接所述顶座和所述底座，固定所述铁芯；所述绝缘骨架的两端***所述顶座和所述底座中，为保证初级线圈和次级线圈之间的绝缘强度，并尽量缩减变压器的体积，绝缘骨架与所述铁芯的距离应不少于20mm，所述绝缘骨架的中间部分开有凹槽，所述次级线圈均匀绕制在所述凹槽内；所述初级线圈使用扁铜带均匀分布在两个所述铁芯柱上，所述铁芯柱上的所述初级线圈的始末端和中间连接端穿过所述顶座引出，所述中间连接端使用金属螺丝连接固定。

优选地，所述变压器根据实际电路拓扑需求而设计的额定容量为90kW，最佳工作频率为5K；

优选地，所述变压器的绝缘耐压可以达到70kV/AC/min，保证了变压器次级线圈的对地工作电压可以达到交流20kV，因此非常适合应用在DC-DC变换模块中。

优选地，所述变压器在交流电压为30kV时的局部放电指标在100pC以内，减少了变压器在长期工作后，由于内部电荷积累引起变压器击穿的可能性，延长了变压器的使用寿命。

优选地，所述变压器选用的铁芯材料为饱和磁通密度更高、损耗更小的纳米晶材料。

优选地，所述底座、顶座和绝缘骨架全部使用具有高介电常数、高可靠性的环氧板EPGC拼接而成，增加了初级线圈与次级线圈的绝缘，减少了变压器在搬运过程中被损坏的可能性。

优选地，所述次级线圈选用规格为0.1mm×600的丝包线，避免了涡流损耗的产生，其电流密度可选在5A/m²～7A/m²之间，相比于常规变压器，大大提高了电流密度，节省了线圈材料。

优选地，所述相变冷却介质选用的是具有高绝缘强度、低沸点、性能稳定、安全环保的H50介质，保证了所述变压器具有较高的绝缘耐压水平和良好的散热性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的相变冷却电力电子变压器，将变压器浸泡在相变冷却介质中，利用冷却介质的高绝缘强度和低沸点等特点，缩减了初、次级线圈之间的绝缘距离；与常规变压器线圈的电流密度不超过3A/mm²相比，本发明变压器的线圈电流密度可以达到5～7A/mm²,显著提升了线圈的电流密度，减少了线圈所用材料。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的铁芯结构示意图。

其中：1初级线圈；2次级线圈；3绝缘螺柱；4底座；5铁芯；6绝缘骨架；7绝缘螺丝；8初级线圈出线端；9初级线圈连接铜排；10顶座，11铁芯柱；12铁轭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

图1所示为一种相变冷却电力电子变压器的结构图。对于变压器设计，首先应该明确变压器的电气技术指标。本发明涉及变压器的额定功率为90kW，最佳工作频率为5K，初级线圈漏感要求小于10uH，绝缘耐压要求可以达到交流70kV/min，在交流30kV耐压时的局部放电指标小于100pC。下面是变压器的具体设计细节。

图1中所示，铁芯5的窗口尺寸为100×245mm，铁芯5宽度为85mm，厚度为50mm。为节省材料，铁芯5的拐角处设计为圆角。为固定铁芯，铁芯5的上下两端分别嵌入顶座10和底座4中，由于铁芯5所用材料为纳米晶，材质较脆，在铁芯5与顶座10和底座4的接触处应加入绝缘软胶垫，以缓解搬运过程中的应力冲击。使用绝缘螺柱3从四个方向连接底座4和顶座10，并使用绝缘螺丝7固定。需要注意的是，绝缘螺柱3与次级线圈2间必须留有足够的距离，以防发生爬电现象。

初级线圈1使用扁铜带加绝缘纸直接缠绕在铁芯柱11上，其两条始末端引出线分别穿过顶座10引出，使用铜排连接两个铁芯柱11上的初级线圈1。次级线圈2的绝缘骨架6使用环氧板EPGC拼接而成，其两端分别***顶座10和底座4中，并使用绝缘螺钉固定。这样，绝缘骨架6的位置就被确定。为保证变压器具有足够的耐压强度，绝缘骨架6与初级线圈1的主绝缘距离为20mm，对于介电强度能达到7kV/mm的冷却介质来说，这个绝缘距离是足够的。在绝缘骨架6的中间部分留有凹槽，使得次级线圈2可以内嵌入凹槽中，防止其上下移动。为防止出现涡流损耗，次级线圈2选用规格为0.1mm×600的丝包线，单层、均匀地绕制在凹槽内。需要注意的是，两个铁芯柱11上的次级线圈2的上下两端与铁轭12之间要留有足够的距离，否则很容易发生击穿现象，本发明设计的距离为20mm，与主绝缘距离保持一致。对于次级线圈2的引出线，由于电压等级较高，因此一定要经过特别处理，避免出现毛刺，以防电场分布过于集中，发生尖端放电现象。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。