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高频变压器中的环氧树脂绝缘需耐受高频、多谐波、陡脉冲的重复频率电场，环氧树脂绝缘的击穿与老化概率增加。高频电压下环氧树脂交流电导，特别是载流子非线性输运过程是理解高频绝缘击穿的关键。西安交通大学研究团队围绕环氧树脂交流电导与双极性方波击穿特性展开研究。研究提出了考虑Poole-Frenkel效应的高频高场交流电导模型，并建立高频自由体积随频率变化的击穿模型。研究结果对高频绝缘破坏、设计可靠性研究具有重要意义。
研究背景
高频变压器作为大容量电力电子变压器的核心部件，发挥着功率传输与电压调制等功能。与传统工频变压器相比，高频变压器环氧树脂绝缘长期承受电-热联合应力，环氧树脂固体绝缘的高频击穿远低于低频，给环氧树脂绝缘性能提升与高频变压器设计提出了重要挑战。
论文所解决的问题及意义
本文解决了温度和频率对环氧试样交流电导率的影响，研究了高频方波下的载流子跳跃电导与Poole-Frenkel效应。研究了两种试样的高频方波短时击穿特性，通过改进自由体积击穿理论，提出了高频下环氧树脂交流电导对击穿的影响机制。研究结果对变频绝缘特性与失效机制，电力电子变压器的发展具有重要意义。
论文方法及创新点
1.环氧树脂交流电导特性
采用宽频介电谱研究了两种环氧试样交流电导的频率与温度依赖关系，测试结果如图1所示。通过Almond-West模型分析得到低频下交流类直流电导率与温度的关系，低频电导随温度变化更符合Vogel-Fulcher-Tammann模型。基于Havriliak-Negami复合介质多分散松弛极化理论，分析高频、高温下的松弛行为，认为高频交流电导率主要由松弛过程α产生的极化损耗引起。
图1 环氧树脂高温交流电导率
2.环氧树脂方波电压击穿特性
通过高频双极性方波击穿测试平台，测试了重复频率双极性方波电压（500 Hz，1kHz，2kHz，3kHz）下环氧试样的击穿场强，测试结果如图2所示。基于三参数Weibull分布统计分析特征击穿场强随频率的关系，发现击穿场强与频率呈负相关。
图2 环氧树脂不同频率下的三参数 Weibull 分布
3.高频交流电导与高频击穿分析
图3为考虑绝缘介质高频交流电导特性的载流子输运示意图，随着频率增加，载流子获得的能量增加，容易越过势垒，交流电导率增加，明显高于直流下的电导率。在高电场，载流子迁移加快，从而形成足够强的碰撞电离，能量积聚迅速增加，造成分子链断裂，导致绝缘击穿。因此，高频电场下绝缘击穿场强下降。
图3 考虑绝缘介质高频交流电导特性的载流子输运示意图
图4为交变电场下环氧树脂自由体积击穿模型示意图，击穿强度决定于载流子在电场下加速的最大平均自由行程，而电子在自由体积中加速，其平均自由程取决于最大自由体积的长度。载流子加速的最大平均自由行程随频率增大而增大，其获得能量增加，容易积聚能量，连续越过势垒，从而导致高频电场下环氧树脂击穿场强下降。
图4 环氧分子链运动与高频电场下自由体积模型示意图
结论
1）高频高场下的交流电导率由低场下的偶极电导率、交变电场下的Poole-Frenkel效应以及直流电导率共同引起。频率升高或电场增大，造成交流电导率增大。
2）高频电场下分子链段运动迟滞效应增加，分子链之间未被占有的等效自由体积最大长度增加，造成击穿场强随频率的升高而下降。
团队介绍
西安交通大学电气工程学院先进电工材料研究中心依托西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，团队成员13人，其中教授3名，副教授5名，助理教授3名。团队成员荣获国家科技进步二等奖1项、国家自然科学奖二等奖3项、省部级一等奖4项，国家电网特高压交/直流示范工程特殊贡献专家等奖项。
团队始终面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术，开展多元研究：包括超/特高压电力设备绝缘、先进电工材料基础、极端条件下的绝缘问题和相关学科交叉研究。团队成员主持和参与了国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划课题、973课题、国防973课题、国家自然科学基金重点基金项目、国家自然基金国际合作项目等纵向项目，与法国施耐德、法国阿尔斯通、瑞士ABB、日本明电舍、日本三井化学等国际企业也开展了密切合作，并承担了多项国网及国内其他企业项目。
李盛涛
西安交通大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，电力设备电气绝缘国家重点实验室常务副主任，主要从事电介质理论及其应用、电气功能材料及器件的研究、极端条件下的绝缘材料和绝缘技术和真空及多种气氛下的沿面闪络机理等方面的研究。在工程电介质理论及其应用、特高压电气绝缘技术研究方面取得了突出成绩，获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖4项，中国电工技术学会理事、工程电介质专业委员会主任委员。2009、2010年分别获国家电网特高压交流试验示范工程特殊贡献专家和特高压直流输电工程重要贡献专家。授权发明专利22项，发表论文485篇，其中SCI收录论文180余篇，出版专著4部，翻译英文著作1部，参与编写手册和大典4部。承担国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划课题、973课题、国防973课题、国家自然科学基金重点基金、国家自然基金国际合作等项目近60项。
王威望
西安交通大学电气工程学院副教授，博士生导师，2016.5-2017.9在日本东京都市大学机测电机制御实验室从事博士后研究。主要从事电工材料介电性能和失效机理、新能源电力电子高频变压器、数据驱动融合应用等方向研究。已发表学术论文50余篇，发表英文学术专著2部，其中以第一或通讯作者发表SCI国际期刊论文30余篇。作为项目负责人承担国家自然科学基金面上与青年项目，国家重点研发计划子课题项目等国家级、省部级、校级和企业合作项目15余项。入选2018年中国电机工程学会青年人才托举工程计划项目，获得2018年西安交通大学优秀博士论文，获得2020年陕西省高等学校课堂创新大赛优秀奖。担任中国电源学会磁技术专委会副主任委员。
本工作成果发表在2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“环氧树脂高频松弛的交流电导与双极性方波击穿特性”。本课题得到国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基础研究计划青年项目和电力设备电气绝缘国家重点实验室中青年基础研究创新基金项目的支持。
引用本文
蒋起航, 王威望, 钟禹, 李盛涛, 徐永生. 环氧树脂高频松弛的交流电导与双极性方波击穿特性[J]. 电工技术学报, 2024, 39(4): 1159-1171. Jiang Qihang, Wang Weiwang, Zhong Yu, Li Shengtao, Xu Yongsheng. AC Conductivity with High Frequency Relaxation and Breakdown Characteristics of Epoxy Resin under Bipolar Square Wave Voltage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(4): 1159-1171.
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