絕緣屏蔽殼體電場強度、熱應力的分析與優化設計

周 偉,謝毅聰,張偉強

(臺達電子企業管理(上海)有限公司 臺達電力電子研發中心,上海201209)

隨著智能電網的快速發展,電力電子變換設備開始廣泛應用于電能質量控制、儲能、太陽能和風電等新能源領域。電力電子變壓器(PET)又稱為固態變壓器(SST),是一種具有但不限于傳統工頻變壓器功能的電力電子變換設備[1-6]。隨著電壓等級的提升,對電氣絕緣和熱機械方面的可靠性與穩定性都提出了嚴格的要求。

電力電子變壓器中的絕緣、熱應力一直制約著設備向高電壓、大功率、小型化的方向發展[7-10]。為解決這一問題,設計了一種可提升功率密度、電壓等級、實現系統緊湊布局的屏蔽殼體,在電力電子變壓器中承擔著絕緣耐壓、抑制局放、支撐、固定和保護等作用,其電、熱性能的優劣對電力電子變壓器的安全可靠運行具有重要影響[11]。

1 屏蔽殼體的絕緣設計

屏蔽殼體主要由三部分組成,分別是內層金屬層(內殼),中間絕緣層(環氧樹脂)和外層金屬層(噴鋅層),如圖1所示。為了滿足耐壓和局放的設計要求,中間環氧絕緣層應具有一定的厚度,內殼的端部結構采用兩種不同的工藝處理方式,分別是內殼端部鈑金卷邊和內殼端部焊接金屬絲網,對比兩種不同的端部結構對電氣性能的影響。

圖1 屏蔽殼體的基本結構

1.1 內殼端部鈑金卷邊

端部卷邊的結構是利用卷邊后的鈑金倒角尺寸降低端部的電場強度,如圖2和圖3所示。倒角弧度越大,場強集中程度越低,但倒角不能無限的增大,會增加屏蔽殼體的絕緣厚度和工藝難度,在性能滿足要求的前提下,合理選擇倒角尺寸對結構的小型化、輕量化和量產化都具有重要意義。

圖2 端部卷邊的結構模型

圖3 端部卷邊的實際模型

基于有限元方法,使用ANSYS軟件,對絕緣屏蔽殼體進行電場仿真,內殼施加高電位17 k V,噴鋅層接地,電位和電場強度分布如圖4和圖5所示。

圖4 端部卷邊內殼的電位分布云圖

圖5 端部卷邊內殼的電場強度分布云圖

當端部圓弧倒角R=1.2 mm 時,電場強度的集中區域主要分布在內殼的端部和噴鋅層的端部,內殼端部的最大場強為4.27 k V/mm,低于環氧樹脂無局放的臨界場強8.0 k V/mm,噴鋅層端部的最大場強為1.01 k V/mm,低于空氣的臨界場強2.0 k V/mm,在這兩個區域內都不會發生局部放電。

由于內殼端部場強集中的影響,使得絕緣層與空氣交界面處的場強增大,在圖5中的虛線上取若干個點,描繪出一條場強隨距離變化的曲線,如圖6所示。在內殼端部集中區域下方的交界面處的場強最大值為2.17 k V/mm,超出了空氣的臨界場強2.0 k V/mm,在此交界面處會發生局部放電,影響高壓模塊的正常工作。

圖6 環氧樹脂與空氣交界面處的電場強度

不同的端部倒角尺寸會影響不同區域處的電場強度,端部倒角尺寸越大,交界面處的場強值越低。當R≥2.2 mm 時,交界面處的場強均低于空氣臨界場強2.0 k V/mm,滿足設計要求。如果繼續增大倒角R值,可利用的絕緣空間就會越來越小,內殼端部的場強會反向增大,過度的處理并不會得到理想的效果,見表1。因此,根據絕緣層的實際厚度、設計目標和工藝可行性,進行合理選擇。

表1 不同端部倒角下的電場強度

1.2 內殼端部焊接絲網

為改善空氣與絕緣層交界面處的局部放電問題,在內殼的兩個端部焊接金屬絲網,如圖7和圖8所示。金屬絲網完全浸入環氧絕緣層中,依靠環氧樹脂材料的高介電強度,提高屏蔽殼體的局放電壓水平。

圖7 端部焊接金屬絲網的結構模型

圖8 端部焊接金屬絲網的實際模型

當金屬絲網浸入環氧絕緣層內2.4 mm 時,電場同樣集中在金屬絲網的端部和噴鋅層的端部,金屬絲網端部的最大場強為6.74 k V/mm,低于環氧樹脂無局放的臨界場強8.0 k V/mm,噴鋅層端部的最大場強為1.46 k V/mm,低于空氣的臨界場強2.0 k V/mm,不會發生局部放電,如圖9和圖10所示。

圖9 內殼包裹絲網的電位分布云圖

圖10 內殼包裹絲網的場強分布云圖

在圖10中的虛線上取若干個點,描繪出一條場強隨距離變化的曲線,如圖11所示。交界面處的Emax為1.22 k V/mm,遠低于空氣的臨界場強2.0 k V/mm,在此交界面處不會發生局部放電。

圖11 環氧樹脂與空氣交界面處的電場強度(d=2.4 mm)

隨著浸入深度的增加,交界面處的場強逐漸降低,絲網和噴鋅層端部的場強都在逐漸增大,當浸入深度d＞4.8 mm 時,絲網端部的場強值已經超出臨界值8.0 k V/mm(見表2),不符合設計要求。

表2 不同浸入深度下的電場強度

兩種結構抑制局放的原理截然不同,端部卷邊結構是依靠倒角,端部焊接絲網結構是依靠材料本身的絕緣強度,在一定的尺寸下均可以達到局放電壓的設計要求。另外,端部焊接絲網結構在工藝處理、加工成本、成型效率和電壓等級提升等方面都更具有優勢。

2 屏蔽殼體的熱應力分析

2.1 鈑金件內殼熱變形

鈑金件內殼采用不銹鋼材質,由兩塊U型板對接后再激光焊接,激光焊接后的不銹鋼內殼變形量小,滿足冷態條件下殼體設計的精度要求。但在加熱不銹鋼內殼后(壓力注塑成型前,不銹鋼內殼需要預熱,預熱溫度為200℃),出現了殼體中部內凹的現象,經分析是由于焊接時只對外表面進行連續的激光點焊,內表面由于操作難度大,沒有進行點焊操作,導致焊接強度偏低,高溫處理后焊接區域極易發生大變形,如圖12所示。

圖12 不銹鋼殼體受熱后發生變形

對上述情況進行仿真分析,施加約束時只考慮外表面的多點焊接,整體模型施加200℃的熱載荷,在中部位置同樣出現了內凹的現象,如圖13所示,內凹變形量的最大值為2.5 mm,與實測值基本一致。

在注塑階段由于高溫、高壓同時作用,成型后的鈑金件會產生更大的變形,出現多面凹陷的情況,變形量大于3.0 mm,與環氧樹脂之間會產生氣隙、空洞,直接影響屏蔽殼體的裝配精度和電氣可靠性,如圖14所示。

圖13 不銹鋼內殼內凹變形的模擬(1/2模型)

圖14 壓力注塑后內殼的變形情況

針對上述問題,采取降低預熱溫度,降低注塑壓力、在屏蔽殼體的腔內安裝支撐結構等措施,有效的消除了內殼變形的情況,如圖15所示。

圖15 腔內安裝支撐結構

2.2 不同鈑金材料下的熱應力

內殼使用不同的金屬材質,分別為不銹鋼、銅合金和鋁合金,在冷、熱循環溫度的作用下(-40～+70℃),對不同內殼鈑金下環氧樹脂的熱應力進行仿真對比與分析,不同材料的機械性能參數如表3所示。

由于環氧樹脂為脆性材料,它的等效應力取第一主應力的值,與環氧樹脂的許用拉伸應力進行對比。不同內殼材料(見表4)下的第一主應力均小于許用的拉伸應力,但內殼材料為不銹鋼和銅合金時,第一主應力的值與許用拉伸應力相接近,如圖16所示,存在一定的風險。

表3 不同材料的機械性能參數

表4 不同內殼材料下環氧樹脂的變形及應力

圖16 不同內殼材料下環氧樹脂的剪切應力(1/4模型)

根據屏蔽殼體端部的結構特點,端部區域的環氧樹脂失效主要是受到剪切應力的影響,內殼材料為不銹鋼和銅合金時,端部環氧樹脂的剪切應力大于許用剪切應力,內殼材料為鋁合金時,環氧樹脂的剪切應力小于許用剪切應力,內殼使用鋁合金材料是安全可靠的。

從線熱膨脹系數的角度出發進行分析,不銹鋼的線熱膨脹系數與環氧樹脂差距最大,冷、熱循環作用下,由于不同膨脹系數的相鄰部分收縮程度不同,使環氧樹脂產生應力,熱膨脹系數差別越大,產生的熱應力就越大,環氧樹脂材料就越容易失效。

從彈性模量的角度出發進行分析,不銹鋼的剛度最大,它對環氧樹脂的約束能力最強,變形量最小,但熱應力最大;鋁合金的剛度最小,它對環氧樹脂的約束能力最弱,變形量最大,但熱應力最小。

綜上所述,內殼選擇鋁合金材料可以有效地減小熱應力,提高環氧樹脂與鋁合金內殼之間的結合強度,避免兩者之間出現間隙,裂紋,從而降低屏蔽殼體的電氣性能。

3 屏蔽殼體的結構優化

內腔安裝支撐結構,增加了工藝步驟,延長了生產時間,降低了生產效率,為改善這種情況,進一步提高絕緣屏蔽殼體的電氣性能,緩解熱應力,提出采用分離式的穿孔鈑金,即鈑金分解成兩個U型結構,兩個U 型結構之間留出5～10 mm 間隙,鈑金表面開孔,如圖17所示。

圖17 分離式的穿孔鈑金件

為驗證效果,對兩種不同結構(分別為端部焊接絲網結構和分離式穿孔結構)的鋁合金內殼進行熱應力的仿真對比與分析。端部焊接絲網結構(優化前)的內殼最大的范式等效應力為100 MPa,分布在拐角區域,而分離式穿孔結構(優化后)的內殼最大的范式等效應力僅為60 MPa,分布在孔的邊緣,如圖18所示。環氧樹脂的剪切應力在優化前為20 MPa,優化后的剪切應力降低至10 MPa,是原來的1/2,內殼和環氧樹脂的變形量基本上也下降至優化前的1/2,如表5所示。

圖18 不同結構下鈑金的范式等效應力

表5 優化前、后的變形和應力對比

穿孔結構使產品在成型過程中的熱應力得到了極大的緩解,降低了環氧樹脂與內殼之間發生剝離、開裂的風險,提高了局放起始電壓與熄滅電壓,如表6所示。

表6 優化前、后局放電壓的實測值對比

在提高電氣性能、緩解熱應力的設計中,材料的選擇和結構設計的合理性對產品性能的提升具有重要影響,不但可以簡化工藝步驟,提高生產效率,更有助于產品實現量產化。

4 結論

(1)屏蔽殼體的端部結構直接影響產品的電氣性能。兩種端部結構抑制局放的原理不同,端部卷邊的結構是依靠圓弧倒角,均勻端部電場。端部焊接絲網的結構是依靠絕緣材料本身的高介電強度,抑制局部放電的產生。端部焊接絲網的結構可以適應更高電壓等級的產品,對追求高電壓,大功率更具有實際意義。

(2)不同的工藝處理方式和內殼材質對產品的電場強度、熱應力性能的提升具有重要影響。從彈性模量和線熱膨脹系數的角度來看,選擇與絕緣材料屬性相接近的金屬材質,可以有效地降低產品的熱應力,提高產品的絕緣性能。

(3)采用鋁合金材質,分離式的穿孔結構可以有效地降低內殼鈑金件與環氧樹脂之間的熱應力,避免因應力集中導致環氧樹脂發生開裂或與內殼之間產生剝離,提高產品的局放起始電壓與熄滅電壓。因此,在設計階段,需要綜合分析,不但要考慮重點區域電氣性能的優劣,還要兼顧熱、機械應力對絕緣材料的影響。