摘要：大功率高频变压器是解决清洁能源并网、直流负荷供电等需求的关键设备。在高频、大功率应用场合，纳米晶材料具有优异的综合磁性能。纳米晶带材一般卷绕为环形或者矩形磁心，由于环形磁心不存在直角拐角，损耗分布更为均匀，且环形变压器漏感低、效率高，因此环形变压器在高频大功率

大功率高频变压器是解决清洁能源并网、直流负荷供电等需求的关键设备。在高频、大功率应用场合，纳米晶材料具有优异的综合磁性能。纳米晶带材一般卷绕为环形或者矩形磁心，由于环形磁心不存在直角拐角，损耗分布更为均匀，且环形变压器漏感低、效率高，因此环形变压器在高频大功率场合下优势明显，应用前景广阔。

变压器高频化的意义在于缩小磁元件体积和提高功率密度，这也导致高频变压器的热负荷密度相对于工频变压器急剧增大。随着变压器容量的增加，变压器温升越发严重，已成为制约高频变压器容量和功率密度提升的主要瓶颈，因此目前亟须针对环形高频变压器开展散热优化研究。

干式变压器常用的散热方式分为风冷和水冷，其中风冷式散热多采取增加散热面积的思路。与风冷相比，水冷具有更强的散热能力，在大功率变压器的实际工程中更具应用潜力。

评判变压器散热能力好坏的指标是温升。常用的变压器温升分析方法有经验公式、集总参数热路模型和有限元仿真三种。相比于经验公式的较大误差，集总参数热路模型和有限元仿真虽然需消耗更多计算资源，但提供了更高的准确度。集总参数热路模型本质上与有限元方法相似，但节点数量少了几个数量级，从而能在保证计算精度的前提下大幅减小计算量，适合作为变压器设计过程中的温升分析方法。然而目前关于环形水冷变压器的热路模型还不成熟，需要进一步开展研究。

固体灌封绝缘可有效地降低绝缘距离，是目前高频变压器的主流绝缘方式。灌封式高频变压器的绝缘主要依靠有机材料（如环氧树脂、聚酰亚胺、ABS塑料等）实现。有机材料的缺点在于导热系数较低，容易导致变压器内部热点温度过高。受限于环氧树脂材料固有特点，改性环氧树脂的导热系数与铜的导热系数相差两个数量级，不利于变压器内部热量的散出，因此需要找到一种导热性能较强的绝缘材料以满足灌封式变压器的散热需求。

针对环形水冷高频变压器的热管理，为了进一步增强散热效果，综合能源电力装备及系统安全湖北省重点实验室（武汉大学）、武汉第二船舶设计研究所的王开国、宫金武，选择集总参数热路模型作为变压器散热设计中的指导方法，根据环形变压器的轴对称结构建立了考虑中心圆柱热阻的二维等效热路模型，并通过有限元仿真对中心圆柱热阻及整个热路模型的准确性进行了验证。

图1 环形水冷变压器结构及热单元

图2 采用氮化铝陶瓷的灌封式环形变压器结构

他们针对水流量高于某值后变压器温度基本不再随水流量增大而降低的现象，基于热阻模型分析发现是热源与水冷板之间的热阻较大所致。针对该传热过程中的瓶颈环节，提出了一种基于高导热绝缘材料氮化铝的新型散热结构。

图3 采用氮化铝散热结构的变压器温度仿真结果

图4 高频变压器温升实验平台

该结构在灌封的变压器与水冷板之间建立低热阻通道，可将更多热量传导至水冷板散出，从而降低了变压器温升，使得变压器容量和功率密度可进一步提升。

研究者进一步开展了有限元仿真验证和实验验证，二者均证明了相比于全环氧树脂灌封变压器，采用氮化铝散热结构的变压器温升更低，验证了所提散热结构的有效性。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“采用氮化铝材料的水冷变压器的热管理方法”。本课题得到国家自然科学基金的支持。

来源：电气新科技