面向人工智能数据中心的固态变压器绝缘设计技术
报告人：李楚杉 浙江大学 ZJU-UIUC联合学院，电气工程学院 主要内容 固态变压器(SST)背景与挑战二基于双层屏蔽结构的变压器主绝缘设计三、基于应力带或伞裙的变压器出线端设计四、样机制备与技术总结 主要内容 固态变压器(SST)背景与挑战二、基于双层屏蔽结构的变压器主绝缘设计三、基于应力带或伞裙的变压器出线端设计四、样机制备与技术总结 人工智能（AI技术发展催生海量算力需求 >2016年AlphaGo战胜围棋世界冠军，人工智能发展进入快车道 >ChatGPT为代表的大语言模型将AI技术平民化，催生海量算力需求>2019-2024年全球算力年复合增长率达到惊人的48.2%，2024年算力总规模突破1.8ZFLOPS（每秒十万亿亿次浮点运算） 全球算力市场规模及预测（单位：EFLOPS) 算力用电飞速增长与数据中心大建设 >AI时代到来：AI算力需求增长带动单处理器功耗指数级上升(NvidiaBlackwellGPU1200W)，同时推动数据中心用电规模激增全球数据中心用电规模持续扩大，未来将占据全球用电量的7% 预计2030年，我国数据中心总用电量为5257.6亿千瓦时~6.5个三峡发电站年发电量 现有供电架构面临功率密度与效率瓶颈 >AI需要高功率密度：AI模型训练需要多芯片协同与高速数据交换 AI机柜功率暴增：600kW机柜设计已发布，未来将达兆瓦级 供电系统瓶颈：占地面积大，变换效率低（≤95%）驱需架构创新 固态变压器方案崛起数据中心供电架构演进： 供电架构发展趋势：高压化、直流化、集成化、高频化 经典级联型方案固态变压器拓扑方案 基于级联结构的SST：多用于数据中心/超充桩等商业化案例 口前级CHB/MMC拓扑：网侧有源整流，PFC功能，适配电网电压等级 采用器件：1200V/1700V/3300VSi/SiC功率模块/单管并联 H桥结构：两电平H桥，NPC三电平/T型三电平/新拓扑 口后级级联型DC/DC拓扑：高频隔离功能 固态变压器拓扑方案未来集中式方案 非模块化高降压方案：多见于学术研究，具有潜在更高功率密度 >基于高压器件/IGCT/器件串联的多电平拓扑，三相耦合，具有公共母线，单变压器功率密度高 关键瓶颈：中压高频大容量变压器 中压高频变压器是SST中的核心部件，也是其中唯一隔离元件，是实现直流电压变换决定系统效率与成本的关键环节 口基本功能 功率传递 电压变换 电气隔离 口工作条件 高开关频率：数十kHz 高隔离等级：数十kV 高功率密度：10kW/L 中压高频变压器是决定固态变压器成本性能的关键部件 关键瓶颈：中压高频大容量变压器 >中压高频变压器需要满足相同中压等级低频电力变压器绝缘标准 技术形态尚未统一，结构高度定制化：如何实现高可靠设计？ 口绝缘要求相同(10kv为例) 工频耐压：35kV1min 雷电冲击：75kV*3 局放测试：13kV<10pC 环氧树脂厚度：≥8mm10kV交流系统经验值 如何实现高频变压器的高绝缘、低应力、高密度设计11 挑战性难题：绝缘应力柔化设计难 变压器可通过加厚加长绝缘结构提高整体耐压以防止短时过压击穿故障（补强易）》但如何通过细节改进避免绝缘结构短板的局部电离和加速老化颇具挑战（护短难）空气等低介电常数与低峰值场强介质是多重介质配合构成的绝缘系统中的天然短 板，介质阻抗失配带来局部高峰值电场导致空气等介质被电离 如何避免局部高应力带来的电离和击穿是绝缘设计难题 主要内容 固态变压器(SST)背景与挑战二、基于双层屏蔽结构的变压器主绝缘设计三、基于应力带或伞裙的变压器出线端设计四、样机制备与技术总结 高部放电机理与关键问题分析 由多重介质配合构成的绝缘系统具有复杂电场分布，设计易顾此失彼口低介电常数与低峰值场强的空气介质是所有绝缘结构的短板所在口多重介质阻抗失配带来局部高峰值电场，进而导致空气等介质被电离串联等效电路分析：低介电带来小容值，小容值导致高承压 主绝缘结构：中间空气层与内部气泡的局部高场强引起电离 出线端结构：三态界面引入的畸变峰值电场使附近空气电离 避免过高的局部峰值电场是绝缘系统局放抑制的关键 多重电场屏蔽原理 电场屏蔽原理：电应力转移与束缚 >电场屏蔽是通过引入等电位层，尽可能地将电应力转移并全部束缚在均匀的优绝缘介质内部，进而避免局部场强超限 提出一种“短路”空气间隙和气泡缺陷的多重屏蔽方法 基于多重屏蔽的主绝缘结构设计思路 口主绝缘易局放位置为环氧与低压绕组间气隙，及高压绕组内部空泡 口通过高压绕组外包覆内屏蔽层，环氧树脂层外包覆外屏蔽层，将绝大部分电应力束缚于完整的环氧树脂层中 口多重屏蔽结构需优化屏蔽材料、屏蔽电位与形态结构 多重屏蔽主绝缘结构屏材料优选 口多重屏蔽材料选择与结构组成 口区外屏蔽层：接地电位低阻涂层 针对绝缘层外空气中场强过高发生的局放问题 内屏蔽层：接高电位半导电纸 针对主绝缘层内的局部场强峰值以及绕组浇注空泡引发的局放 内短路层：铜箔胶带贴绕内屏蔽层 >使内屏蔽层各处电位相同 半导电材料使用：减小涡流损耗 多重屏蔽主绝缘结构参数优化 口内外屏蔽层材料电导率与内短路层铜箔节距优化 沿面电位随电导率变换关系 优选电导率不低于10-3S/m的半导电材料实现有效地电场屏蔽 多重屏蔽主绝缘结构电热应力优化 内外屏蔽层的形态结构变化影响其电热应力分布 优选圆角曲率Rs大于5mm使主绝缘层峰值场强低于5.5kV/mm 多重屏蔽结构电应力束缚效果验证 多重屏蔽结构将电应力束缚在主绝缘层内，既避免了局部放电事件发生，又实现了主绝缘层电应力柔化 主要内容 固态变压器(SST)背景与挑战二、基于双层屏蔽结构的变压器主绝缘设计三、基于应力带或伞裙的变压器出线端设计四、样机制备与技术总结 出线端电应力控制的可行策略 低阻接地的外屏蔽层导致了绕组出线端的电场畸变 本质在于主绝缘层沿面空气阻抗较大，与主绝缘层体电容阻抗不匹配，导致沿面电场畸变附加特定阻抗特性材料或改变主绝缘结构，丛而改变出线端阻抗缓解电场畸变 改善方法 应力锥/伞裙 改变主绝缘层阻抗分布 沿面等效电路 沿面等效电路（无附加材料沿面阻抗为空气阻抗Zair) 应力控制材料 改变主绝缘层表面阻抗：沿面阻抗变为材料阻容网络） 沿面电位分布 出线端电应力柔化结构设计思路 口提出出线端电应力柔化结构选择合适阻抗特性的应力控制材料包绕于出线端构成应力缓释层，可以降低峰值场强 需表征应力缓释材料阻抗特性，建立电应力分布解析模型，实现材料阻抗优选与应力柔化效果分析 应力缓释材料电导率对沿面场强分布影响 出线段应力控制材料表征与优选 选择恒定电阻率材料1与非线性电阻率材料2进行电特性表征 测试设备与测试样品 出线端电应力分布解析建模 针对采用恒定电阻率材料的出线端建立解析与有限元模型针对采用非线性电阻率材料的出线端建立有限元模型 有限元仿真模型 基于数值链路的解析模型 audsodsoaauau沿面电位变化方程：OSG+8sc00oxototCxax 电位方程解析解：dsgd.α.f(o)a+lav(x)V(r)=Eg.of(t)/atEisoEoax 出线端电应力柔化效果对比分析 两种材料均显著降低出线端电位变化率与峰值场强避免局放 基于伞裙结构的出线端设计 口高压系统中基于应力带的出线端设计并非主流 口高压端子到地电气间隙（共模线电压10kV：120mm口高压端子到地爬电距离（共模线电压10kV：160mm 伞裙出线端绝缘结构 口加入伞裙结构设计 更加方便开模和浇筑 √满足IEC62477等相关安规标准要求 功率密度相比应力带低 基于伞裙结构的变压器出线端设计更符合工业制造要求 变压器伞裙出线端形态总览 基于伞裙的变压器出线端形态应在未来2-3年内标准化 主要内容 固态变压器(SST)背景与挑战二、基于双层屏蔽结构的变压器主绝缘设计三、基于应力带或伞裙的变压器出线端设计四、样机制备与技术总结 具有多级电应力控制的中压高频变压器 口多级电应力束缚与柔化结构 外电场屏蔽结构内电场屏蔽结构：主绝缘层电场束缚电应力控制结构：出线端电应力柔化 实现高压侧绕组与低压部分间的电应力控制 绝缘结构的工艺性能验证 屏蔽结构工艺验证 X光检测： 内屏蔽层连续直均匀增大了场源曲率柔化了电应力切割检验：屏蔽材料与环氧树脂亲和性较好未见肉眼可见的浇注空泡 10次高低温循环：3支样品在10次温度循环后无可见形变、裂纹、色变温度循环后局放量未见明显增加所提内屏蔽结构与主绝缘浇注材料亲和性良好 所提绝缘结构具有强可制造性实现了良好工艺配合 样机工频耐压测试 35kV1分钟内电流未突变满足标准提升电压至42kV,1分钟工频耐压测试仍可以通过46kV加压12s时发生沿面闪络主绝缘层未击穿 测试电路与测试电压 绝缘结构有效缓释了电应力确保了极高的交流耐压 样机局部放电测试 口局部放电测试平台 18kV激发电压下局部放电量40-50pC13kV测试电压下局部放电量0.69pC可视作无局放，满足标准要求<10pC变压器起晕电压为15kV左右，局部放电事件开始出现，放电量仅5pC 所提应力束控与柔化设计实现了无局放变压器设计 样机雷电冲击测试 口冲击电压波形记录 口雷电冲击测试平台 口测试电路与标准波形 -60kV下进行一次全波校正冲击-75kV下1.2/50us全波冲击三次未发生明显的闪络和击穿,波形与校正冲击一致，雷电冲击测试通过 变压器样机顺利通过10kV等级下耐压雷冲和局放测试 动态下的满载运行和温升测试 口离线功率对拖测试平台 样机效率与电气性能测试 变压器样机用于DABDC-DC 浙大海宁校区的10kV/2MWSST 变压器满载效率达到99.7% 所提变压器样机满载效率高达99.7%，并成功应用于10kV/2MW固态变压器系统中的DABDC-DC变换器 报告总结 固态变压器是未来超大规模数据中心供电系统中的关键设备中压高频大容量变压器是固态变压器中的核心部件，也是其关键技术瓶颈 口通过多重屏蔽结构设计变压器主绝缘：抑制局部放电提高变压器寿命 口通过电应力缓释结构或伞裙结构设计变压器出线端：缩短出线端距离防爬电 口样机通过所有同电压等级工频变测试