电力电子设备中的电气绝缘问题

孟维龙1,王梓沣2,姜曙光3

1沈阳焦煤股份有限公司供电管理中心

2沈阳地铁集团有限公司运营分公司

3沈阳焦煤股份有限公司供电管理中心

摘要：随着各个领域的发展，对电力的需求不断增加，国家对电网的投资也在不断增加。电力电子设备电气设备在电力系统中占有重要地位。为了保证整个电力系统的安全运行，必须保证电力电子设备和电气设备的稳定性。电力电子设备的电气绝缘是电力电子设备运行中的重要环节。

关键词：电力电子设备；电气绝缘；问题

引言

随着社会经济的不断发展，电能在现代社会发展中的应用越来越广泛。在推动电气设备进一步应用和发展的同时，也提高了对电气设备运行稳定性和安全性的实际要求。在这种环境下，加强电气设备尤其是电力电子设备的绝缘测试和检测具有重要的现实意义。然而，就目前电力电子设备电气试验的实施现状而言，仍存在一些问题和不足，试验结果的准确性无法保证，电气绝缘试验的实际作用无法发挥。

1.电力传输

1.1电力电子变压器

20 世纪 70 年代，电力电子变压器的概念被人类所提出，并开始针对其功能性进行研究。彼时它被提出的原因是为了能够减轻电力机车上低频变压器的重量。随着科学技术的进步，人类对电力电子技术的研究也有了新突破。而人类社会日益增长的用电需求也使得电力电子技术的研究不能停滞不前，这也让电力电子变压器的作用进一步得到扩大，其经济地位也逐渐得到凸显。由于电力电子变压器的使用环境较为严苛，所以对它的制作材料有着极高的要求。特别是对于绝缘材料来说，它能否承受住苛刻的工作环境将成为电力电子变压器是否得到发展的关键所在。就目前的研究方向来看，电力电子变压器的绝缘测试主要是测试它能否在特定的频率和电压下减缓绝缘系统的老化以及其能够承受的电热能顶点。多项研究结果表明，电力电子变压器在高能量密度下，会增加绝缘材料的导电可能，进而影响到它的使用的效果。同时，不同频率下绝缘体老化的速度也在发生变化，其性能也会受到影响，其中高频率电压所产生的影响最大。所以，未来电力电子变压器的研究方向应该更加偏向于观测其绝缘系统的老化过程，并从其中发现老化规律，找出相应的解决办法。

1.2换流变压器

在超高压直流输电工程中，换流变压器是必不可少的重要设备，同时它也决定着电力工程的经济效益和平稳运行，已经在越来越多的电力工程中得到广泛的应用。在直流输电工程中，换流站是其中至关重要的内容。而换流变压器的绝缘性恰恰能够决定换流站的故障发生频率，所以换流变压器绝缘性的优劣是直流输电工程进行之前要解决的重要问题。换流变压器的绝缘性主要体现在它的绝缘材料上，例如：绝缘纸、变压器油等等。在对换流变压器绝缘性进行测试时，同样需要从多个角度进行考虑。例如：工作环境中温度的上升会使得介质电阻率改变，从而使换流变压器内部的电离子分布情况发生改变，最终影响到换流变压器的绝缘性能。需要注意的一点是，温度的不同会使得换流变压器的绝缘性改变，但这种改变并不是逐渐递增或递减，而是会受到其他客观因素的影响发生不规则的波动，比如：换流变压器的极性。所以在对换流变压器绝缘性研究的过程中，应当从空间电荷极性和不同运行条件下绝缘材料出现的不同情况等方面进行研究，以期望提高换流变压器的绝缘能力。

2.电力负荷

2.1变频电机

在一定的条件下，能够以 100%的额定负载在 10%—100%额定速度范围内不间断运行，同时温度上升区间在电机可控范围内的电机被称为变频电机。它凭借节能、构造简单、环境适应力强等优点，在当今的电力工程中应用极为广泛，给人类的生产和生活带来了极大的便利。但事实上，受限于当今的科学技术，变频电机在使用的过程中，其绝缘问题仍旧是一项未能得到圆满解决的重要问题。 例如：目前在高铁中应用的高压变频电机虽然已经能够代替交流牵引电机完成电力输送，但它的绝缘系统却会受到高频变压的影响而加大损耗，不仅使得绝缘系统的寿命缩短，还使得绝缘系统的性能变差，给高铁行驶带来了安全隐患。我国的相关科研人员早已针对这一现象做出相应的测试和研究，种种研究结果表明导致变频电机绝缘问题的主要因素为局部放电，同时辅以温度升高、介质损耗等现象。总体来说，还是需要在变频电机的绝缘材料上做文章，既需要考虑到绝缘材料的耐电性能，还应考虑到其耐热性能，此外还需要将其使用特殊的工艺加以完善，以上种种相加，才是变频电机绝缘问题的解决方向。

2.2新能源汽车

新能源汽车是当今科学技术进步以及坚持可持续生态发展所诞生出的时代产物，以电能作为主要能源的电动汽车，就是新能源汽车的一部分。在新能源汽车中，特别是纯电动汽车，都会使用蓄电池作为汽车能源的一部分，为汽车提供行走的能量。所以电力电子设备性能的优劣，可以直接影响到新能源汽车的使用体验与行车安全。在新能源汽车的动力结构中，同样也会存在由于温度过高而导致电力电子设备绝缘性能降低的现象，除此之外，新能源汽车不规范行车造成的摩擦碰撞也是导致电力电子设备绝缘性能降低的因素之一。新能源汽车的电机系统通常会带有一定的腐蚀性，这就表明若是绝缘系统发生破坏则会直接对人体造成严重的危害，所以对新能源汽车内部电机系统绝缘性能的改进尤为重要。但目前人类对新能源汽车电机组绝缘性的研究理念尚不成熟，也在督促着人类在该领域内的研究必须不断得到完善。

2.3电动飞机

电动飞机脱离了传统的内燃机，是一种主要依靠电力系统来完成飞行工作的飞机，具有节能环保、效率高、养护简单等多种优点，在人类的航空航天领域已经得到了广泛的应用。虽然电动飞机有着现代化和智能化的种种优势，但它的绝缘问题同样也是制约其发展的主要问题之一。电动飞机的工作环境通常在海拔近万米的高空，在这种特殊且极端的环境下，存在着诸多不稳定的因素。例如：大气层中电压离子的不稳定性、高空中温度过低导致雨水凝结等等。在这样的条件下，对电动飞机的绝缘性能要求极高，不仅需要绝缘表面能够承受大气层中不稳定的电压，还需要绝缘表面在低温状态下仍旧能够保持正常工作。所以，针对电动飞机绝缘性能的研究必须要反复对其稳定性进行测试，尤其是局部放电检测。除此之外，在测试的过程中还需要模拟出高空低温的环境，以便确保电动飞机在极端环境下仍然能够正常进行工作。

3.基础电力电子元件

任何的电力电子设备都是由基础电力电子元件所组成，所以基础电力电子元件也是所有电力相关产业发展的基础所在，例如：新能源产业、发电厂、高新技术产业等等。想要解决电力电子设备的绝缘问题，就需要在基础电力电子元件材料的选用上做出改变。当今普遍采用聚酰亚胺薄膜来对基础电力电子元件做出绝缘处理。但虽然聚酰亚胺本身的使用温度范围可在-200℃—400℃中波动，但它的实际绝缘效果却会由于温度的降低或是升高而发生改变，若是将之应用在某些高危领域，很有可能会由于些许误差而造成人身伤害或经济损失。所以在人类不断增长的社会需要面前，聚酰亚胺并不能够完全得到适用和满足。这也就表明人类仍然需要持续不断地对相关内容进行探索，从而寻找到一种更加稳定的绝缘材料来保障基础电力电子元件的绝缘性能，并以此为基础促使更多的产业得到发展。

结语

综上所述，当前人类的科学技术仍然处在蓬勃发展的时期，这也就表明电力电子技术也将不断走向成熟和发展的道路。为了满足人类日益增长的发展需要，未来的电力电子设备必将向着智能化、高效化、简便化所发展，同时它的应用领域也将变得更加广泛，而其中存在的电气绝缘问题也终将得到合理的解决。

参考文献

[1]张冶文,潘佳萍,郑飞虎，等.固体绝缘介质中空间电荷分布测量技术及其在电气工业中的应用[J].高电压技术,2019,45(08):2603-2618.

[2]崔岩.施耐德电气推出全新环保型气体绝缘开关技术，助力行业可持续发展[J].电气时代,2019(08):12-13.