随着柔性直流输电系统的不断发展，电力电子化的大型交-直流电网柔性互联与智能配电已成为我国未来电网的主要发展形态。固态变压器具有电气隔离、功率调节以及交直流灵活变换等功能，为大规模分布式能源可靠并网、不同电压等级柔性输电等提供了有效的解决途径。固态变压器采用聚酰亚胺匝间绝缘和环氧树脂浇注绝缘组成的复合绝缘结构。与传统电力变压器相比，固态变压器运行在10~30kHz的高频电压下，而且体积小，高频致热效应更加明显，固–固界面放电是导致其多层复合绝缘失效的主要原因之一。传统聚酰亚胺薄膜与环氧树脂材料在电、热特性上存在差异，难以满足固态变压器多层复合绝缘的界面相容性要求。研究高频脉冲电应力下多层复合绝缘的放电演化机理，可为固态变压器绝缘界面的相容性增强设计提供科学依据。

图 1 固态变压器中聚酰亚胺-环氧树脂复合绝缘界面示意图

李庆民教授课题组针对高频脉冲电应力下固态变压器多层复合绝缘界面的放电演化机理开展研究，获得了聚酰亚胺-环氧树脂绝缘界面放电的统计特征和演化规律，结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响，厘清了电-热-力多场耦合作用下多层复合绝缘界面的放电共生演化机理；进一步研究了表面接触形貌对复合绝缘固-固界面高频击穿强度的影响，提出了材料表面接触形貌的定量计算模型，分析了表面粗糙度和界面接触压强对击穿强度的影响机制。针对两相材料在高频脉冲应力下的界面相容难题，采用离子交换技术在聚酰亚胺表面构筑氧化铝复合涂层，该涂层在抑制界面电荷积聚和增强界面绝缘性能方面表现出优异特性。本研究在厘清了多层复合绝缘界面放电共生演化机制的基础上，提出了固-固界面电热相容性调控方法，并结合跨尺度仿真实现复合绝缘结构的优化设计并验证其有效性，相关成果对于推动固态变压器向高压大容量发展具有重要应用价值。

图 2 多层绝缘放电共生演化机理与电-热相容性增强设计方法

图 3 复合绝缘电气性能测试

图 4 提升复合绝缘界面相容性的作用机理

该研究工作相关成果连续发表于《Applied Surface Science》、《IEEE Transactions on Industry Applications》、《中国电机工程学报》和《电工技术学报》等期刊，博士生李志辉为论文第一作者，李庆民教授为通讯作者，新能源电力系统全国重点实验室为论文唯一通讯单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金海外学者合作重点项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等资助。

Reference：

[1] Zhihui Li, Zengqi Xie, Yaoxuan Han, Hanwen Ren, Qingmin Li, et al. Impact of nano-Al2O3 Coating on the Dielectric Properties and High-Frequency Surface Electrical Strength of the Polyimide Films[J]. Applied Surface Science, 2023: 157666.

[2] Zhihui Li, Qingmin Li, Jian Wang, et al. Influence of Interfacial Contact Morphology on High Frequency Breakdown-Strength and Partial Discharge Characteristics of Epoxy-Polyimide [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, no. 6, pp. 7484-7494, 2023.

[3] 李志辉, 解曾祺, 李庆民等. 高频电应力下温度对复合绝缘界面局部放电特性的影响机制[J]. 中国电机工程学报, 2023, 43(22): 8965-8977.

[4]李志辉, 解曾祺,李庆民等. 多巴胺接枝的纳米氮化硼改性环氧树脂绝缘表面电荷高频消散特性[J]. 电工技术学报, 2023, 38(05): 1116-1128.

初审：任瀚文

审核：李庆民

责任编辑：张洪