為了提升中頻變壓器的散熱和機械性能，合肥工業大學電氣與自動化工程學院、陽光電源股份有限公司、國網安徽省電力有限公司的趙玉順、戴義賢、莊加才、蔡國慶、陳志偉、劉鑫，在2023年第4期《電工技術學報》上撰文，針對中頻變壓器絕緣材料的性能參數進行了優化配置。
研究人員通過建立熱固耦合模型，結合有限元法分析了中頻變壓器額定運行時的溫度場以及熱衝擊試驗時的應力場和位移場，以檢驗絕緣材料的散熱和力學性能。採用Box-Benhnken中心組合設計試驗和響應面分析法，研究了絕緣材料性能參數對變壓器溫升、應力和形變的影響。求解響應面模型獲得理想的絕緣材料性能參數範圍，結合實際確定了優化配合方案：導熱係數為0.8 W/(m·K)，熱膨脹係數為4.7×10-5 K-1，楊氏模量為3.5 GPa。通過仿真與試驗對優化方案進行驗證，各項試驗指標均滿足要求。上述研究結果可為中頻變壓器絕緣材料的優化與選擇提供依據。
中頻變壓器（Medium Frequency Transformers, MFT）是電力電子變壓器系統的核心設備。藉助於電力電子模塊控制，中頻變壓器可實現電能質量控制、諧波治理、故障隔離等功能。在「雙碳」和「新基建」等政策的驅動下，未來光伏、風電等綠色能源發電量大幅提升，新能源併網、電動汽車充電樁、海上風電、大型數據中心的建設迅速發展，高壓大容量中頻變壓器展現出廣闊的應用前景。
中頻變壓器的結構緊湊，絕緣設計和材料選型是製造這種設備的關鍵問題，需要綜合考慮絕緣、散熱損耗、開裂、寄生參數等問題。採用環氧樹脂澆注作為中頻變壓器的絕緣形式，具有尺寸小、免維護、清潔環保等優勢，能滿足電力電子變壓器模塊化、小型化、易組裝的應用需求。為了保證中頻變壓器的高功率密度，其環氧樹脂澆注絕緣須採用厚絕緣結構。
然而，在變壓器的成型製造、熱衝擊試驗、冷熱循環試驗、溫升試驗過程中，厚絕緣結構散熱困難、熱應力大，變壓器易發生溫升過高、絕緣結構開裂和局部放電量超標等問題，這已成為制約中頻變壓器向高壓、大容量方向發展的關鍵。
目前，國內外學者主要通過優化電氣結構來進行中頻變壓器絕緣設計，通過優化繞組和磁心來減小損耗以避免其溫升過高。優化電氣結構的方法在提升中頻變壓器絕緣可靠性、降低損耗等方面取得了較好成效，但絕緣材料的選型和開發亦是解決中頻變壓器絕緣、散熱與應力控制等問題的重要環節。
當前，研究較多地關注中頻變壓器絕緣材料的電氣性能，其力學和熱學性能關注較少。中頻變壓器絕緣結構的散熱、應力與材料的導熱係數、熱膨脹係數、模量和力學強度等因素有關，解決中頻變壓器散熱和應力過大問題的最佳方案是，採用同時具備良好導熱、熱膨脹和力學性能的絕緣材料。
由於絕緣材料的各項性能指標相互制約，同步提高困難，目前尚無各項性能俱佳的絕緣材料，在選擇或開發中頻變壓器用絕緣材料時，可行的方法是尋求材料各項性能參數之間的平衡。
為了對絕緣材料進行優化選擇，合肥工業大學電氣與自動化工程學院等單位的研究人員建立了中頻變壓器熱固耦合模型，採用Box-Benhnken中心組合設計試驗和響應面分析法，研究了絕緣材料性能參數對中頻變壓器溫升、應力、形變的影響。通過對響應面模型進行求解，獲得了符合要求的絕緣材料性能參數範圍，結合生產實際確定了優化配合方案，並進行仿真計算和變壓器真型試驗，對優化結果進行了驗證。
他們最後得出研究結論如下：
1）採用純環氧樹脂作為絕緣材料時，中頻變壓器額定運行時的最高溫度為243.6 ℃，超過環氧樹脂的玻璃化轉變溫度，降低了其絕緣壽命和可靠性；熱衝擊試驗中絕緣層的最大應力為84.6 MPa，超過了純環氧樹脂絕緣材料的拉伸強度，易發生絕緣開裂；絕緣層的最大形變為0.868 mm，滿足絕緣結構的剛度要求。
2）通過Box-Benhnken中心組合設計試驗和響應面法分析，發現絕緣材料的導熱係數超過1 W/(m·K)之後，繼續提升導熱係數，散熱效果提升不明顯；熱衝擊過程中絕緣結構的最大應力與絕緣材料的熱膨脹係數和楊氏模量呈正相關，最大形變量與絕緣材料的熱膨脹係數呈正相關。綜合分析得出，絕緣材料的導熱係數和熱膨脹係數對中頻變壓器的性能影響較大。
3）結合生產條件和難度確定絕緣材料的性能參數優化配合方案為：導熱係數0.8 W/(m·K)，熱膨脹係數4.7×10-5 K-1，楊氏模量為3.5 GPa。仿真結果顯示，相較於純環氧樹脂，優化後中頻變壓器的最高溫升降低了82.6 %，最大應力降低了37.7 %，最大形變降低了40.2 %，各指標水平均滿足要求。採用性能參數優化後的環氧樹脂對中頻變壓器進行澆注，並開展溫升和熱衝擊試驗，溫升滿足要求，絕緣層未出現開裂，驗證了優化結果的合理性。
本研究成果發表在2023年第4期《電工技術學報》，論文標題為「基於熱固耦合的中頻變壓器絕緣材料性能參數優化配合方法」。本工作得到國家電網有限公司科技資助項目的支持。