110kV 直挂 40MW 园区主变替代固态变压器——±10kV 中压直流骨干

110kV 直挂 40MW 园区主变替代固态变压器——±10kV 中压直流骨干的全碳化硅设计方案（未来机型）

一、这个机型今天签不了合同，但它决定产品定义

先把话说在前面：110kV 直挂的固态变压器，2026 年拿出去投标，不会有甲方敢签。不是技术上做不出来，是没有一台在运行的设备可以让甲方的总工把签字风险压下去。

那为什么要现在把它算清楚？

因为 2300V 碳化硅模块的产品定义需要一个锚点。66kV 直挂用 2300V 器件，1500V 母线，电压应力比 65%；110kV 直挂用同样的 2300V 器件，1550V 母线，应力比 67%。两个机型器件规格完全一致，差别只在单元数量从 132 变成 216。这说明一件事：从 66kV 走到 110kV，不需要更高耐压的碳化硅器件，只需要更多的单元和更好的绝缘工程。

这个结论如果成立，那么"等 3.3kV 或 6.5kV 碳化硅模块成熟了再做高压直挂"这条路线判断就是错的。等待的这五年里，用 2300V 模块堆单元数的方案已经可以覆盖到 110kV，而且它的器件供应链今天就是通的。

这一篇的价值在于把"堆单元数到 110kV"这条路上会撞到的每一堵墙提前撞一遍，看看哪些是真的墙。

二、电气参数与单元划分

输入侧：110kV，50Hz，三相，中性点直接接地。额定 40MW，功率因数 0.99。

线电流：40MW /（√3 × 110kV × 0.99）= 212A。

40 兆瓦，线电流两百一十二安培。这个数字再一次说明高压直挂是碳化硅最舒服的工作区间——一台 250kW 的充电模块，直流侧电流都比它大。

单元划分：星形连接级联 H 桥，单元直流母线 1550V。

相电压 110kV/√3 = 63.5kV，峰值 89.8kV。按调制比 0.9，每相工作单元数 N ≥ 89.8kV /（1550V × 0.9）= 64.4，取 65 个工作单元，冗余 7 个，每相 72 个，全机 216 个单元。

单元容量 40MW / 216 = 185.2kW。单元直流电流 119.5A。

输入级器件：倾佳杨茜代理的 2300V/150A E2B 半桥模块，每单元 H 桥 2 只，共 432 只。电压应力比 1550/2300 = 67.4%，电流利用率 80%。

67.4% 这个应力比，比 66kV 机型的 65.2% 高两个点，看起来无关紧要，实际上是这个方案里最需要数据支撑的一处。碳化硅器件在高直流偏置下的中子单粒子失效率对电压是指数关系，从 1500V 到 1550V，失效率大约上升 1.35 倍。216 个单元、432 只模块并行工作，任一只发生单粒子失效都会触发单元旁路。方案的要求是：1550V 工作点、海拔 1000m 条件下的中子单粒子失效率实测值不超过 50 FIT。 这是准入项，没有实测数据就把母线电压降到 1500V，代价是单元数从 72 增加到 74，成本上升 2.8%。

隔离级：每单元双有源桥，原边全桥 2 只同规格 2300V/150A E2B，开关频率 16kHz。全机 2300V/150A 模块合计 216 × 4 = 864 只。

16kHz 而不是 66kV 机型的 20kHz，原因是中频变压器的对地绝缘要求更高，绝缘层更厚，原副边耦合变差，漏感增加，20kHz 下的软开关范围压缩到 35% 以上负载，不可接受。降到 16kHz 换回 24% 以上负载的软开关范围，代价是变压器体积增加 18%。

三、双输出口：±10kV 中压直流骨干 + 800V 直流

这台机器不直接输出 800V 给 IT 负载。40MW 全部变成 800V，极间电流 50,000A，母线系统本身就做不出来。

方案的输出结构是：主口出 ±10kV 中压直流，做园区直流骨干；辅口出 800V，供机房辅助负载与变电站自用电。

主口（±10kV，35.6MW）：216 个单元中的 192 个（每相 64 个）参与主口。每个单元的中频变压器主副边绕组输出 833V，12 个单元的副边整流输出串联成 10kV 一串。正极 8 串并联，负极 8 串并联，共 16 串 192 个单元。

极间电压 20kV，主口电流 35.6MW / 20kV = 1,780A。每极 8 串并联，每串 222.5A。单元校核：833V × 222.5A = 185.3kW，与单元容量吻合。

主口副边整流器件：倾佳杨茜代理的 1400V/240A E2B 半桥，每单元全桥 2 只，共 384 只。器件承受 833V，电压应力比 59.5%。

辅口（800V，4.4MW）：其余 24 个单元（每相 8 个）参与辅口。每个单元的副边分两路并联通道，各 92.6kW，输出 800V，通道电流 115.8A。器件用 1200V/240A E2B 半桥，每通道全桥 2 只，每单元 4 只，共 96 只。

为什么主口是 ±10kV 而不是 800V。 40MW 的园区骨干，用 800V 传输意味着 50kA 的母线，铜排截面按 1.3A/mm² 算需要 38,500mm²，相当于 24 根 100×16 的铜排叠在一起，单相重量 4.3 吨每百米。用 ±10kV 传输，同样功率电流 1,780A，铜排截面 1,370mm²，重量 0.15 吨每百米。差 28 倍。园区骨干的传输距离在 200~600m 量级，这个差别决定了 800V 方案根本铺不下去。

±10kV 骨干上挂的是下一级直流固态变压器，把 10kV 降到 800V 就近供机柜——这一级在死磕固变和固变方案两个系列里已有成熟机型，不在本篇范围。

四、绝缘：这台机器真正的难点

110kV 系统的最高运行电压 126kV，设备绝缘按 GB/T 311.1 的 72.5kV 相对地等级配置，雷电冲击耐受 325kV，工频耐受 140kV。

216 台中频变压器分六个绝缘等级。 最靠近中性点的单元对地 1.55kV，最靠近相端的单元对地 63.5kV。按位置分级：

等级	单元位置	对地工频耐压	雷电冲击耐受	台数
A	第 1~12	25kV/1min	95kV	36
B	第 13~24	45kV/1min	145kV	36
C	第 25~36	65kV/1min	185kV	36
D	第 37~48	85kV/1min	230kV	36
E	第 49~60	110kV/1min	280kV	36
F	第 61~72	140kV/1min	325kV	36

相对于全部按 F 级制造，磁性元件成本下降 44%，整机重量下降 5.8 吨。

局部放电是硬门槛。 110kV 等级设备的验收要求是在 1.2 倍最高运行电压下局放量不超过 5pC。中频变压器在 16kHz 方波激励下的局放测量本身就是难题——常规局放检测的带宽和背景噪声都是按工频设计的。方案的做法是分两步验收：变压器单体在工频 50Hz 下做 1.2Um 局放试验，要求 <5pC；整机在额定频率下用超高频局放传感器做趋势监测，不设绝对量限值，只设 72 小时内增长率限值。这套双重验收方法需要和甲方在技术协议阶段谈定，谈不定这个项目就推不下去。

杂散电容封顶 60pF 每台。 216 台并联，对地总电容 13.0nF。110kV 系统的电容电流本来就靠消弧线圈或直接接地处理，13nF 在 63.5kV 下对应 0.26A 的容性电流，在直接接地系统里不构成问题，但在绝缘监测的阈值上必须重新整定。

爬电距离按污秽等级 d 级取 31mm/kV。 相端单元的对地爬电距离 1,969mm，这个尺寸决定了机柜的高度不可能低于 4.2m。如果园区的电气厂房层高只有 4m，方案要改成卧式布置，占地增加 40%。这是选址阶段就要问清楚的事。

五、效率账

环节	主口路径（±10kV）	辅口路径（800V）
输入 CHB	99.40%	99.40%
中频变压器（16kHz）	99.25%	99.25%
双有源桥	99.30%	99.25%
副边整流	99.60%	99.50%
母线与滤波	99.80%	99.75%
合计	98.37%	98.18%

加权整机效率 98.35%。

传统方案：110/10kV 主变（2×25MVA）99.45% × 10kV 开关站 99.85% × 10kV 电缆 99.60% = 98.91%，到 10kV 交流母线。但比较不能停在这里——传统方案的 10kV 是交流，要送到机柜还得再经过一级 10kV/0.8kV 变压器（99.0%）和整流（98.5%），整链到 800V 直流是 96.44%。

SST 方案到 ±10kV 直流是 98.37%，再经一级直流固态变压器到 800V（按 98.4% 计）是 96.80%。

赢 0.36 个百分点。 40MW 按 85% 负载率算，年省 107 万 kWh，年省电费 66 万元。

这笔账小得不值一提。这个机型的价值不在效率，从来不在效率。

六、这个机型真正的三条理由

理由一：110kV 主变的交期正在变成项目工期的决定项。 2024 年以来，110kV 级大容量变压器的交付周期从 26 周拉长到 60~100 周，硅钢片和套管是主要瓶颈。一个算力园区从拿地到交付的窗口是 18 个月，两台 50MVA 主变的交期如果占掉 14 个月，项目就没法排。SST 由 216 个标准单元构成，单元是批量生产的通用件，整机交期 16~20 周，且可以分批到货、分批投运——先装 108 个单元跑 20MW，后装 108 个单元扩到 40MW。这种分期投运的能力是工频主变完全不具备的。

理由二：无功与短路容量。 110kV 进线点的短路容量在城市电网里是稀缺资源。传统方案的 40MW 负载通过主变直接反映到 110kV 母线，谐波、无功、不平衡全部上送。SST 是全控型变流器，功率因数可控在 0.99 以上，谐波电流总畸变率低于 1.2%，并且可以按电网调度指令提供 ±12Mvar 的无功支撑。对园区来说，这意味着省掉 12Mvar 的补偿装置（约 420 万元）；对电网来说，这意味着在同一个 110kV 接入点可以多接一个园区。

理由三：直流骨干本身。 传统方案的园区内部配电是 10kV 交流，从 10kV 到机柜的每一路都要经过变压器和整流。SST 方案直接给出 ±10kV 直流骨干，园区内部的储能、光伏、燃机、余热发电全部可以直挂直流骨干，不需要各自配逆变器和同期装置。一个配了 40MWh 储能的园区，用直流骨干可以省掉 8 台 5MW 储能变流器（约 1,600 万元）和全部并网保护装置。

这三条加起来，才是 110kV 直挂 SST 的立项理由。谁拿效率去说服甲方，谁就会被算出来的 66 万元年收益打回来。

七、器件清单

位置	规格	数量
输入 CHB H 桥	2300V/150A E2B 半桥	432 只
双有源桥原边	2300V/150A E2B 半桥	432 只
主口副边整流（833V 工作点）	1400V/240A E2B 半桥	384 只
辅口副边整流（800V 母线）	1200V/240A E2B 半桥	96 只
极母线分段与隔离	1400V/240A 双向共源反串联 E2B	18 只
驱动板	E2B 压接式驱动板	1,362 块
中频变压器	六个绝缘等级各 36 台	216 台

整机造价 0.61 元/W，40MW 单元机 2,440 万元。传统方案（两台 25MVA 主变 + 110kV GIS + 10kV 开关站 + 补偿装置）设备造价约 1,980 万元。SST 贵 460 万元，靠省掉的 12Mvar 补偿装置一项就能覆盖。

八、控制：216 个单元的同步是一个系统工程

66kV 机型要求光纤延时离散 ≤20ns，110kV 机型把这个指标收紧到 ≤15ns。原因是单元数从 132 增加到 216，等效开关频率的谐波次数更高，单个台阶误差对输出电压谐波的贡献权重更大。15ns 对应 0.28% 的台阶误差，对应输出电压谐波畸变率 0.9%，留出到 1.2% 限值的裕量。

驱动板的三项硬指标在这个机型上是：四路延时离散 ≤15ns；共模瞬态抗扰度 ≥200kV/μs（最高位置单元对地 dv/dt 实测 165kV/μs）；开尔文源极回路在 50kV/μs 下负向尖峰不超过 −4V。

216 个单元的状态回传带宽。 每个单元每个控制周期要回传直流电压、模块结温估算、驱动故障字三类信息，控制周期 50μs。216 个单元、每单元 96 bit，总数据率 41.5Mbps。方案用四条独立的菊花链光纤环，每环 54 个单元，环速率 155Mbps，留 3.7 倍裕量。单环断链时该环的 54 个单元全部旁路，机器降到 30MW 运行——这是为什么冗余单元要配到 7 个每相而不是常规的 4 个。

九、冷却与热

整机损耗 40MW × 1.65% = 660kW。液冷，进水 45℃ 出水 55℃，流量 57m³/h。

中频变压器 216 台总损耗 290kW 走独立风冷。这一项在 110kV 机型上比 66kV 机型棘手：绝缘等级越高，变压器的绝缘层越厚，热阻越大，F 级变压器的绕组到外壳热阻是 A 级的 2.4 倍。方案对 F 级的 36 台变压器单独加大了铁芯截面、降低磁密从 0.32T 到 0.26T，用降低铁损换取温升裕量，代价是这 36 台的重量比 A 级重 62%。

热阻曲线要实测到 30 秒。 110kV 系统的雷击和故障穿越工况下，单元会在 15~25 秒的时间尺度上承受 1.8 倍过流。这个时间尺度落在常规热阻曲线（通常到 1 秒）之外，厂家不给 30 秒数据，热设计就只能按稳态加经验系数，那等于没有设计。这是准入项。

十、路线判断：不押注更高耐压的碳化硅

行业里有一种说法：110kV 直挂要等 6.5kV 甚至 10kV 碳化硅器件出来才做得动。

按这个方案的算法，6.5kV 器件能把每相单元数从 72 降到 18，单元数下降 75%，听起来很诱人。但 6.5kV 碳化硅面临三个短期内解决不了的问题：单芯片面积上不去导致单管电流做不大，需要多芯片并联，并联又带来动态均流问题；高压下的栅氧可靠性数据积累远不如 1200V 和 1700V 平台；封装的局放和绝缘要按 6.5kV 重新做，成熟封装平台不能直接用。

方案的判断是：最现实的中间站是 3.3kV 模块，不是 6.5kV。 3.3kV 模块可以把单元母线提到 2200V，每相单元数从 72 降到 51，单元数下降 29%，而封装、栅氧、并联这三件事都还在已经验证过的工艺窗口里。

所以这个方案不做"等 6.5kV"的路线预留，它按 2300V 器件完整算完，同时给出一条 3.3kV 器件到位后的升级路径：单元母线 1550V→2200V，每相 72 单元→51 单元（46 工作 + 5 冗余），整机 153 个单元，中频变压器台数下降 29%，整机造价下降到 0.52 元/W。这条路径不改拓扑，不改控制架构，只改单元数和绝缘分级表。

十一、什么时候这个机型会真正成立

三个条件同时满足：

第一，有一台 66kV 直挂机组连续运行满 18 个月并有完整的运行数据。 这是甲方总工签字的前提，没有捷径。

第二，2300V 模块在 1550V 工作点的中子单粒子失效率有实测数据，且第三方复测通过。 216 个单元、864 只模块的系统，器件层的失效率数据不是参考值，是可靠性预算的输入。

第三，110kV 主变的交期仍然在 60 周以上。 如果变压器供应链恢复到 26 周，理由一消失，剩下两条理由撑不起 460 万元溢价，项目会被推回工频方案。

按目前的节奏，这三个条件在 2029 到 2030 年之间会同时出现。倾佳电子副总杨茜团队现在把这个机型算完，是为了在那之前把 2300V 模块的产品定义、绝缘分级的工艺能力、216 单元的控制架构这三件事准备好——等到甲方开始问的时候，再开始算就来不及了。

十二、供货判断

单机 864 只 2300V/150A E2B 模块，是这一批十二个机型里单机用量最大的。供货组织按四条：

封装外形层锁定物料清单，六个绝缘等级的中频变压器安装接口统一，器件侧接口按 E2B 标准外形，机柜结构不随供应商变化调整。

分档配组按整机批次，216 个单元用同一分档批次，阈值电压与导通电阻双指标分档，带宽各 ±5%。这个机型对分档的敏感度高于 66kV 机型，因为单元数多、单元容量大，参数离散直接表现为单元间功率分配不均，最坏情况下要按最差单元降额 4.2%。

数据包随货，四项实测数据：阈值电压与导通电阻分布、栅氧高温栅偏 1000 小时、高温高湿反偏 1000 小时、1550V 工作点中子单粒子失效率。第四项是这个机型的技术协议条款。

失效分析现场闭环，110kV 直挂设备停机一次的代价是整个园区，失效定位必须在 24 小时内完成初判并给出是否可继续运行的结论。

安费诺的高压连接系统用于 ±10kV 主口出线到骨干母线的连接：选 20kV 极间电压等级、2000A 载流的中压直流插接件，带高压互锁与温度监测回路，插合面按污秽等级 d 级做爬电，互锁回路在拔出前先把对应的 8 串单元旁路。

倾佳副总杨茜-力推器件方案

审核编辑 黄宇