Инновативни и общи конструкции на намотки за 10кВ високонапежни високочестотни трансформатори

1.Иновативни структури на обмотки за трансформатори с високо напрежение и висока честота от клас 10 кВ

1.1 Зонирана и частично залита вентилираща структура

• Две U-образни феритови ядра се съединяват, за да формират магнитна единица, или се събират в модули с редовна/паралелна серия. Първичните и вторичните бобини се монтират съответно на левата и дясната права ножка на ядрото, като равнина на съединяване на ядрото служи като граница. Обмотките от еднакъв тип са групирани на една и съща страна. Предпочитан е литц проводник за материал на обмотката, за да се намалят високочестотните загуби.

• Само високонапрегованата обмотка (или първичната) е напълно залита с епоксидна смола. Вмъкване на PTFE плочка между първичната и ядрото/вторичната осигурява надеждна изолация. Повърхността на вторичната обмотка е обвита с изолираща хартия или лента.

• Чрез запазване на вентилационни канали (разстояния между обмотките и между вторичните обмотки на лявата и дясната ножка) и разстояния между магнитните ядра, този дизайн значително подобрява разпространението на топлина, докато намалява теглото и цената, при същевременно поддържане на диелектричната устойчивост – правейки го подходящ за приложения с изолация ≥10 кВ.

1.2 Модуларен дизайн и изолация на електрическото поле чрез заземена литц жица

• Модулите на високонапрегованите и нисконапрегованите обмотки се залитват поотделно и след това се събират на единицата ядро. Поддържат се въздушни разстояния между модулите, за да се облекчи монтажът и охлаждането, а повредените модули могат да бъдат заменени индивидуално при дефект, което подобрява поддръжката.

• Въведени са слоеве за изолация на електрическото поле, основани на заземена литц жица, както от вътрешната, така и от външната страна на високонапрегованата обмотка. Това ограничава високочестотното електрическо поле предимно в областта, залита с епоксидна смола с висока диелектрична устойчивост, значително намалявайки риска от частичен разряд (PD), без да се изискват прекомерни разстояния между обмотките само за подаване на електрическото поле.

• Слоят за изолация на литц жица може да бъде оставен отворен с еднопунктово заземяване, постигайки формиране на електрическото поле, докато се избягват значителни загуби от вихреви течения. Съхраняват се вентилационни канали между обмотките и ядрото, позволявайки полу-вентилиращо охлаждане и миниатюризиране едновременно.

1.3 Сегментирана обмотка и формиране на електрическото поле

• Добавени са коаксиални цилиндри и сегментни ребра към изолиращата бобина, позволявайки на първичните и вторичните обмотки да бъдат чередувани в „сегментни групи“. Това значително намалява напрежението между слоевете и еквивалентната паразитна емисия, подавайки кондуктивната ЕМИ и подобрявайки равномерността на разпределението на напрежението.

• Броят на сегментите n и броят на слоевете се определят чрез аналитични или емпирични формули (например, n = −15.38·lg k₁ − 18.77, където k₁ е най-малката стойност сред отношенията на самокапацитета и взаимния капацитет на първичната/вторичната), постигайки оптимален компромис между обем, утечка индуктивност и паразитна емисия – идеално за високомощни, високонапреговани, високочестотни операции.

1.4 Композитни обмотки и интегрирано водно охлаждане

• Ядрото е разделено на две зони за обмотка. Използва се подход с композитни обмотки: първата композитна обмотка (например, първична) се обвива от вътрешния до външния слой с запазени връзки; след това, във втората зона, втората композитна обмотка (например, вторична) се обвива в обратен ред, използвайки запазените връзки. Това разширява разстоянията между слоевете и намалява остатъчната заряд, подобрявайки надеждността и продължителността на живот при високо напрежение.

• Резервоарни профили се изработват на външната стенка на ядрото, за да се интегрират каналите за безконтактно водно охлаждане, подобрявайки термичното представяне, без риск от механични повреди при монтаж. Композитната изолация използва PI/PTFE ламинати, подредени в стъпаловидна конфигурация, за да се осигури адекватно разстояние за пропълзяване и висококачествено залитане.

1.5 Новаторски техники за обвиване и пътища за контрол на загубите

Технологията PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) за обмотки е въведена: чрез оптимизирана топология и разположение на обмотките, кожените и близките ефекти – и следователно високочестотните загуби – са значително подавени. Това постига ефективност на свързване >99.5% в докладвани случаи, заедно с възможност за изолация 10 кВ, контролируема утечка индуктивност и ниска разпределена емисия – правейки го подходящ за персонализирани приложения от 30–400 кВ, 4–50 кХц, високо напрежение и висока честота.

2. Общи структури на обмотки за трансформатори с високо напрежение и висока честота от клас 10 кВ

2.1 Основни конфигурации на обмотки и приложни сценарии

• Многослойна цилиндрична: зрели процеси на производство; лесно се вмъква изолация и вентилационни канали между слоевете; подходяща за непрекъснати обмотки със средно-високо напрежение.

• Многосегментна слоиста: множество аксиални сегменти, разделени от пръстени от изолираща хартия; ефективно намалява напрежението между слоевете и концентрацията на полето; често се използва в високонапреговани обмотки, за да се намали частичният разряд.

• Непрекъсната (дискова): съставена от множество дискови секции, стекнати аксиално; предлага добра механична устойчивост и термично представяне; подходяща за приложения с висока мощност и по-високо напрежение.

• Двойна дискова: две дискови секции на група, свързани в редовна/паралелна серия; идеална за високотокови или специализирани високонапреговани обмотки.

• Хеликална: едносна/двуосна/четвъртосна хеликс; проста структура; подходяща за високотокови нисконапреговани обмотки или обмотки за промяна на напрежението при натовареност; ограничена в броя на витките.

• Алюминиев фолиев цилиндричен: едно завъртане на слой с алюминиева фолия; висока използване на пространството и пригоден за автоматизация; подходящ за малки до средни HV намотки.

Това са стандартни структури на HV намотките в силовите трансформатори и често се адаптират или подобряват за 10 kV-клас високонапредни високочестотни трансформатори, за да се подобри изолацията и термичната характеристика.

2.2 Типични разположения и процеси на намотките за високонапредни високочестотни приложения

• Концентрично цилиндрично (слоево) разположение: HV намотка отвътре, LV отвън (или обратното); многослойна конструкция с изолация между слоевете за разпределение на високите потенциални разлики; сегментирано разположение може да се използва за оптимизиране на разпределението на електрическото поле и PD характеристика.

• Сегментация и чересполочно разполагане: HV намотката е разделена на няколко бобини и е разположена в чересполочен/сегментиран начин, за да се намали напрегнатостта на напрежението между слоевете и паразитната емкост, за да се подави проводен EMI и да се подобри еднородността на напрежението.

• Фарадей и електростатична защита: медна фолия или проводещи слоеве, поставени между основната/вторичната намотка или около намотките, заземени в една точка, за да се намали обща модулна емкост и шум от свързване; защитата трябва да съответства на ширината на намотката и да се избегнат остри ръбове, които могат да пробият изолацията.

• Оптимизация на проводника и плътността на тока: Litz жица, жица с множество жици или медна фолия се предпочитат за вторични намотки с високо напрежение и голям ток, за да се подавят ефектите на кожата и близостта, за да се намали AC съпротивление (Rac) и загубите в медта; плътността на тока (J) и температурното увеличение се контролират в рамките на ограниченията на прозореца и безопасността.

• Изолационен и крепажен дизайн: използване на бариери, крайни полета, облечени терминали и комбинирана междуслойна/междунамоточна изолация; крепажното разстояние и разстоянието се проектират според степента на замърсяване и класа на напрежението; може да се приложи вакуумна импрегнация/потинг, за да се увеличи диелектричната устойчивост и термичната проводимост.

Тези разположения и процеси са тясно свързани с балансирането на нивото на изолация, паразитните параметри и мощността - ключови за постигане на надеждна 10 kV изолация в инженерната практика.

2.3 Методи за приложение на високонапреден вторичен изход (силно зависещи от структурата на намотката)

• Умножител на напрежението: многостадийно удвояване на напрежението от страна на ректификатора значително намалява стреса от напрежението и паразитната емкост на всеки етап на намотката, облекчавайки дизайна на изолацията. Обаче, той е чувствителен към променливи натоварвания/краткосрочни замыкания и склонен към импулсни токове. В практиката, обикновено не се използват повече от две стадии, което изисква стратегии за ограничаване на тока и защита.

• Паралелно/серийно комбиниране: вторичната намотка е разделена на няколко бобини, които са вътрешно или след ректификатора свързани паралелно/серийно, за да се постигне желаното напрежение/мощност. Всички пакети споделят един и същ магнитен път, което облекчава модулния дизайн и балансирането на напрежението - идеално за високомощен изход.

Всички методи изискват интегриран дизайн с сегментация на намотките, защита и изолационни прозорци, за да се балансират стреса от напрежението, ефективността, EMI и термичната характеристика.

2.4 Ръководство за избор на структура (Бързо инженерно справочно)

• Приоритет на еднородността на електрическото поле и контрол на PD: предпочитайте сегментирани или непрекъснати (дискови) HV намотки, комбинирани с фарадейска защита, крайни полета и бариери; при необходимост се препоръчва вакуумна импрегнация/потинг.

• Приоритет на високия ток и ниски загуби в медта: използвайте Litz жица или медна фолия за вторичната намотка; използвайте чересполочно или сандвичово вътрешно намотване, за да се минимализира утечката индуктивност и Rac; усилете външната защита и изолация.

• Приоритет на сборката и поддръжката: приемете модулни вторични пакети с серийно/паралелно свързване, за лесно балансиране на напрежението, тестове и изолация на дефектите; изберете умножител на напрежението (≤2 стадии) или серийно/паралелно комбиниране от страна на ректификатора, в зависимост от мощността и преходните изисквания.