Inovativní a běžné vývijecí struktury pro 10kV vysokonapěťové vysokofrekvenční transformátory

1.Inovativní výplěnec pro transformátory s vysokým napětím a vysokou frekvencí třídy 10 kV

1.1 Větrací struktura se zónami a částečným zalitím

• Dva U-tvaré feritové jádra jsou spojeny do jednotky magnetického jádra, nebo dále montovány do sériových/sériově-paralelních modulů jádra. Primární a sekundární cívky jsou montovány na levé a pravé rovné nohy jádra, přičemž plocha spojení jádra slouží jako hranice. Cívky stejného typu jsou seskupeny na stejné straně. Pro materiál cívky se upřednostňuje drát Litz, aby se snížily ztráty vysoké frekvence.

• Pouze vysokonapěťová cívka (nebo primární) je plně zalita epoxidovou smolou. Mezi primární cívkou a jádrem/sekundární cívkou je vložen plech PTFE, aby byla zajištěna spolehlivá izolace. Povrch sekundární cívky je obalen izolačním papírem nebo páskou.

• Tento design zachováním větracích kanálů (mezery mezi cívkami a mezi sekundárními cívkami na levé a pravé noze) a mezery mezi magnetickými jádry významně zlepšuje odvod tepelné energie, zatímco snižuje hmotnost a náklady, a to vše při udržení dielektrické síly – což jej činí vhodným pro aplikace s izolací ≥10 kV.

1.2 Modulární design a elektrické pole s izolovaným drátem Litz

• Moduly civek s vysokým a nízkým napětím jsou odděleně zaliti a poté montovány na jednotku jádra. Mezi module jsou zachovány vzdušné mezery, což usnadňuje montáž a chlazení, a poškozené moduly lze při poruchách individuálně nahradit, což zvyšuje servisní schopnost.

• Na vnitřní i vnější straně cívky s vysokým napětím jsou zavedeny vrstvy elektrického pole s izolovaným drátem Litz. To omezí vysokofrekvenční elektrické pole převážně v oblasti zalitého epoxidovou smolou, což významně snižuje riziko parciálního výboje (PD) bez nutnosti příliš velkých mezer mezi cívkami pouze pro potlačení elektrického pole.

• Vrstva štítu z drátu Litz může být neuzavřena s jednostranným zazemlením, což umožňuje tvarování elektrického pole a zároveň se vyhýbá významným ztrátám eddy current. Větrací kanály jsou zachovány mezi cívkami a jádrem, což umožňuje polovětrací chlazení a miniaturizaci současně.

1.3 Segmentovaná cívka a tvarování elektrického pole

• Do izolačného bobínu jsou přidány souosé rukávy a segmentační žeberka, což umožňuje, aby primární a sekundární cívky byly uloženy v "segmentech". To významně snižuje gradient napětí mezi vrstvami a ekvivalentní parazitní kapacitu, což potlačuje vedené EMI a zlepšuje rovnoměrnost rozložení napětí.

• Počet segmentů n a počet vrstev jsou určeny analytickými nebo empirickými vzorci (např. n = −15,38·lg k₁ − 18,77, kde k₁ je minimální hodnota mezi poměry samoindukční a vzájemné kapacity primární a sekundární cívky), což umožňuje optimální kompromis mezi objemem, únikovou indukcí a parazitní kapacitou – ideální pro vysokovýkonové, vysokonapěťové, vysokofrekvenční provoz.

1.4 Kompozitní cívky a integrované vodní chlazení

• Jádro je rozděleno do dvou zón civek. Používá se kompozitní přístup k cívkám: první kompozitní cívka (např. primární) je navinuta od vnitřních k vnějším vrstvám s rezervovanými vodiči; pak v druhé zóně je druhá kompozitní cívka (např. sekundární) navinuta opačně pomocí rezervovaných vodičů. Tímto se rozšiřují mezery mezi vrstvami a snižuje se zbytkový náboj, což zlepšuje spolehlivost a životnost vysokého napětí.

• Na vnější stěně jádra jsou vytaženy otisky pro integraci nekontaktních vodních chladicích kanálů, což zlepšuje tepelné vlastnosti bez rizika mechanického poškození během montáže. Kompozitní izolace používá lamináty PI/PTFE uspořádané v stupňovité konfiguraci, aby byla zajištěna adekvátní vzdálenost protikružení a kvalitní zaplnění zalitím.

1.5 Nové techniky cívek a cesty ke kontrole ztrát

Je zavedena technologie cívek PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): optimalizací topologie a rozvržení cívek jsou významně potlačeny efekty kůže a blízkosti – a tedy i ztráty vysoké frekvence. To dosahuje v hlášených případech kouplovací efektivity >99,5%, spolu s možností izolace 10 kV, řiditelnou únikovou indukcí a nízkou distribuovanou kapacitou – což ji činí vhodnou pro vlastní 30–400 kW, 4–50 kHz vysokonapěťové vysokofrekvenční aplikace.

2. Běžné struktury civek pro transformátory s vysokým napětím a vysokou frekvencí třídy 10 kV

2.1 Základní konfigurace civek a scénáře použití

• Vícevrstvé válcové: zralý výrobní proces; snadné vložení mezi-vrstevní izolace a chladicích kanálů; vhodné pro středně a vysokonapěťové spojité cívky.

• Vícesegmentové vrstvené: více axiálních segmentů oddělených kroužky izolačního papíru; efektivně snižuje gradient napětí mezi vrstvami a koncentraci pole; často používáno v vysokonapěťových cívkách k potlačení parciálního výboje.

• Spojitá (disková): složena z několika diskových částí uspořádaných axiálně; nabízí dobré mechanické vlastnosti a tepelné vlastnosti; vhodné pro vysokokapacitní/vysokonapěťové aplikace.

• Dvojdisková: dva disky na skupinu, spojené sériově/paralelně; ideální pro vysoké proudy nebo speciální vysokonapěťové cívky.

• Hélice: jednoduchá/dvojitá/čtyřnásobná hélice; jednoduchá struktura; vhodná pro vysoké proudy v nízkonapěťových cívkách nebo cívkách s dynamickým přepínáním; omezená počtem závitů.

• Hliníková folie válcovitá: Jedna vrstva na závit; vysoké využití prostoru a přátelská k automatizaci; vhodná pro malé a střední HV cívky.

Jsou to standardní struktury HV civek v elektrických transformátorech, které jsou často upravovány nebo vylepšovány pro transformátory s vysokým napětím třídy 10 kV, aby byla zlepšena izolace a tepelné vlastnosti.

2.2 Typické rozvržení a procesy civek pro vysokonapěťové vysokofrekvenční aplikace

• Konzentrické válcovité (vrstvené) uspořádání: HV cívka uvnitř, LV cívka vně (nebo naopak); vícevrstvý design s mezi-vrstvovou izolací pro distribuci vysokých potenciálních rozdílů; segmentované rozvržení může být použito pro optimalizaci distribuce elektrického pole a výkonu PD.

• Segmentace a střídání: HV cívka je rozdělena na několik cívek a uspořádána v posuvném/segmentovaném způsobu, aby se snížil gradient napětí mezi vrstvami a parazitní kapacitance, potlačila vedena EMI a zlepšila rovnoměrnost napětí.

• Faradayova a elektrostatická štítování: Hliníková nebo vodičová vrstvy umístěné mezi primární/sekundární nebo kolem civek, uzemněné v jednom bodě, aby se snížila společná režimová kapacitance a kouplový šum; štít musí odpovídat šířce civek a vyhnout se ostrým okrajům, které by mohly prorazit izolaci.

• Optimalizace vodiče a hustoty proudu: Litz drát, pletené vodiče nebo hliníková folie jsou preferovány pro HV/vysokoproudové sekundární cívky, aby se potlačily efekty kůže a blízkosti, snížilo se AC odpor (Rac) a ztráta hliníku; hustota proudu (J) a teplotní vzestup jsou kontrolovány v rámci oken a bezpečnostních předpisů.

• Izolace a konstrukce proti plazmování: Použití bariér, okrajových okrajů, terminálů s rukávem a kombinované mezi-vrstvové/mezi-civkové izolace; vzdálenost proti plazmování a mezera jsou navrženy podle stupně znečištění a třídy napětí; může být použita vakuumová impregnace/zalévání, aby se zlepšila dielektrická síla a tepelná vodivost.

Tyto aspekty rozvržení a procesů jsou úzce spojeny s vyvážením úrovně izolace, parazitních parametrů a výkonu – klíčové pro dosažení spolehlivé 10 kV izolace v inženýrské praxi.

2.3 Metody implementace vysokonapěťového sekundárního výstupu (silně závislé na struktuře civek)

• Násobení napětí pomocí rectifikace: Násobení napětí na straně rectifikátoru výrazně snižuje napěťový stres a parazitní kapacitanci na každé fázi cívky, což usnadňuje návrh izolace. Nicméně, je citlivé na transienční zatížení a krátké obvody a má tendenci k prudkým proudům. V praxi se obvykle nepoužívá více než dvě fáze, což vyžaduje strategie omezení proudu a ochrany.

• Sériové/paralelní kombinace: Sekundární cívka je rozdělena na několik balíků civek, které jsou interně nebo po rectifikaci propojeny sériově/paralelně, aby bylo dosaženo požadovaného napětí/výkonu. Všechny balíky sdílejí stejnou magnetickou cestu, což umožňuje modulární návrh a vyvážení napětí – ideální pro vysoký výkon.

Obě metody vyžadují integrovaný návrh s segmentací civek, štítováním a izolačními okny, aby byl vyvážen napěťový stres, efektivita, EMI a tepelné vlastnosti.

2.4 Směrnice pro výběr struktur (rychlá inženýrská referenční příručka)

• Prioritizace rovnoměrnosti elektrického pole a řízení PD: Preferujte segmentované nebo spojité (diskové) HV cívky, kombinované s Faradayovým štítováním, okrajovými okraji a bariérami; doporučuje se vakuumová impregnace/zalévání, pokud je to nutné.

• Prioritizace vysokého proudu a nízké ztráty hliníku: Použijte Litz drát nebo hliníkovou folii pro sekundární cívku; použijte střídavé nebo sandwichové cívání interně, aby se minimalizovala úniková indukčnost a Rac; posilte vnější štítování a izolaci.

• Prioritizace montáže a udržovatelnosti: Přijměte modulární sekundární balíky civek s sériovými/paralelními spojeními pro snadné vyvážení napětí, testování a izolaci chyb; vyberte násobení napětí pomocí rectifikace (≤2 fází) nebo sériové/paralelní kombinace na straně rectifikátoru v závislosti na výkonu a požadavcích na transienční zatížení.