Innovative & gängliche Wickelstrukturen für 10kV Hochspannungs-Hochfrequenz-Transformatoren
1. Innovative Winding Structures for 10 kV-Class High-Voltage High-Frequency Transformers
1.1 Zoniert und teilweise gegossene ventilierbare Struktur
Zwei U-förmige Ferritkerne werden miteinander verbunden, um eine magnetische Kern-Einheit zu bilden, oder weiter zusammengesetzt, um Serien-/Serien-Parallelschaltungen von Kernmodulen zu erstellen. Die Primär- und Sekundärbobbins werden auf den linken und rechten geraden Beinen des Kernes montiert, wobei die Verbindungsebene des Kernes als Grenzschicht dient. Windungen desselben Typs werden auf der gleichen Seite gruppiert. Litzdraht wird bevorzugt als Wicklungsmaterial verwendet, um Hochfrequenzverluste zu reduzieren.
Nur die Hochspannungswicklung (oder Primärwicklung) wird vollständig mit Epoxidharz gegossen. Eine PTFE-Folie wird zwischen dem Primär und dem Kern/Sekundär eingefügt, um eine zuverlässige Isolierung sicherzustellen. Die Oberfläche der Sekundärseite wird mit Isolierpapier oder -band umwickelt.
Durch das Beibehalten von Luftkanälen (Lücken zwischen den Wicklungen und zwischen den Sekundärwicklungen auf den linken und rechten Beinen) und Lücken zwischen den magnetischen Kernen verbessert diese Konstruktion die Wärmeabfuhr erheblich, während Gewicht und Kosten reduziert werden, und dabei die elektrische Festigkeit beibehalten wird – was sie für Anwendungen mit ≥10 kV Isolierung geeignet macht.
1.2 Modulares Design und geerdete Litzdraht-Feldabschirmung
Hoch- und Niederspannungswicklungsmodule werden separat gegossen und dann auf die Kern-Einheit montiert. Zwischen den Modulen werden Luftspalten beibehalten, um die Montage und Kühlung zu erleichtern, und bei Fehlern können beschädigte Module einzeln ersetzt werden, was die Wartbarkeit erhöht.
Geerdete Litzdraht-basierte Feldabschirmungsschichten werden auf beiden inneren und äußeren Seiten der Hochspannungswicklung eingeführt. Dies begrenzt das Hochfrequenz-Feld hauptsächlich auf die Region mit hoher elektrischer Festigkeit, die mit Epoxidharz gegossen ist, und reduziert erheblich das Risiko von Teilentladungen (PD), ohne dass übermäßige Abstände zwischen den Wicklungen zur Unterdrückung des elektrischen Feldes erforderlich sind.
Die Litzdraht-Abschirmungsschicht kann mit Einpunkterdung offen liegen gelassen werden, wodurch eine Formgebung des elektrischen Feldes erreicht wird, ohne dass es zu signifikanten Wirbelstromverlusten kommt. Luftkanäle zwischen den Wicklungen und dem Kern bleiben erhalten, was eine halbventilierte Kühlung und gleichzeitige Miniaturisierung ermöglicht.
1.3 Segmentierte Wicklung und Feldformgebung
Koaxiale Hülle und Segmentierungsrrippen werden zum Isolationsbobbin hinzugefügt, was es ermöglicht, die Primär- und Sekundärwicklungen in „Segmentgruppen“ zu verflechten. Dies reduziert erheblich die Spannungsgradienten zwischen den Schichten und die äquivalente parasitäre Kapazität, unterdrückt geführte EMI und verbessert die Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung.
Die Anzahl der Segmente n und die Anzahl der Schichten werden durch analytische oder empirische Formeln bestimmt (z.B., n = −15,38·lg k₁ − 18,77, wobei k₁ der kleinste Wert unter den Selbstkapazitäts- und Wechselwirkungskapazitätsverhältnissen von Primär und Sekundär ist), um einen optimalen Kompromiss zwischen Volumen, Leckinduktivität und parasitärer Kapazität zu erreichen – ideal für hochleistungsfähige, hochspannungs- und hochfrequente Anwendungen.
1.4 Verbundwicklungen und integrierte Wasserkühlung
Der Kern wird in zwei Wicklungszonen unterteilt. Ein Verbundwicklungsansatz wird verwendet: Die erste Verbundwicklung (z.B. Primär) wird von innen nach außen gewickelt, wobei Anschlüsse reserviert werden; dann wird in der zweiten Zone die zweite Verbundwicklung (z.B. Sekundär) in umgekehrter Richtung mit den reservierten Anschlüssen gewickelt. Dies erweitert die Lücken zwischen den Schichten und reduziert die Restladung, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei Hochspannung verbessert.
Erleichterungsbohrungen werden in der äußeren Kernewand bearbeitet, um nicht berührende Wasserkühlkanäle zu integrieren, was die thermische Leistung verbessert, ohne das mechanische Beschädigung beim Zusammenbau zu riskieren. Die Verbundisolierung verwendet PI/PTFE-Laminate in einer gestaffelten Anordnung, um ausreichende Kriechstrecken und hochwertige Gussfüllung zu gewährleisten.
1.5 Neue Wicklungstechniken und Verlustkontrollwege
PDQB (Power Differential Quadrature Bridge)-Wicklungstechnologie wird eingeführt: Durch optimierte Wicklungstopologie und -anordnung werden Haut- und Nachbarschaftseffekte – und damit Hochfrequenzverluste – erheblich unterdrückt. Dies erreicht eine Kopplungseffizienz >99,5 % in den gemeldeten Fällen, sowie eine 10 kV-Isolierungsfähigkeit, steuerbare Leckinduktivität und geringe verteilte Kapazität – was es für maßgeschneiderte 30–400 kW, 4–50 kHz Hochspannung-Hochfrequenzanwendungen geeignet macht.
2. Gängige Wicklungsstrukturen für 10 kV-Klasse Hochspannung-Hochfrequenz-Transformator
2.1 Grundlegende Wicklungskonfigurationen und Anwendungsszenarien
Mehrstufig zylindrisch: Reife Herstellungsprozesse; einfache Einfügung von Schichtisolation und Kühlkanälen; geeignet für mittel- bis hochspannungsfähige kontinuierliche Wicklungen.
Mehrsegmentiert geschichtet: Mehrere axiale Segmente, getrennt durch isolierende Papierringe; wirkt effektiv gegen Spannungsgradienten und Feldkonzentrationen; häufig in HV-Wicklungen verwendet, um Teilentladungen zu verringern.
Kontinuierlich (scheibenförmig): Bestehend aus mehreren axial gestapelten Scheibenabschnitten; bietet gute mechanische Stabilität und thermisches Verhalten; geeignet für Anwendungen mit hoher Kapazität und höherer Spannung.
Doppelscheibe: Zwei Scheiben pro Gruppe, in Serie/Parallel verbunden; ideal für Hochstrom- oder spezielle HV-Wicklungen.
Helix: Einzel/doppel/vierfach Helix; einfache Struktur; geeignet für Hochstrom-Niederdruckwicklungen oder Wicklungen mit Laständerung; begrenzt in der Anzahl der Windungen.
Aluminiumfolie zylindrisch: Eine Umdrehung pro Schicht mit Aluminiumfolie; hohe Raumausnutzung und automatisierungsfreundlich; geeignet für kleine bis mittlere Hochspannungswicklungen.
Dies sind Standard-Hochspannungswicklungsstrukturen in Starkstromtransformern und werden oft angepasst oder verbessert, um bei 10-kV-Klasse-Hochfrequenz-Transformern die Isolierung und den Wärmeleistungsverlauf zu optimieren.
2.2 Typische Wicklungsanordnungen und -prozesse für Hochspannungshochfrequenzanwendungen
Zentrische zylindrische (geschichtete) Anordnung: Hochspannungswicklung innen, Niederspannungswicklung außen (oder umgekehrt); mehrschichtiges Design mit Zwischenschichtisolierung zur Verteilung der hohen Potenzialunterschiede; segmentierte Anordnung kann verwendet werden, um die elektrische Feldverteilung und PD-Leistung zu optimieren.
Segmentierung und Verflechtung: Hochspannungswicklung in mehrere Spulen aufgeteilt und in gestaffelter/segmentierter Weise angeordnet, um den Spannungsgradient zwischen den Schichten und die parasitäre Kapazität zu reduzieren, geführte EMI zu unterdrücken und die Spannungsuniformität zu verbessern.
Faraday- und elektrostatische Abschirmung: Kupferfolie oder leitfähige Schichten zwischen Primär- und Sekundärwicklung oder um die Wicklungen herum platziert, an einem einzigen Punkt geerdet, um die gemeinsame Moduskapazität und Kopplungsrauschen zu reduzieren; die Abschirmung muss der Wickelbreite entsprechen und scharfe Kanten vermeiden, die die Isolierung durchstoßen könnten.
Leiteroptimierung und Stromdichte: Litzendraht, Strangleiter oder Kupferfolie werden für Hochspannungs-/Hochstromsekundärs bevorzugt, um Haut- und Näheffekte zu unterdrücken, den Wechselstromwiderstand (Rac) und den Kupferverlust zu reduzieren; die Stromdichte (J) und die Temperaturerhöhung werden innerhalb der Fenster- und Sicherheitsvorschriften begrenzt.
Isolierung und Kriechwegdesign: Verwendung von Barrieren, Endabständen, geschützten Anschlüssen und kombinierter Zwischenschicht-/Zwischenwickelisolierung; Kriechweg und Freiraum werden nach Verschmutzungsgrad und Spannungsklasse entworfen; Vakuumbeguss/Potting kann angewendet werden, um die di-elektrische Festigkeit und die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Diese Layout- und Prozessüberlegungen sind eng mit dem Ausgleich der Isolationsstufe, der parasitären Parameter und der Leistungsbewertung verbunden—entscheidend für eine zuverlässige 10-kV-Isolation in der Ingenieurpraxis.
2.3 Implementierungsmethoden für Hochspannungssekundär-Ausgänge (stark abhängig von der Wicklungsstruktur)
Spannungsmultiplikator-Gleichrichtung: Mehrstufige Spannungsdoppeln auf der Gleichrichterseite reduzieren erheblich den Spannungsschub und die parasitäre Kapazität pro Wicklungsstufe, erleichtern das Isolationsdesign. Es ist jedoch empfindlich gegenüber Lasttransienten/Kurzschlüssen und anfällig für Überschlagströme. In der Praxis werden in der Regel nicht mehr als zwei Stufen verwendet, was strombegrenzende und schutzbedürftige Strategien erfordert.
Serien-/Parallelkombination: Das Sekundär wird in mehrere Spulenpakete aufgeteilt, die intern oder nach der Gleichrichtung in Serie/Parallel geschaltet werden, um die gewünschte Spannung/Leistung zu erreichen. Alle Pakete teilen sich denselben magnetischen Kreis, was ein modulares Design und Spannungsausgleich ermöglicht—ideal für hohe Leistungs-Ausgänge.
Beide Methoden erfordern ein integriertes Design mit Wicklungssegmentierung, Abschirmung und Isolationsfenstern, um Spannungsschub, Effizienz, EMI und thermisches Verhalten auszugleichen.
2.4 Richtlinien für die Strukturauswahl (schnelle ingenieurtechnische Referenz)
Priorisierung der elektrischen Feldgleichmäßigkeit und PD-Kontrolle: Präferenz für segmentierte oder kontinuierliche (scheibenförmige) Hochspannungswicklungen, kombiniert mit Faraday-Abschirmung, Endabständen und Barrieren; Vakuumbeguss/Potting wird bei Bedarf empfohlen.
Priorisierung hoher Ströme und geringer Kupferverluste: Verwendung von Litzendraht oder Kupferfolie für das Sekundär; interne Verwendung von verflossenen oder Sandwich-Wicklungen, um den Leckinduktivität und Rac zu minimieren; Verstärkung der äußeren Abschirmung und Isolierung.
Priorisierung der Montage und Wartbarkeit: Verwendung modularer Sekundärspulenpakete mit Serien-/Parallelschaltungen für einfaches Spannungsausgleich, Testen und Fehlersuche; Auswahl der Spannungsmultiplikator-Gleichrichtung (≤2 Stufen) oder Serien-/Parallelkombination auf der Gleichrichterseite basierend auf Leistung und Transienten-Anforderungen.
