Inovativne i uobičajene strukture zavojnica za 10kV visokonaponske visoko-frekventne transformatore

1.Inovativne strukture zavojnice za transformatore visokog napon i visoke frekvencije klase 10 kV

1.1 Zonirana i djelomično utopljeni ventilirana struktura

• Dva U-oblika ferritna jezgra su spojena kako bi se formirala magnetska jezgrasta jedinica, ili dalje asamblirana u serijalne/serijalno-paralelne modul jezgra. Primarna i sekundarna bobina su montirane na lijevom i desnom pravcu jezgra, odnosno ravnina spajanja jezgra služi kao granicni sloj. Zavojnice istog tipa su grupirane na istoj strani. Za materijal zavojnice se preferira Litz žica kako bi se smanjile gubitke visoke frekvencije.

• Samo visokonaponska zavojnica (ili primarna) je potpuno utopljen u epoksidnu smolu. PTFE folija je umetnuta između primarne i jezgra/sekundarne kako bi se osigurala pouzdana izolacija. Sekundarna površina je obložena izolacijskim papirnatim ili trakama.

• Zadržavanjem ventilacijskih kanala (razmaka između zavojnica i između sekundarnih zavojnica na lijevom i desnom pravcu) i razmaka između magnetskih jezgra, ovaj dizajn značajno poboljšava otopljivanje, smanjuje težinu i troškove, sve dok održava dielektričku čvrstoću - što ga čini prikladnim za primjene ≥10 kV izolacije.

1.2 Modularni dizajn i zemljeni Litz žice električko polje štit

• Visokonaponski i niskonaponski moduli zavojnice su posebno utopljeni i zatim asamblirani na jezgrastu jedinicu. Između modula se održavaju zračni razmaci kako bi se olakšala montaža i hlađenje, a oštećeni moduli mogu se pojedinačno zamijeniti tijekom grešaka, poboljšavajući održivost.

• Uvedeni su zemljeni Litz žice bazirani slojevi štita električnog polja unutar i van visokonaponske zavojnice. Ovo ograničuje visokofrekventno električno polje uglavnom unutar područja visoke dielektrične čvrstoće epoksidne smole, značajno smanjujući rizik od parcijalnog iskretanja (PD) bez potrebe za prekomjernim razmakom zavojnice samo za smanjenje električnog polja.

• Sloj štita Litz žice može ostati otvoren krug s jednotočkastim zemljenjem, postižući oblikovanje električnog polja uz izbjegavanje značajnih gubitaka eddijevih struja. Ventilacijski kanali su očuvani između zavojnice i jezgra, omogućujući semi-ventilirano hlađenje i miniaturizaciju istodobno.

1.3 Segmenata zavojnice i oblikovanje električnog polja

• Dodani su koaksijalni rukavi i segmentirani grebeni na izolacijskoj bobini, omogućujući da se primarna i sekundarna zavojnica međusobno presijecaju u "segmentnim grupama". To značajno smanjuje gradijente napona između slojeva i ekvivalentnu parazitnu kapacitetnost, smanjujući preneseno EMI i poboljšavajući uniformnost distribucije napona.

• Broj segmenata n i broj slojeva određuju se analitičkim ili empirijskim formulama (npr., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, gdje je k₁ najmanja vrijednost među omjerima samokapacitanci i međukapacitanci primarne/sekundarne), postižući optimalnu ravnotežu između volumena, curenog induktiviteta i parazitne kapacitance - idealno za rad s visokom snalom, visokim naponom i visokom frekvencijom.

1.4 Kompozitne zavojnice i integrirano vodeno hlađenje

• Jezgro je podijeljeno u dvije zone zavojnice. Koristi se kompozitni pristup zavojnice: prva kompozitna zavojnica (npr., primarna) je zavijena od unutrašnjih do vanjskih slojeva s rezerviranim vodičima; zatim, u drugoj zoni, druga kompozitna zavojnica (npr., sekundarna) je zavijena obrnutim redoslijedom koristeći rezervirane vodiče. To proširuje razmake između slojeva i smanjuje ostatak naboja, poboljšavajući pouzdanost i vijek trajanja visokog napon.

• Izrezani su ulazi na vanjskoj zidini jezgra kako bi se integrirali nekontaktni vodeni hlađeći kanali, poboljšavajući toplinske performanse bez rizika od mehaničkog oštećenja tijekom montaže. Kompozitna izolacija koristi PI/PTFE laminate raspoređene u stepenastoj konfiguraciji kako bi se osigurali zadovoljavajući razmaki i visokokvalitetna utapljanja.

1.5 Novi tehnički zavojnice i putovi kontrole gubitaka

UVODI se PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) tehnologija zavojnice: kroz optimiziranu topologiju i raspored zavojnice, efekti kože i blizine - i stoga gubitci visoke frekvencije - značajno su smanjeni. To postiže učinkovitost spajanja >99.5% u prijavljenim slučajevima, uz sposobnost izolacije 10 kV, kontrolabilni curenje induktiviteta i niska distribuirana kapacitancija - što je prikladno za prilagođene primjene 30–400 kW, 4–50 kHz visokog napon i visoke frekvencije.

2. Uobičajene strukture zavojnice za transformatore visokog napon i visoke frekvencije klase 10 kV

2.1 Osnovne konfiguracije zavojnice i scenariji primjene

• Više slojeva cilindrične: Zreli proces proizvodnje; lako se umetaju izolacijski slojevi i hlađeći kanali; prikladan za medijum-visokonaponske kontinuirane zavojnice.

• Više segmentiranih slojeva: Više aksijalnih segmenata razdvojenih izolacijskim papirnim prstenovima; učinkovito smanjuje gradijent napon između slojeva i koncentraciju polja; često se koristi u HV zavojnicama kako bi se smanjilo parcijalno iskretanje.

• Kontinuirano (disk tip): Sastoji se od više diskovskih dijelova stapanih aksijalno; nudi dobru mehaničku čvrstoću i toplinske performanse; prikladan za primjene s visokom snalom/višim naponom.

• Dvostruki disk: Dva diska po grupi, povezani serijalno/paralelno; idealno za visokotražne ili specifične HV zavojnice.

• Helikalno: Jedinstven/dvostruko/četverostruko heliks; jednostavna struktura; prikladno za visokotražne LV zavojnice ili zavojnice za promjenu tapa pod opterećenjem; ograničeno u broju zavojnica.

• Aluminijeva folija cilindrična: Jedan zavoj po sloju koristeći aluminijevu foliju; visoka iskorištavanost prostora i prijateljska prema automatizaciji; prikladna za male do srednje HV navoje.

To su standardne HV strukture navoja u transformatorima snage i često se prilagođavaju ili poboljšavaju za transformatore visokog napona visoke frekvencije klase 10 kV kako bi se poboljšala izolacija i toplinska performansa.

2.2 Tipični rasporedi i procesi navoja za primjene visokog napona visoke frekvencije

• Koncentrični cilindrični (slojeviti) raspored: HV navoj unutra, LV vani (ili obrnuto); dizajn s više slojeva s međuslojnom izolacijom za distribuciju visokih potencijalnih razlika; segmentirani raspored može se koristiti za optimizaciju distribucije električnog polja i PD performanse.

• Segmentacija i umiještanje: HV navoj podijeljen na više zavojnika i raspoređen na staknuti/segmentirani način kako bi se smanjila gradijenta napona između slojeva i parazitna kapacitetnost, potisnuta vodića EMI i poboljšana uniformnost napona.

• Faradayjevo i elektrostatičko štit: Bakarne folije ili provodljive slojeve smještaju se između primarnog/sekundarnog ili oko navoja, zemljeni na jednu točku, kako bi se smanjila zajednička modna kapacitetnost i povezna buka; štit mora odgovarati širini navoja i izbjegavati oštre rubove koji bi mogli probiti izolaciju.

• Optimizacija provodnika i gustoće struje: Litz žica, provodnici sa zavojnicama ili bakarna folija preferiraju se za HV/višestruke sekundarne kako bi se potisnuli efekti kože/blizine, smanjila AC otpornost (Rac) i gubitci bakra; gustoća struje (J) i porast temperature kontrolirani su unutar okvira i sigurnosnih propisa.

• Dizajn izolacije i kriepiranja: Korištenje barijera, krajevi, terminali s rukavima i kombinirane međuslojne/međunavojne izolacije; udaljenost kriepiranja i razmak dizajnirani su prema stupnju zagađenja i klasi napona; može se primijeniti vakuum impregnacija/potapanje kako bi se poboljšala dielektrična čvrstoća i toplinska provodljivost.

Ove razmatranje rasporeda i procesa tesno su vezane uz balansiranje razina izolacije, parazitnih parametara i snage—ključno za postizanje pouzdanog izolovanja 10 kV u inženjerskoj praksi.

2.3 Metode implementacije visokonaponskog sekundarnog izlaza (visoko ovisne o strukturi navoja)

• Višestruko prepravljanje napona: Višestruko prepravljanje napona na strani rektifikatora značajno smanjuje naponsku stresu i parazitnu kapacitetnost svakog sloja navoja, olakšavajući dizajn izolacije. Međutim, osjetljivo je na promjene opterećenja/kratkih spojeva i podložno talasnim strujama. U praksi se obično ne koristi više od dvije faze, zahtijevajući strategije ograničavanja struje i zaštite.

• Kombinacija serije/paralele: Sekundarni se dijeli na više paketa zavojnika, koji su interni ili nakon rektifikacije spojeni u serijskom/paralelnom spoju kako bi se dostigao željeni napon/snaga. Svi paketi dijele isti magnetni krug, što omogućuje modularni dizajn i balansiranje napona—idealno za visoku snagu izlaza.

Obje metode zahtijevaju integrirani dizajn s segmentacijom navoja, štitnjem i prozorima izolacije kako bi se balansirala naponska stresa, učinkovitost, EMI i toplinska performansa.

2.4 Smjernice za odabir strukture (Brzi inženjerski referent)

• Prioritet uniformnosti električnog polja i kontrole PD: Preferirati segmentirane ili kontinuirane (disk tip) HV navoje, kombinirane s Faradayjevim štitom, krajevima i barijerama; vakuum impregnacija/potapanje preporučena kad je potrebno.

• Prioritet visokoj struji i niskim gubitcima bakra: Koristiti Litz žicu ili bakarne folije za sekundarne; upotrebljavati umiještanje ili sendvič navoje interno kako bi se smanjila izbijanja indukcije i Rac; pojačati spoljnje štitnje i izolaciju.

• Prioritet montaži i održavanju: Usvajati modularne sekundarne pakete zavojnika s serijskim/paralelnim spojevima za lakše balansiranje napona, testiranje i izolaciju grešaka; odabrati višestruko prepravljanje napona (≤2 faze) ili kombinaciju serije/paralele na strani rektifikatora ovisno o snazi i zahtjevima za promjene.