혁신적이고 일반적인 10kV 고압 고주파 변압기의 권선 구조

1. 10kV급 고압 고주파 변압기용 혁신적인 감자 구조

1.1 구역화 및 부분 포팅된 통풍 구조

• 두 개의 U형 페라이트 코어가 결합되어 자기 코어 단위를 형성하거나, 시리즈/시리즈-병렬 코어 모듈로 더 조립됩니다. 일차 및 이차 보빈은 각각 코어의 좌우 직선 다리에 장착되며, 코어 결합면이 경계층으로 사용됩니다. 동일한 유형의 감자는 같은 측에 그룹화됩니다. 고주파 손실을 줄이기 위해 리츠 선재를 감자 재료로 선호합니다.

• 고압 감자(또는 일차)만 에폭시 수지로 완전히 포팅됩니다. 일차와 코어/이차 사이에 PTFE 시트를 삽입하여 신뢰할 수 있는 절연을 확보합니다. 이차 표면은 절연 종이나 테이프로 싸여집니다.

• 통풍 채널(감자들 사이의 간격 및 좌우 다리의 이차 감자들 사이의 간격)과 자기 코어들 사이의 간격을 유지함으로써, 이 설계는 열 방출을 크게 향상시키면서 무게와 비용을 줄이고 절연 강도를 유지합니다—이는 ≥10kV 격리를 위한 응용에 적합합니다.

1.2 모듈식 설계 및 접지된 리츠 선재 전기장 차폐

• 고압 및 저압 감자 모듈은 각각 포팅되고, 이후 코어 단위에 조립됩니다. 모듈들 사이에 공기 간격을 유지하여 조립과 냉각을 용이하게 하며, 고장 시 손상된 모듈을 개별적으로 교체할 수 있어 유지보수성을 향상시킵니다.

• 고압 감자의 내외부 양쪽에 접지된 리츠 선재 기반 전기장 차폐층을 도입합니다. 이는 고주파 전기장을 주로 고절연강도의 에폭시 포팅 영역 내로 제한하여 부분 방전(PD) 위험을 크게 줄입니다. 전기장 억제를 위한 과도한 감자 간격을 요구하지 않습니다.

• 리츠 선재 차폐층은 단일점 접지를 통해 오픈 서킷으로 남겨둘 수 있어, 전기장 형상을 조정하면서 유의미한 회류 손실을 피할 수 있습니다. 감자와 코어 사이의 통풍 채널을 유지함으로써 반통풍 냉각과 소형화를 동시에 가능하게 합니다.

1.3 분할된 감자 및 전기장 형상

• 절연 보빈에 동축 슬리브와 분할 리브를 추가하여, 일차 및 이차 감자를 "분할 그룹"으로 교차 배치할 수 있게 합니다. 이는 계층간 전압 기울기를 크게 줄이고 동등한 기생 커패시턴스를 억제하며, 전도 EMI를 억제하고 전압 분포 균일성을 향상시킵니다.

• 분할 수 n 및 계층 수는 해석적 또는 경험적 공식(e.g., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, 여기서 k₁은 일차/이차 자체 커패시턴스와 상호 커패시턴스 비율 중 최소값)을 통해 결정되며, 부피, 누설 인덕턴스, 기생 커패시턴스 간의 최적의 균형을 달성합니다—이는 고출력, 고압력, 고주파 작동에 이상적입니다.

1.4 복합 감자 및 통합 수냉

• 코어는 두 개의 감자 영역으로 나뉩니다. 복합 감자 접근법을 사용합니다: 첫 번째 복합 감자(예: 일차)는 내부에서 외부 계층까지 감아서 리드를 예비로 남깁니다. 그런 다음, 두 번째 영역에서는 두 번째 복합 감자(예: 이차)를 예비 리드를 사용하여 역방향으로 감습니다. 이렇게 함으로써 계층 간 간격을 확장하고 잔류 전하를 줄여, 고압 안정성과 수명을 향상시킵니다.

• 외부 코어 벽에 릴리프 슬롯을 가공하여 접촉 없는 수냉 채널을 통합하여, 조립 중 기계적 손상을 위험 없이 열 성능을 개선합니다. 복합 절연은 PI/PTFE 라미네이트를 계단형으로 배열하여 충분한 크리핑 거리와 고품질 포팅 채움을 보장합니다.

1.5 새로운 감자 기술 및 손실 관리 경로

PDQB(Power Differential Quadrature Bridge) 감자 기술이 도입되었습니다: 최적화된 감자 위상 및 배치를 통해 피부 효과와 근접 효과—따라서 고주파 손실—을 크게 억제합니다. 이는 보고된 사례에서 결합 효율 >99.5%를 달성하며, 10kV 격리 능력, 제어 가능한 누설 인덕턴스, 낮은 분산 커패시턴스—사용자 지정 30–400kW, 4–50kHz 고압 고주파 응용에 적합합니다.

2. 10kV급 고압 고주파 변압기에 대한 일반적인 감자 구조

2.1 기본적인 감자 구성 및 응용 시나리오

• 다계층 원통형: 성숙한 제조 공정; 계층 간 절연 및 냉각 채널 삽입이 쉽습니다; 중간에서 고압 연속 감자에 적합합니다.

• 다분할 계층형: 여러 축 방향 분할이 절연 종이 링으로 분리됨; 계층간 전압 기울기와 필드 집중을 효과적으로 줄입니다; HV 감자에서 부분 방전을 완화하기 위해 일반적으로 사용됩니다.

• 연속(디스크형): 여러 디스크 섹션을 축 방향으로 쌓아 구성; 우수한 기계적 강도와 열 성능을 제공합니다; 고용량/고압력 응용에 적합합니다.

• 이중 디스크: 그룹당 두 개의 디스크, 직렬/병렬로 연결; 고전류 또는 특수 목적의 HV 감자에 이상적입니다.

• 나선형: 단일/이중/사중 나선; 간단한 구조; 고전류 LV 감자 또는 부하 탭 변경 감자에 적합합니다; 턴 수가 제한적입니다.

• 알루미늄 호일 원통형: 알루미늄 호일을 한 층당 한 바퀴씩 사용; 높은 공간 활용률과 자동화에 적합; 소형에서 중형 고압 와인딩에 적합합니다.

이들은 전력 변압기에서 표준적인 고압 와인딩 구조이며, 주로 10kV 클래스의 고주파 고압 변압기에 적용되거나 개선되어 절연 및 열 성능을 향상시킵니다.

2.2 고압 고주파 응용 분야를 위한 대표적인 와인딩 배치 및 공정

• 중심축 원통형 (층 쌓기식) 배치: 고압 와인딩이 내부, 저압 와인딩이 외부 (또는 그 반대); 각 층 사이에 절연재를 두어 고전압 차이를 분산; 전기장 분포와 부분방전 성능 최적화를 위해 분할 배치가 사용될 수 있습니다.

• 분할 및 교차 배치: 고압 와인딩을 여러 코일로 나누고 겹치게 배치하여 층간 전압 경사도와 기생 커패시턴스를 줄이고 전도되는 EMI를 억제하며 전압 균일성을 향상시킵니다.

• 파라데이 및 정전기 차폐: 동축 또는 와인딩 주변에 구리 호일이나 도전성 층을 배치하고 단일 지점에서 접지하여 공통 모드 커패시턴스와 결합 노이즈를 줄입니다; 차폐는 와인딩 폭과 일치해야 하며 절연재를 관통할 수 있는 날카로운 모서리를 피해야 합니다.

• 전도체 및 전류 밀도 최적화: 고압/고전류 2차 와인딩에는 스킨 효과와 근접 효과를 억제하고 교류 저항 (Rac) 및 구리 손실을 줄이기 위해 리츠 와이어, 복합 도체 또는 구리 호일을 선호합니다; 전류 밀도 (J)와 온도 상승은 창구 및 안전 규제 한도 내에서 제어됩니다.

• 절연 및 크리피지 설계: 장벽, 끝 여백, 슬리브 단자, 그리고 층간/와인딩 간 복합 절연재 사용; 크리피지 거리와 클리어런스는 오염 정도와 전압 등급에 따라 설계됩니다; 진공 침투/포팅을 적용하여 유전 강도와 열 전도성을 향상시킬 수 있습니다.

이러한 배치 및 공정 고려사항은 절연 수준, 기생 매개 변수, 출력 전력 사이의 균형을 맞추는데 밀접하게 관련되어 있으며, 공학적으로 신뢰할 수 있는 10kV 절연을 달성하는 데 핵심적입니다.

2.3 고압 2차 출력 구현 방법 (와인딩 구조에 크게 의존)

• 전압 증폭 직류화: 직류화 측에서 다단계 전압 2배 증폭을 통해 각 와인딩 단계당 전압 스트레스와 기생 커패시턴스를 크게 줄여 절연 설계를 용이하게 합니다. 그러나 부하 변동이나 단락에 민감하고 서지 전류에 취약합니다. 실제로는 일반적으로 두 단계 이상 사용되지 않으며, 전류 제한 및 보호 전략이 필요합니다.

• 직렬/병렬 조합: 2차를 여러 코일 패키지로 나누고 내부 또는 직류화 후에 직렬/병렬로 연결하여 원하는 전압/출력을 달성합니다. 모든 패키지는 같은 자기 회로를 공유하여 모듈식 설계와 전압 균형을 용이하게 합니다—고출력 출력에 이상적입니다.

두 방법 모두 와인딩 분할, 차폐, 절연 창구와 통합 설계가 필요하여 전압 스트레스, 효율, EMI, 열 성능 사이의 균형을 맞춥니다.

2.4 구조 선택 가이드라인 (빠른 엔지니어링 참고)

• 전기장 균일성과 부분방전 제어 우선: 분할 또는 연속 (디스크형) 고압 와인딩, 파라데이 차폐, 끝 여백, 장벽을 결합; 필요한 경우 진공 침투/포팅을 권장합니다.

• 고전류와 저 구리 손실 우선: 2차에 리츠 와이어나 구리 호일을 사용; 내부에서 교차 또는 샌드위치 와인딩을 적용하여 누설 인덕턴스와 Rac를 최소화하고 외부 차폐와 절연을 강화합니다.

• 조립 및 유지보수 우선: 직렬/병렬 연결을 사용하여 모듈식 2차 코일 패키지를 채택하여 전압 균형, 테스트, 고장 분리가 용이하도록 합니다; 출력과 일시적 요구 사항에 따라 직류화 측에서 전압 증폭 직류화 (≤2 단계) 또는 직렬/병렬 조합을 선택합니다.