Инновативни и заеднички структури на намотки за трансформатори со висока фреквенција и високо напон од 10кВ

1.Инновативни структури на витка за трансформатори со напон од класа 10 кВ и висока фреквенција

1.1 Зонирана и делумно зацемерена вентилирана структура

• Две U-образни феритни јадра се спојуваат за да формираат магнетно јадро или се собираат во серијски/паралелни модули. Првичниот и вторичниот бобини се поставуваат на левата и десната права нога на јадрото, со површина на спојувањето на јадрото како граница. Витковите од ист тип се групираат на истата страна. За материјал за виткане се предпочита Литц жица за намалување на загубите при висока фреквенција.

• Само високонапонскиот витка (или првичниот) е целосно зацемерен со епоксидна смола. Медиум PTFE се вметнува помеѓу првичниот и јадрото/вторичниот за осигурување на надежна изолација. Површината на вторичниот е обвикана со изолацион бумага или тапа.

• Оддржувајќи вентилациони канал (размак помеѓу витковите и помеѓу вторичните виткови на левата и десната нога) и размак помеѓу магнетните јадра, овој дизајн значително подобрува отстранувањето на топлина, намалувајќи го весот и цената, додека ја одржува диелектричната јачина—што го прави прифатлив за примените со ≥10 кВ изолација.

1.2 Модуларен дизајн и земјско Литц жица поле штит

• Модули на високонапонски и низконапонски витки се зацемерени посебно и потоа се собираат на јадрената единица. Се одржуваат воздухни размаци помеѓу модулите за олеснување на собирањето и хлаѓањето, а повредените модули можат да се заменат индивидуално при грешки, подобрувајќи го одржуването.

• Се воведуваат слоеви на поле штит базирани на земјска Литц жица на внатрешната и надворешната страна на високонапонскиот витка. Ова ограничува високочестотното електричко поле главно во областа со висока диелектрична јачина зацемерена со епоксидна смола, значително намалувајќи ризикот од парцијална дисипација (PD) без потреба од прекумерен размак на витковите само за подолгање на полето.

• Слојот на поле штит од Литц жица може да се остави отворен со едностукогрунско земјување, постигнувајќи формирање на поле, додека се избегнуваат значителни загуби од вихреви. Се одржуваат вентилациони канали помеѓу витковите и јадрото, овозможувајќи полу-вентилирано хлаѓање и миниатуризација истовремено.

1.3 Сегментиран витка и формирање на поле

• На изолационата бобина се додаваат коаксијални цеви и сегментни ребра, што овозможува првичниот и вторичниот витка да се интерлеајат во „сегментни групи“. Ова значително намалува градиентите на напон помеѓу слоевите и еквивалентната паразитна капацитет, подолгувајќи проводен EMI и подобрувајќи равномерноста на распределбата на напонот.

• Бројот на сегменти n и бројот на слоеви се определуваат преку аналитски или емпирички формули (нпр., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, каде k₁ е минималната вредност меѓу самокапацитетите и односи на обојни капацитети), постигнувајќи оптимален компромис помеѓу волумен, протечни индуктивности и паразитни капацитети—идеално за операции со високи моќ, напон и фреквенција.

1.4 Композитни виткови и интегрирана водна хлаџање

• Јадрото е поделено на две зони на виткање. Се користи пристап со композитни виткови: првиот композитен витка (нпр., првичен) се витка од внатрешните до надворешните слоеви со зарезервирани водици; потоа, во втората зона, вториот композитен витка (нпр., вторичен) се витка обратно со користење на зарезервирани водици. Ова проширува размаци помеѓу слоевите и намалува резидуалната наелектрисаност, подобрувајќи надежноста и долговечноста на високи напони.

• На надворешната стенка на јадрото се машинираат релефни канали за интеграција на неконтактни водни хлаѓања канал, подобрувајќи термичката перформанса без ризик од механичка повреда при собирањето. Композитната изолација користи PI/PTFE ламинати подредени во степенит конфигурација за осигурување на адекватен креепаџ расстояние и висококвалитетна зацемерена исполнетост.

1.5 Нови техники на виткање и патеки за контрола на загуби

Технологијата PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) виткање е воведена: преку оптимизирана топологија и распоред на виткање, ефектите на кожа и близина—и следователно загубите при висока фреквенција—се значително подолгувани. Ова постигнува ефикасност на куплување >99.5% во извештајните случаи, заедно со способност за изолација од 10 кВ, контролируема протечна индуктивност и ниска распределена капацитет—што го прави прифатлив за прилагодени примените од 30–400 кВ, 4–50 кХц високонапонски и високочестотни.

2. Обични структури на виткање за трансформатори со напон од класа 10 кВ и висока фреквенција

2.1 Основни конфигурации на виткање и сценарија на применување

• Многослојни цилиндрични: зрел процес на производство; лесно за вметнување на изолација и хлаѓање помеѓу слоевите; прифатливо за средно-високонапонски континуирани виткови.

• Многусегментни слоеви: многу аксијални сегменти одделени со прстени од изолацион бумага; ефективно намалува градиентот на напон помеѓу слоевите и концентрацијата на полето; често се користи во HV виткови за намалување на парцијална дисипација.

• Континуирани (диск тип): состои од многу диск секции ставени аксијално; предлажа добар механички јачина и термичка перформанса; прифатливо за високомоќни/високонапонски примените.

• Двојни диск: два диска по група, поврзани во серијска/паралелна врска; идеално за високи стројни или специјални HV виткови.

• Хеликални: едно/двојни/четворни хеликс; едноставна структура; прифатливо за високи стројни LV виткови или виткови со на-наглас регулирање; ограничени во бројот на виткови.

Алуминиски фолија цилиндрична: едно завртнување по слој со алуминиска фолија; висока утилизација на простор и пријателски за аутоматизација; подобро за помалите до средните HV намотки.

Овие се стандардни HV намотачки структури во електричните трансформатори и често се адаптираат или подобруваат за трансформатори од класа 10 кВ-висок напон-високочестотни за подобрување на изолацијата и термичката перформанца.

2.2 Типични распореди и процеси за намотување за примените на висок напон-високочестотни системи

• Концентрична цилиндрична (слойска) распоредба: HV намотка внатрешно, LV спољно (или обратно); дизајн со повеќе слоеви со изолација меѓу слоевите за дистрибуција на високи потенцијални разлики; може да се користи сегментиран распоред за оптимизација на распределбата на електричното поле и PD перформансата.

• Сегментација и интерлејринг: HV намотката е поделена на повеќе катушечки дела и распоредени во зигзаг/сегментиран начин за намалување на градиентот на напонот меѓу слоевите и паразитарната капацитетност, подавање на преносен EMI и подобрување на униформноста на напонот.

• Фарадеева и електростатска изолација: медна фолија или проводиви слоеви поставени меѓу првичните/секундарните намотки или околу намотките, земнати на една точка, за намалување на заедничката капацитетност и куплинг шум; изолацијата мора да се прилагоди на ширината на намотката и да се избегнуваат остри рабови кои би могле да пробиют изолацијата.

• Оптимизација на проводникот и густината на стројмот: Литц жица, низови проводници или медна фолија се предпочитани за вторични намотки со висок напон/висок строј за подавање на кожен/блиски ефекти, намалување на AC отпорот (Rac) и губитоци на медиум; густината на стројот (J) и температурниот пораст се контролираат во рамки на прозорецот и ограничувањата за безбедност.

• Изолација и дизајн на креепаџ: користење на бариери, крајни марги, терминали со рукави и комбинирана изолација меѓу слоевите/меѓу намотките; растојанието на креепаџ и клиренс се дизајнираат според степенот на контаминација и класата на напон; може да се применува вакуум инфильтрација/потирка за подобрување на диелектричната јачина и термичката проводливост.

Овие размислувања за распоред и процеси се тесно поврзани со балансирањето на нивоот на изолација, паразитарни параметри и моќна класа—ключни за постигнување на надежна изолација од 10 кВ во инженерската практика.

2.3 Методи на имплементација за вторичен излез со висок напон (со силна зависност од структурата на намотката)

• Ректификација со множител на напон: многустапенско удвојување на напонот на страната на ректификаторот значително намалува напонскиот стрес и паразитарната капацитетност по секој стапен на намотката, олеснувајќи дизајнот на изолацијата. Меѓутоа, тоа е осетливо на транзиенти/кратки кола на оптерањето и склонствено на турботни стројеви. На практика, обично се користат не повеќе од два стапени, потребни се стратегии за ограничување на стројот и заштита.

• Серијска/паралелна комбинација: вторичната намотка е поделена на повеќе пакети катушечки делови, кои се поврзани во серија/паралела вонутри или после ректификаторот за постигнување на желаниот напон/моќ. Сите пакети деле ист магнетски пат, што овозможува модуларен дизајн и балансирање на напонот—идеално за високомоћен излез.

Оба методи бараат интегриран дизајн со сегментација на намотката, изолација и прозорци за изолација за балансирање на напонскиот стрес, ефикасноста, EMI и термичката перформанца.

2.4 Упатства за одбор на структура (Брз референтен водич за инженерство)

• Приоритет на униформноста на електричното поле и контрола на PD: Предпочитате сегментирана или непрекината (диск тип) HV намотка, комбинирана со Фарадеева изолација, крајни марги и бариери; препорачана е вакуум инфильтрација/потирка кога е потребно.

• Приоритет на висок строј и ниски губитоци на медиум: Користете Литц жица или медна фолија за вторична намотка; користете интерлејринг или сендвич намотка вонутри за минимизирање на изтечната индуктивност и Rac; подобрете спољна изолација и изолација.

• Приоритет на собирање и одржување: Прифатете модуларни вторични пакети катушечки делови со серијска/паралелна врска за лесно балансирање на напонот, тестирање и изолација на грешките; изберете ректификација со множител на напон (≤2 стапени) или серијска/паралелна комбинација на страната на ректификаторот според потребите за моќ и транзиенти.