Innovative & Common Vindingstrukturer for 10kV Høyspenning Høyfrekvens Transformatorer

1.Innovative Winding Structures for 10 kV-Class High-Voltage High-Frequency Transformers

1.1 Zoned and Partially Potted Ventilated Structure

• To magnetic kjernene dannes ved å kombinere to U-formede ferritekjerne til en enhet, eller videre sammensatt i serie/serie-parallell kjernemoduler. Primære og sekundære spoler er montert på de venstre og høyre rette beina av kjernen, med kjernesammenslutningsplanen som grensesnitt. Spoler av samme type grupperes på samme side. Litz-tråd foretrekkes som spolemateriale for å redusere høyfrekvente tap.

• Kun den høyvolts spolen (eller primær) er helt potet med epoksyhars. En PTFE-plat er innført mellom primæren og kjernen/seksjonen for å sikre pålitelig isolasjon. Overflaten av sekundæren er omvikklet med isoleringspapir eller -bånd.

• Ved å beholde ventilasjonskanaler (gapper mellom spoler og mellom sekundære spoler på venstre og høyre bein) og gapper mellom magnetkjerner, forbedrer denne designen betydelig varmeavledning samtidig som vekt og kostnad reduseres, mens elektrisk styrke beholdes—gjør det egnet for ≥10 kV isoleringsapplikasjoner.

1.2 Modular Design and Grounded Litz Wire Electric Field Shielding

• Høyvolts- og lavvolts-spolemoduler er separat potet og deretter montert på kjerneneheten. Luftgapper opprettholdes mellom modulene for å forenkle montering og kjøling, og skadde moduler kan erstattes individuelt under feil, noe som øker vedlikeholdsbarheten.

• Belasted Litz-trådbaserte elektriske felt-skjold lag er introdusert på både innsiden og utsiden av høyvolts spolen. Dette begrenser det høyfrekvente elektriske feltet hovedsakelig til det høy-isoleringsstyrke epoksy-potet området, noe som reduserer risikoen for delvis utlading (PD) betydelig uten å kreve unødvendig store spoleavstander bare for å dempe elektriske felt.

• Litz-tråd skjoldlaget kan være åpent-sirkulert med enkelt punkt jordet, noe som former elektriske felt samtidig som det unngår betydelige strømkrans-tap. Ventilasjonskanaler bevares mellom spoler og kjernen, noe som muliggjør halvventilet kjøling og miniatyrisering samtidig.

1.3 Segmented Winding and Electric Field Shaping

• Aksielle sleever og segmenteringsribber er lagt til den isolerende spolen, noe som lar primære og sekundære spoler blande seg i "segmentgrupper". Dette reduserer betydelig spenningsgradienter og ekvivalent parasittkapasitans mellom lag, undertrykker ledet EMI og forbedrer uniformitet i spenningfordeling.

• Antall segmenter n og antall lag bestemmes via analytiske eller empiriske formler (f.eks., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, der k₁ er minimumsverdien blant primær/sekundær selv-kapasitans og gjensidig kapasitans-forhold), noe som oppnår en optimal balanse mellom volum, lekkasjeinduktans og parasittkapasitans—ideelt for høy effekt, høy spenning, høy frekvens drift.

1.4 Composite Windings and Integrated Water Cooling

• Kjernen er delt i to spolezoner. En sammensatt spoling metode brukes: den første sammensatte spolen (f.eks., primær) er viklet fra indre til ytre lag med reserverte ledninger; deretter, i den andre zonen, vikles den andre sammensatte spolen (f.eks., sekundær) i revers med de reserverte ledningene. Dette utvider lag-gapper og reduserer restladning, noe som forbedrer høyvolts pålitelighet og levetid.

• Lettningskanaler er maskinert på den ytre kjernveggen for å integrere kontaktfrie vannkjølingskanaler, noe som forbedrer termisk ytelse uten å risikere mekanisk skade under montering. Sammensatt isolasjon bruker PI/PTFE-laminer i et trappetrinn-konfigurasjon for å sikre tilstrekkelig krypingavstand og høykvalitets potting.

1.5 Novel Winding Techniques and Loss Control Pathways

PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) spolingsteknologi er introdusert: gjennom optimalisert spolingstopologi og -oppsett, supprimeres huden- og nærhetseffekter, og dermed høyfrekvente tap, betydelig. Dette oppnår koblingseffektivitet >99.5% i rapporterte tilfeller, sammen med 10 kV isolasjonskapasitet, kontrollerbar lekkasjeinduktans og lav distribuert kapasitans—gjør det egnet for tilpassede 30–400 kW, 4–50 kHz høyvolts høyfrekvens applikasjoner.

2. Common Winding Structures for 10 kV-Class High-Voltage High-Frequency Transformers

2.1 Basic Winding Configurations and Application Scenarios

• Flerskiktet sylinderformet: Modent produksjonsprosess; lett å sette inn lagisolering og kjølekanaler; egnet for mellom-til-høy spenning kontinuerlige spoler.

• Flersegmentert laget: Flere aksielle segmenter separert av isoleringspapirringe; reduserer effektivt spenningsgradient og feltkonsentrasjon mellom lag; vanligvis brukt i HV spoler for å redusere delvis utlading.

• Kontinuerlig (skiveformet): Består av flere skive-seksjoner stakket aksielt; gir god mekanisk styrke og termisk ytelse; egnet for høy kapasitet/høyere spenning applikasjoner.

• Dobbelskive: To skiver per gruppe, koblet i serie/parallell; ideell for høystrøm eller spesielle HV spoler.

• Helisk: Enkel/dobbelt/firehelisk; enkel struktur; egnet for høystrøm LV spoler eller påbelasted tapforandringsspoler; begrenset i antall viklinger.

• Aluminiumfolie sylindriske: én runde per lag ved bruk av aluminiumsfolie; høy romutnyttelse og automatiseringsvennlig; egnet for små til medium størrelse HV-viklinger.

Dette er standard HV-viklingsstrukturer i krafttransformatorer, og de tilpasses ofte eller forbedres for 10 kV-klasse høyspenningshøyfrekvens-transformatorer for å forbedre isolasjon og termisk ytelse.

2.2 Typiske viklingsoppsett og prosesser for høyspenningshøyfrekvensapplikasjoner

• Konsentriske sylindriske (laget) oppsett: HV-vikling inni, LV utenfor (eller motsatt); flerlaget design med isolering mellom lag for å fordele høye potensialforskjeller; segmentert oppsett kan brukes for å optimere elektrisk feltfordeling og PD-ytelse.

• Segmentering og skjøting: HV-vikling delt inn i flere spoler og arrangert i et skjev/segmentert mønster for å redusere spenningsgradienten mellom lag og parasittkapasitans, undertrykke overført EMI, og forbedre spenningens jevnhet.

• Faraday- og elektrostatisk skjerming: Kobberfolie eller ledekende lag plassert mellom primær/sekundær eller rundt viklinger, jordet på ett punkt, for å redusere fellesmodus kapasitans og koblingsstøy; skjermingen må matche viklingsbredden og unngå skarpe kanter som kan bore igjennom isolasjonen.

• Ledere og strømtetthetsoptimalisering: Litz-tråd, strandede ledere eller kobberfolie foretrekkes for HV/høystrøm sekundærviklinger for å undertrykke hud/proksimitet effekter, redusere AC motstand (Rac) og kobbertap; strømtetthet (J) og temperaturstigning kontrolleres innenfor vindu og sikkerhetsreguleringsgrenser.

• Isolasjon og krypingdesign: Bruk av barriere, endemarg, slevede terminaler og kombinert isolasjon mellom lag/inter-viklinger; krypende avstand og frirom er designet etter forurensningsgrad og spenningklasse; vakuumimpregnasjon/potting kan anvendes for å forbedre dielektrisk styrke og varmeledningsevne.

Disse oppsett og prosesshensyn er tett knyttet til balansering av isolasjonsnivå, parasittparametre og effektspesifikasjon—nøkkel for å oppnå pålitelig 10 kV-isolasjon i teknisk praksis.

2.3 Implementeringsmetoder for høyspenning sekundærunderstrøm (sterkt avhengig av viklingsstruktur)

• Spenningsmultipliserende rettifikasi: Flerskede spenningsdobling på rettifieringsiden reduserer betydelig spenningsstress og parasittkapasitans per viklingsstadium, noe som gjør isolasjonsdesign enklere. Imidlertid er det følsomt for lasttransienter/kortslutninger og utsatt for strømspark. I praksis brukes vanligvis ikke mer enn to steg, noe som krever strømbegrensning og beskyttelsesstrategier.

• Serierekke/parallellkombinasjon: Sekundæren deles inn i flere spolepakker, som internt eller etter rettifisering kobles sammen i serie/parallell for å oppnå ønsket spenning/effekt. Alle pakker deler samme magnetiske krets, noe som forenkler modulært design og spenningbalansering—ideelt for høyeffekt utdata.

Begge metoder krever integrert design med viklingssegmentering, skjerming og isolasjonsvinduer for å balansere spenningsstress, effektivitet, EMI og termisk ytelse.

2.4 Retningslinjer for strukturelt valg (rask teknisk referanse)

• Prioritering av jevnt elektrisk felt og PD-kontroll: Foretrekk segmenterte eller kontinuerlige (disktype) HV-viklinger, kombinert med Faraday-skjerming, endemarg og barriere; vakuumimpregnasjon/potting anbefales når nødvendig.

• Prioritering av høy strøm og lav kobbertap: Bruk Litz-tråd eller kobberfolie for sekundær; bruk skjøtet eller sandwichvikling intern for å minimere lekkasjeinduktans og Rac; forsterk ytre skjerming og isolasjon.

• Prioritering av montering og vedlikehold: Bruk modulære sekundære spolepakker med serie/parallelltilkobling for enkel spenningbalansering, testing og feilisolering; velg spenningsmultipliserende rettifikasi (≤2 steg) eller serie/parallellkombinasjon på rettifieringsiden basert på effekt og transiente krav.