Innowacyjne i powszechne struktury cewek dla 10kV wysokonapięciowych, wysokoczęstotliwościowych transformatorów

1.Innowacyjne struktury cewek dla transformatorów wysokiej częstotliwości klasy 10 kV

1.1 Zonowane i częściowo zalane wentylowane konstrukcje

• Dwa U-kształtne rdzenie ferromagnetyczne są połączone, tworząc jednostkę magnetyczną, lub dalej zmontowane w moduły rdzeniowe szeregowe/paralelne. Bobiny pierwotnej i wtórnej są montowane odpowiednio na lewej i prawej prostej nodze rdzenia, przy czym płaszczyzna połączenia rdzenia służy jako warstwa graniczna. Cewki tego samego typu są grupowane po tej samej stronie. W celu zmniejszenia strat wysokoczęstotliwościowych preferowanym materiałem do nawijania jest litz wire.

• Tylko cewka wysokonapięciowa (lub pierwotna) jest całkowicie zalana żywicą epoksydową. Między cewką pierwotną a rdzeniem/czewką wtórną wstawiana jest folia PTFE, aby zapewnić niezawodną izolację. Powierzchnia cewki wtórnej jest opakowana papierem izolacyjnym lub taśmą.

• Zachowując kanały wentylacyjne (szczeliny między cewkami oraz między cewkami wtórnymi na lewej i prawej nodze) oraz szczeliny między rdzeniami magnetycznymi, ten projekt znacznie poprawia odprowadzanie ciepła, jednocześnie zmniejszając masę i koszt, zachowując siłę dielektryczną — co sprawia, że jest odpowiedni dla zastosowań izolacji ≥10 kV.

1.2 Modułowy projekt i ekranowanie pola elektrycznego za pomocą litz wire

• Moduły cewek wysokonapięciowych i niskonapięciowych są osobno zalewane, a następnie montowane na jednostkę rdzeniową. Między modułami zachowane są szczeliny powietrzne, które ułatwiają montaż i chłodzenie, a uszkodzone moduły mogą być indywidualnie wymieniane w przypadku awarii, co zwiększa łatwość utrzymania.

• Wprowadzane są warstwy ekranujące pole elektryczne oparte na litz wire zarówno po wewnętrznej, jak i zewnętrznej stronie cewki wysokonapięciowej. To ogranicza wysokoczęstotliwościowe pole elektryczne głównie do regionu zalewanego żywicą epoksydową o wysokiej wytrzymałości dielektrycznej, znacząco zmniejszając ryzyko częściowego rozładowania (PD) bez potrzeby nadmiernego odstępu między cewkami tylko w celu tłumienia pola elektrycznego.

• Warstwa ekranująca litz wire może być pozostawiona otwartoobwodowa z jednopunktowym zazemienieniem, osiągając kształtowanie pola elektrycznego, unikając jednocześnie znaczących strat wirów wirowych. Zachowane są kanały wentylacyjne między cewkami a rdzeniem, umożliwiając półwentylacyjne chłodzenie i miniaturyzację jednocześnie.

1.3 Segmentowane cewki i kształtowanie pola elektrycznego

• Do bębna izolacyjnego dodawane są rurki koaksjalne i żebra segmentujące, co pozwala na przeplatanie cewek pierwotnych i wtórnych w „grupach segmentów”. To znacznie zmniejsza gradienty napięcia między warstwami i równoważną pojemność parazytetyczną, tłumiąc przeprowadzany EMI i poprawiając jednolitość rozkładu napięcia.

• Liczba segmentów n i liczba warstw są określone analitycznie lub empirycznie (np. n = −15,38·lg k₁ − 18,77, gdzie k₁ to najmniejsza wartość wśród proporcji samopojemności pierwotnej/wtórnej i wzajemnej pojemności), osiągając optymalny kompromis między objętością, indukcją przeciekową i pojemnością parazytetyczną — idealne dla operacji wysokiej mocy, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.

1.4 Kompozytowe cewki i zintegrowane chłodzenie wodne

• Rdzeń jest podzielony na dwie strefy nawijania. Stosowany jest podejście do kompozytowych cewek: pierwsza kompozytowa cewka (np. pierwotna) jest nawinięta od wewnętrznych do zewnętrznych warstw, z rezerwowanymi końcówkami; następnie, w drugiej strefie, druga kompozytowa cewka (np. wtórna) jest nawinięta w odwrotnej kolejności, korzystając z rezerwowanych końcówek. To rozszerza szczeliny między warstwami i zmniejsza ładunek resztkowy, zwiększając niezawodność i żywotność wysokonapięciowych cewek.

• Na zewnętrznej ścianie rdzenia wykonywane są szczeliny przetoczne, integrujące kanały chłodzenia wodnego bez kontaktu, co poprawia właściwości termiczne bez ryzyka mechanicznego uszkodzenia podczas montażu. Kompozytowa izolacja używa laminatów PI/PTFE ułożonych w skokowej konfiguracji, aby zapewnić odpowiednią odległość pełzania i wysokiej jakości wypełnienie zalaniem.

1.5 Nowe techniki nawijania i ścieżki kontrolowania strat

Wprowadzana jest technologia nawijania PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): poprzez zoptymalizowaną topologię i układ cewek, efekty skórne i bliskościowe — a tym samym straty wysokoczęstotliwościowe — są znacząco tłumione. W zgłoszonych przypadkach osiągnięto wydajność sprzężenia >99,5%, wraz z możliwością izolacji 10 kV, sterowalą indukcją przeciekową i niską pojemnością rozproszeniową — co sprawia, że jest odpowiednia dla dostosowanych zastosowań wysokonapięciowych i wysokoczęstotliwościowych o mocy 30–400 kW, 4–50 kHz.

2. Powszechne struktury cewek dla transformatorów wysokiej częstotliwości klasy 10 kV

2.1 Podstawowe konfiguracje cewek i scenariusze zastosowań

• Wielowarstwowe cylindryczne: dojrzały proces produkcji; łatwe wprowadzanie izolacji międzywarstwowej i kanałów chłodzących; odpowiednie dla ciągłych cewek średniego i wysokiego napięcia.

• Wielosegmentowe warstwowe: wiele odcinków osiowych oddzielonych pierścieniami papieru izolacyjnego; efektywnie zmniejsza gradient napięcia między warstwami i koncentrację pola; często stosowane w cewkach wysokonapięciowych, aby zminimalizować częściowe rozładowania.

• Ciągłe (typ dyskowy): składające się z wielu sekcji dyskowych ułożonych osiowo; oferuje dobrą wytrzymałość mechaniczną i właściwości termiczne; odpowiednie dla zastosowań dużej mocy i wyższego napięcia.

• Podwójny dysk: dwa dyski na grupę, połączone szeregowo/równolegle; idealne dla cewek wysokonapięciowych o wysokim prądzie lub specjalnego przeznaczenia.

• Helikalne: pojedyncze/dwójne/czwórne helisy; prosta struktura; odpowiednie dla cewek niskonapięciowych o wysokim prądzie lub cewek z regulacją pod obciążeniem; ograniczone w liczbie zwitków.

• Aluminiumowy cylindryczny: jedno okrążenie na warstwę za pomocą folii aluminiowej; wysoka wykorzystanie przestrzeni i przyjazne dla automatyzacji; odpowiednie dla małych do średnich cewek wysokiego napięcia.

Są to standardowe struktury cewek wysokiego napięcia w transformatorach energetycznych, które często są dostosowywane lub ulepszane dla transformatorów wysokonapięciowych o częstotliwości 10 kV, aby zwiększyć izolację i wydajność termiczną.

2.2 Typowe układy i procesy cewkowania dla zastosowań wysokonapięciowych o wysokiej częstotliwości

• Koncentryczny układ cylindryczny (warstwowy): cewka wysokiego napięcia w środku, niskiego napięcia na zewnątrz (lub odwrotnie); wielowarstwowy projekt z izolacją między warstwami do rozłożenia dużych różnic potencjałów; może być użyty segmentowany układ, aby zoptymalizować rozkład pola elektrycznego i wydajność PD.

• Segmentacja i przeplata: cewka wysokiego napięcia jest podzielona na wiele cewek i ułożona w sposób przesunięty/segmentowany, aby zmniejszyć gradient napięcia między warstwami i pojemność pasożytniczą, stłumić EMI przewodzone i poprawić jednorodność napięcia.

• Ekranowanie Faradaya i elektrostatyczne: folia miedziana lub warstwy przewodzące umieszczane między pierwszym a drugim obwodem lub wokół cewek, zziemione w jednym punkcie, aby zmniejszyć pojemność wspólnego trybu i hałas sprzężony; ekranowanie musi odpowiadać szerokości cewki i unikać ostrych krawędzi, które mogłyby przebić izolację.

• Optymalizacja przewodnika i gęstości prądu: Litz wire, przewody splecione lub folia miedziana są preferowane dla wtórnych cewek wysokiego napięcia/wysokiego prądu, aby stłumić efekty skórowe/bliskie, zmniejszyć opór AC (Rac) i straty miedzi; gęstość prądu (J) i wzrost temperatury są kontrolowane w granicach okna i norm bezpieczeństwa.

• Izolacja i projekt przeciekania: użycie barier, marginesów końcowych, terminale w obudowie i połączone izolacje między warstwami/pomiędzy cewkami; odległość przeciekania i wyczyn są zaprojektowane zgodnie z stopniem zanieczyszczenia i klasą napięcia; może być zastosowane impregnowanie/potting w próżni, aby zwiększyć wytrzymałość dielektryczną i przewodność cieplną.

Te rozważania dotyczące układu i procesu są ściśle związane z bilansowaniem poziomu izolacji, parametrów pasożytniczych i mocy — kluczowe do osiągnięcia niezawodnej izolacji 10 kV w praktyce inżynierskiej.

2.3 Metody implementacji wysokiego napięcia wyjściowego wtórnego (silnie zależne od struktury cewki)

• Prostowanie wielokrotne: wielostopniowe podwójne napięcie na stronie prostownika znacznie zmniejsza napięcie i pojemność pasożytniczą na każdym etapie cewki, ułatwiając projekt izolacyjny. Jednak jest wrażliwe na transitory obciążenia/zamknięcia i podatne na impulsy prądu. W praktyce zwykle nie używa się więcej niż dwóch etapów, wymagając strategii ograniczania prądu i ochrony.

• Kombinacja szeregowo/rownolegle: wtórne jest podzielone na wiele pakietów cewek, które są wewnętrznie lub po prostowaniu połączone szeregowo/rownolegle, aby osiągnąć pożądane napięcie/moc. Wszystkie pakiety dzielą ten sam obwód magnetyczny, ułatwiając projekt modułowy i bilansowanie napięcia — idealne dla wysokiej mocy wyjściowej.

Obie metody wymagają zintegrowanego projektu z segmentacją cewki, ekranowaniem i oknami izolacyjnymi, aby zbilansować napięcie, wydajność, EMI i wydajność termiczną.

2.4 Wytyczne do wyboru struktury (szybki poradnik inżynieryjny)

• Priorytet równomierności pola elektrycznego i kontroli PD: preferuj segmentowane lub ciągłe (typ dyskowy) cewki wysokiego napięcia, połączone z ekranowaniem Faradaya, marginesami końcowymi i barierami; impregnowanie/potting w próżni zalecane, gdy jest to konieczne.

• Priorytet wysokiego prądu i niskich strat miedzi: używaj Litz wire lub folii miedzianej dla wtórnego; stosuj przeplot lub sandwichowe cewkowanie wewnętrzne, aby zminimalizować indukcyjność przecieku i Rac; wzmocnij zewnętrzną izolację i ekranowanie.

• Priorytet montażu i utrzymania: przyjmij modułowe pakiety cewek wtórnych z połączeniami szeregowo/rownolegle, aby ułatwić bilansowanie napięcia, testowanie i izolację uszkodzeń; wybierz prostowanie wielokrotne (≤2 etapy) lub kombinację szeregowo/rownolegle na stronie prostownika, w zależności od mocy i wymagań chwilowych.