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.
