Инновационные и распространенные структуры обмоток для высоковольтных высокочастотных трансформаторов на 10 кВ

1.Инновационные конструкции обмоток для трансформаторов высокого напряжения и высокой частоты класса 10 кВ

1.1 Зональная и частично заливаемая вентилируемая структура

• Два U-образных ферритовых сердечника соединяются для формирования магнитного сердечника или собираются в последовательные/последовательно-параллельные модули сердечников. Первичные и вторичные бобины устанавливаются на левых и правых прямых ножках сердечника соответственно, с плоскостью соединения сердечника в качестве граничного слоя. Обмотки одного типа группируются на одной стороне. Для материала обмотки предпочтительно использовать лицевую проволоку, чтобы снизить потери при высокой частоте.

• Только высоковольтная обмотка (или первичная) полностью заливается эпоксидной смолой. Между первичной и сердечником/вторичной вставляется лист ФТЭФ для обеспечения надежной изоляции. Поверхность вторичной обмотки обматывается изоляционной бумагой или лентой.

• Сохранение вентиляционных каналов (зазоров между обмотками и между вторичными обмотками на левых и правых ножках) и зазоров между магнитными сердечниками значительно улучшает теплоотвод, снижая вес и стоимость, одновременно сохраняя диэлектрическую прочность — что делает ее подходящей для применений с изоляцией ≥10 кВ.

1.2 Модульный дизайн и экранирование электрического поля с использованием заземленной лицевой проволоки

• Модули высоковольтных и низковольтных обмоток отдельно заливаются и затем собираются на единице сердечника. Между модулями поддерживаются воздушные зазоры для облегчения сборки и охлаждения, а поврежденные модули можно заменять по отдельности при возникновении неисправностей, что повышает ремонтопригодность.

• На внутренней и внешней сторонах высоковольтной обмотки вводятся экраны электрического поля на основе заземленной лицевой проволоки. Это ограничивает высокочастотное электрическое поле в основном в области, заливаемой эпоксидной смолой с высокой диэлектрической прочностью, значительно снижая риск частичных разрядов (ЧР) без необходимости чрезмерного увеличения расстояния между обмотками исключительно для подавления электрического поля.

• Экранный слой из лицевой проволоки может быть оставлен открытым с одноточечным заземлением, достигая формирования электрического поля, при этом избегая значительных потерь от вихревых токов. Вентиляционные каналы между обмотками и сердечником сохраняются, обеспечивая полу-вентилируемое охлаждение и миниатюризацию одновременно.

1.3 Сегментированные обмотки и формирование электрического поля

• К изоляционному бобину добавляются коаксиальные рукава и сегментированные ребра, позволяющие первичные и вторичные обмотки чередовать в "сегментных группах". Это значительно снижает градиенты напряжения между слоями и эквивалентную паразитную емкость, подавляя проводимые ЭМИ и улучшая равномерность распределения напряжения.

• Количество сегментов n и количество слоев определяются аналитическими или эмпирическими формулами (например, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, где k₁ — минимальное значение среди отношений собственной емкости первичной/вторичной обмоток и взаимной емкости), достигая оптимального компромисса между объемом, индуктивностью утечки и паразитной емкостью — идеально для работы с высокой мощностью, высоким напряжением и высокой частотой.

1.4 Композитные обмотки и интегрированное водяное охлаждение

• Сердечник разделен на две зоны обмотки. Используется композитный подход к обмотке: первая композитная обмотка (например, первичная) наматывается от внутренних слоев к внешним с резервированием выводов; затем, во второй зоне, вторая композитная обмотка (например, вторичная) наматывается в обратном направлении с использованием зарезервированных выводов. Это расширяет зазоры между слоями и снижает остаточный заряд, повышая надежность и срок службы при высоком напряжении.

• На наружной стенке сердечника фрезеруются пазы для интеграции бесконтактных каналов водяного охлаждения, улучшая тепловые характеристики без риска механического повреждения при сборке. Композитная изоляция использует ламинаты PI/PTFE, расположенные в ступенчатой конфигурации, для обеспечения достаточного расстояния по поверхности и качественного заполнения заливкой.

1.5 Новые методы намотки и пути управления потерями

Вводится технология намотки PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): через оптимизированную топологию и расположение обмоток значительно подавляются эффекты поверхностного и близкого расположения, и, следовательно, потери при высокой частоте. Это позволяет достичь коэффициента связи >99,5% в сообщенных случаях, а также способности к изоляции 10 кВ, управляемой индуктивности утечки и низкой распределенной емкости — что делает ее подходящей для специализированных применений с высоким напряжением и высокой частотой в диапазоне 30–400 кВт, 4–50 кГц.

2. Общие конструкции обмоток для трансформаторов высокого напряжения и высокой частоты класса 10 кВ

2.1 Основные конфигурации обмоток и сценарии применения

• Многослойные цилиндрические: зрелый процесс производства; легко вставлять межслойную изоляцию и вентиляционные каналы; подходят для среднего и высокого напряжения непрерывных обмоток.

• Многосегментные слоистые: несколько осевых сегментов, разделенных кольцами изоляционной бумаги; эффективно снижают градиент напряжения между слоями и концентрацию поля; обычно используются в высоковольтных обмотках для снижения частичных разрядов.

• Непрерывные (дисковые): состоят из нескольких дисковых секций, насаженных осью; обеспечивают хорошую механическую прочность и тепловые характеристики; подходят для применения с высокой мощностью и более высоким напряжением.

• Двойные дисковые: два диска в группе, соединенные последовательно/параллельно; идеальны для высокотоковых или специальных высоковольтных обмоток.

• Спиральные: одинарные/двойные/четверные спирали; простая конструкция; подходят для высокотоковых низковольтных обмоток или обмоток с переключением под нагрузкой; ограничены в количестве витков.

• Алюминиевая фольга цилиндрическая: один виток на слой с использованием алюминиевой фольги; высокая плотность использования пространства и удобство для автоматизации; подходит для малых и средних ВН обмоток.

Это стандартные структуры ВН обмоток в силовых трансформаторах, которые часто адаптируются или улучшаются для трансформаторов высокого напряжения высокой частоты класса 10 кВ для повышения изоляции и тепловых характеристик.

2.2 Типичные компоновки и процессы для высоковольтных высокочастотных применений

• Концентрическая цилиндрическая (слоистая) компоновка: ВН обмотка внутри, НН снаружи (или наоборот); многослойная конструкция с межслойной изоляцией для распределения высоких потенциальных разностей; может использоваться сегментированная компоновка для оптимизации распределения электрического поля и характеристик частичных разрядов.

• Сегментация и чередование: ВН обмотка разделена на несколько катушек и расположена в чередующемся/сегментированном порядке, чтобы снизить градиент напряжения между слоями и паразитную емкость, подавить проводимые ЭМП и улучшить равномерность напряжения.

• Фарадеевское и электростатическое экранирование: медная фольга или проводящие слои помещаются между первичной/вторичной обмотками или вокруг обмоток, заземлены в одной точке, чтобы снизить общемодовую емкость и шумы связи; экранирование должно соответствовать ширине обмотки и избегать острых краев, которые могут привести к пробою изоляции.

• Оптимизация проводника и плотности тока: предпочтение отдается литц-проводу, многожильным проводникам или медной фольге для ВН/высокоамперных вторичных обмоток, чтобы подавить эффекты кожи и близости, снизить активное сопротивление переменного тока (Rac) и потери в меди; плотность тока (J) и температурный подъем контролируются в пределах окна и норм безопасности.

• Изоляция и дизайн ползучести: использование барьеров, концевых маргиналий, терминалов с оболочкой и комбинированной межслойной/межобмоточной изоляции; расстояние ползучести и зазор проектируются в соответствии со степенью загрязнения и классом напряжения; может применяться вакуумная пропитка/заливка для повышения диэлектрической прочности и теплопроводности.

Эти вопросы компоновки и процесса тесно связаны с балансировкой уровня изоляции, паразитных параметров и мощности — ключевые факторы для достижения надежной изоляции 10 кВ в инженерной практике.

2.3 Методы реализации высоковольтного вторичного выхода (сильно зависят от структуры обмотки)

• Умножение напряжения выпрямлением: многоступенчатое удвоение напряжения на стороне выпрямителя значительно снижает напряжение и паразитную емкость на каждом этапе обмотки, облегчая проектирование изоляции. Однако это чувствительно к переходным процессам/коротким замыканиям нагрузки и склонно к скачкам тока. На практике обычно используют не более двух ступеней, требуя стратегий ограничения тока и защиты.

• Серийное/параллельное соединение: вторичная обмотка разбивается на несколько пакетов катушек, которые внутренне или после выпрямителя соединяются последовательно/параллельно, чтобы достичь желаемого напряжения/мощности. Все пакеты делят одну магнитную цепь, что способствует модульной конструкции и балансировке напряжения — идеально для высокой мощности.

Оба метода требуют интегрированного проектирования с сегментацией обмотки, экранированием и окнами изоляции для балансировки напряжения, эффективности, ЭМП и тепловых характеристик.

2.4 Руководство по выбору конструкций (быстрый инженерный справочник)

• Приоритетное внимание к равномерности электрического поля и контролю частичных разрядов: предпочтение отдается сегментированным или непрерывным (диск-тип) ВН обмоткам, сочетанию с фарадеевским экранированием, концевыми маргиналиями и барьерами; рекомендуется вакуумная пропитка/заливка при необходимости.

• Приоритетное внимание к высокому току и низким потерям меди: использование литц-провода или медной фольги для вторичной обмотки; применение чередующихся или сэндвич-обмоток внутри для минимизации утечки индуктивности и Rac; усиление внешнего экранирования и изоляции.

• Приоритетное внимание к сборке и обслуживанию: использование модульных вторичных пакетов катушек с последовательными/параллельными соединениями для легкого балансирования напряжения, тестирования и изоляции неисправностей; выбор умножения напряжения выпрямлением (≤2 ступени) или последовательного/параллельного соединения на стороне выпрямителя в зависимости от мощности и требований к переходным процессам.