Inovativne in skupne strukture ovitev za 10kV visokonapetostne visokočastotne transformatorje

1.Inovativne navijalne strukture za transformatorje visoke napetosti in visoke frekvence razreda 10 kV

1.1 Zoned in delno potopljena ventilirovana struktura

• Dva U-oblikovana feritna jedra se združita v enotno magnetojedrsko enoto ali pa se lahko nadalje sestavita v serijne/serijsko-paralelne modulnike jedrih. Primarna in sekundarna bobina sta nameščeni na levi in desni pravi nogi jedra, z mejo med njima kot ravnino združevanja jedra. Navijalnice istega tipa so združene na isti strani. Za material navijanja se uporablja Litz žica, da se zmanjšajo izgube pri visoki frekvenci.

• Samo visokonapetostna navijalnica (ali primarno) je popolnoma potopljena z epoksidno smolo. Med primarno in jedro/sekundarno je vstavljena PTFE ploščica, da se zagotovi zanesljiva izolacija. Površina sekundarne je opakirana z izolacijskim papirjem ali trakom.

• Z ohranjanjem ventilacijskih kanalov (razmikov med navijalnicami in med sekundarnimi navijalnicami na levi in desni nogi) ter razmikov med magnetnimi jedri ta oblika znatno izboljša odvajanje toplote, zmanjša težo in stroške, hkrati pa ohranja dielektrično čvrsto, kar je primeren za uporabo z ≥10 kV izolacijo.

1.2 Modulski dizajn in zaslon električnega polja z Litz žico, ki je zazemljena

• Moduli visokonapetostnih in nizkonapetostnih navijalnic so ločeno potopjeni in nato sestavljeni na enotno jedro. Med moduli se ohranjajo zračni razmiki, da se omogoči sestavljanje in hlajenje, poškodovane module je mogoče posebej zamenjati ob napakah, kar izboljša vzdrževanje.

• Na notranji in zunanjici visokonapetostne navijalnice se uvedejo sloji zaslova električnega polja, temelječi na zazemljene Litz žice. To omejuje visokofrekvenčno električno polje predvsem v območju visoke dielektrične čvrsti, potopljenem z epoksidno smolo, z znatnim zmanjšanjem tveganja delne razsevanosti (PD) brez potrebe po prevelikih razmikih med navijalnicami samo za utiševanje električnega polja.

• Sloj zaslova Litz žice se lahko zapre z enojno točkovno zazemljenostjo, kar omogoča oblikovanje električnega polja, hkrati pa se izogiba velikim eddijevim tokom. Ventilacijski kanali so ohranjeni med navijalnicami in jedrom, kar omogoča polventilacijsko hlajenje in hkrati miniaturizacijo.

1.3 Razdeljene navijalnice in oblikovanje električnega polja

• K izolacijski bobini se dodata koaksialni rokavi in segmentni reber, kar omogoča, da se primarna in sekundarna navijalnica prepletita v "segmentnih skupinah". To znatno zmanjša gradient napetosti med plastmi in ekvivalentno parazitično kapacitivnost, zmanjša vodljive EMI in izboljša enakomerno porazdelitev napetosti.

• Število segmentov n in število plastov se določita z analitičnimi ali empiričnimi formulami (npr. n = −15,38·lg k₁ − 18,77, kjer je k₁ najmanjša vrednost med samokapacitivnostjo primarne/sekundarne in medsebojno kapacitivnostjo), kar doseže optimalno ravnotežje med prostornino, iztekle induktivnosti in parazitično kapacitivnostjo - idealno za operacije visoke moči, visoke napetosti in visoke frekvence.

1.4 Kompozitne navijalnice in integrirano vodno hlajenje

• Jedro je razdeljeno na dve območji navijanja. Uporablja se pristop kompozitnega navijanja: prvo kompozitno navijanje (npr. primarno) se navije od notranjih do zunanjihih plastov z rezerviranimi vodiči; nato, v drugem območju, se drugo kompozitno navijanje (npr. sekundarno) navije obratno z uporabo rezerviranih vodičev. To razširi razmike med plastmi in zmanjša ostanek naboja, kar izboljša zanesljivost in življenjsko dobo visokonapetostnih naprav.

• Na zunanji steni jedra se izrezajo premikne sloti za integriranje nekontaktnih vodnih hlajenjskih kanalov, kar izboljša termično zmogljivost brez tveganja mehanske poškodbe med sestavljanjem. Kompozitna izolacija uporablja PI/PTFE laminate, postavljene v stopnjevito konfiguracijo, da se zagotovi zadostna razdalja plaziranja in visokokakovostno potopljeno izpolnjevanje.

1.5 Novi navijalski postopki in poti kontrole izgub

Tehnologija navijanja PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) je uvedena: z optimizirano topologijo in razporeditvijo navijanja so znatno utišane kožna in blizujska učinka - in s tem izgube pri visoki frekvenci. V poročenih primerih se doseže učinkovitost kople >99,5%, skupaj z sposobnostjo izolacije 10 kV, nadzorno iztekljo induktivnostjo in nizko distribuirano kapacitivnostjo - kar je primeren za prilagojene uporabe 30–400 kW, 4–50 kHz visokonapetostnih visokofrekvenčnih aplikacij.

2. Običajne navijalne strukture za transformatorje visoke napetosti in visoke frekvence razreda 10 kV

2.1 Osnovne konfiguracije navijanja in uporabni scenariji

• Večplastni valjkasti: zrel proizvodni postopek; lažje vstaviti interplastno izolacijo in hlajenjske kanale; primeren za zvezno navijanje srednje do visoke napetosti.

• Večsegmentni slojevi: več osnih segmentov, ločenih z kolci izolacijskega papirja; učinkovito zmanjša gradient napetosti med plastmi in koncentracijo polja; pogosto uporabljen v visokonapetostnih navijalnicah za zmanjšanje delne razsevanosti.

• Zvezno (diskasta): sestavljena iz več diskastih odsekov, nanizanih osno; ponuja dobro mehansko trdoto in termično zmogljivost; primeren za uporabe visoke kapacitivnosti in višje napetosti.

• Dvojni disk: dva diska na skupino, povezana serijno/paralelno; idealen za visokotokužne ali posebne namene visokonapetostnih navijalnic.

• Helikalni: enojni/dvojni/štirikratni heliks; preprosta struktura; primeren za visokotokužne nizkonapetostne navijalnice ali navijalnice za spreminjanje odbojnikov pod nalogom; omejen v številu navijanj.

• Aluminijeva folija valjkasta: Ena zavitek na sloj z uporabo aluminijeve folije; visoka izkoriščenost prostora in prijaznost za avtomatizacijo; primerno za manjše in srednje HV vikove.

To so standardne strukture HV vikov v močnih transformatorjih in so pogosto prilagožene ali izboljšane za 10 kV-razred visokonapetostnih visokočastotnih transformatorjev, da se izboljša izolacija in toplotna zmogljivost.

2.2 Tipični razporedi in postopki vikanja za visokonapetostne visokočastotne aplikacije

• Koncentrična valjkasta (slojska) razporeditev: VH vik notranji, NV zunanji (ali obratno); večslojna konstrukcija z mehursko izolacijo med sloji za porazdelitev visokih potencialnih razlik; segmentirana razporeditev se lahko uporablja za optimizacijo porazdelitve električnega polja in PD zmogljivosti.

• Segmentacija in prepletanje: VH vik je razdeljen na več navojnic in razporejen v prepletan/segmentiran način, da se zmanjša gradient napetosti med sloji in parazitna kapacitivnost, potisne EMI in izboljša enakomernost napetosti.

• Faradayeva in elektrostatska ščitila: Bakreni folija ali vodljivi sloji so postavljeni med primarno/sekundarno ali okoli vikov, zemljeni na eni točki, da se zmanjša skupna kapacitivnost in povezovanje hrupa; ščitilo mora ujemati širino vika in izbežati ostre robove, ki bi lahko prebili izolacijo.

• Optimizacija vodnika in gostote toka: Litz žice, pleščeni vodniki ali bakrene folije so bolj priljubljeni za VH/višjetok sekundarne, da se zmanjšajo efekti kože in bližine, zmanjša AC upornost (Rac) in gubitke bakrena; gostota toka (J) in temperaturno dviganje sta kontrolirana znotraj okna in varnostnih predpisov.

• Izolacija in nihanje: Uporaba preprek, robnih obrokov, zakrnjenih terminalov in kombinirane mehurske/medvikovne izolacije; razdalja nihanja in prostor so oblikovani glede na stopnjo onesnaženosti in razred napetosti; vakuum impregnacija/potting se lahko uporablja za izboljšanje dielektrične trdosti in toplotne vodljivosti.

Ti razporedi in postopki so tesno povezani z uravnoteženjem ravnine izolacije, parazitnih parametrov in močne ocene - ključno za dosego zanesljive 10 kV izolacije v inženirske praksi.

2.3 Metode implementacije visokonapetostnega sekundarnega izhoda (močno odvisne od strukture vikanja)

• Množitelj napetosti pravokotnega pravilnika: Večstopnična podvojitvena napetost na strani pravokotnega pravilnika zelo zmanjša stres napetosti in parazitno kapacitivnost po vsaki fazi vikanja, lahkota oblikovanju izolacije. Vendar je občutljiv na pretok naloza/krajev in podvržen hujskim tokom. V praksi se običajno uporabljata največ dve stopnji, zahtevata strategije omejevanja toka in zaščite.

• Zaporedna/paralelna kombinacija: Sekundarna je razdeljena na več paketov navojnic, ki so notranje ali po pravokotnem pravilniku povezani zaporedno/paralelno, da se doseže željena napetost/moč. Vsi paketi delijo isto magnetno vez, kar omogoča modulsko oblikovanje in uravnoteženje napetosti - idealno za visokomerno izhod.

Oba metoda zahtevata integrirano oblikovanje z segmentacijo vikanja, ščitila in izolacijskimi okni, da se uravnoteži stres napetosti, učinkovitost, EMI in toplotna zmogljivost.

2.4 Smernice za izbiro strukture (hitra inženirska referenca)

• Prednostno merilo enakomerne porazdelitve električnega polja in nadzor PD: Prednostno dajejo segmentiranim ali zveznim (disk tip) VH vikom, kombiniranim z Faradayevim ščitilom, robnimi obroki in preprekami; vakuum impregnacija/potting je priporočena, kadar je potrebno.

• Prednostno merilo visokim tokom in nizkim bakrenim gubitkom: Uporabite Litz žice ali bakrene folije za sekundarno; uporabite prepletane ali sendvična vikanja notranje, da zmanjšate iztekanje indukcije in Rac; posodobite zunanjega ščitila in izolacije.

• Prednostno merilo montaži in vzdrževanju: Uvedite modulsko sekundarno pakete navojnic z zaporednimi/paralelnimi povezavami za lažje uravnoteženje napetosti, testiranje in izolacijo napak; izberite množitelj napetosti pravokotnega pravilnika (≤2 stopnji) ali zaporedna/paralelna kombinacija na strani pravokotnega pravilnika glede na moč in zahteve za prehodne stanje.