Inovativne i uobičajene strukture ovinjanja za 10kV visokonaponske visokofrekvencijske transformere

1.Inovativne strukture obmotanja za transformere visokog napona i visoke frekvencije klase 10 kV

1.1 Zonirana i delimično zaliha ventilirovana struktura

• Dva U-oblikovana feritna jezgra su spojena kako bi formirali jedinicu magnetskog jezgra, ili dalje sastavljena u serijalne/serijalno-paralelne modul jezgra. Primarni i sekundarni bobini su montirani na levoj i desnoj pravoj nogi jezgra, odnosno ravnina spajanja jezgra služi kao granični sloj. Obmotaji istog tipa su grupisani na istoj strani. Za materijal obmotanja se preferira Litz žica kako bi se smanjile gubitke visoke frekvencije.

• Samo visokonaponski obmot (ili primarni) je potpuno zalijevan epoksidnom smolom. Među primarnim i jezgrima/sekundarnim je umetnut PTFE list kako bi se osigurala pouzdana izolacija. Sekundarna površina je omotana izolacionim papirom ili trakom.

• Zadržavanjem ventilacionih kanala (razmaka između obmotaja i između sekundarnih obmotaja na levoj i desnoj nogi) i razmaka između magnetskih jezgara, ovaj dizajn značajno poboljšava otklanjanje toplote dok smanjuje težinu i troškove, sve dok održava dielektričnu čvrstoću—čime je pogodan za primene sa izolacijom ≥10 kV.

1.2 Modularni dizajn i zemljeni Litz žice štit od električnog polja

• Visokonaponski i niskonaponski moduli obmotanja su posebno zalijevani i zatim montirani na jedinicu jezgra. Između modula se održavaju vazdušni razmaci kako bi se olakšao montaža i hlađenje, a oštećeni moduli mogu biti zamenjeni pojedinačno tokom grešaka, unapređujući održivost.

• Uvedeni su slojevi štita od električnog polja temeljena na zemljenim Litz žicama na unutrašnjoj i spoljašnjoj strani visokonaponskog obmotanja. Ovo ograničava visokofrekventno električno polje uglavnom unutar regiona zalijevanja epoksidnom smolom visoke dielektrične čvrstoće, značajno smanjujući rizik od djelomičnog iskretanja (PD) bez potrebe za prekomernim razmakom obmotanja samo za smanjenje električnog polja.

• Sloj štita od Litz žice može ostati otvoreni krug sa jednotočkovnim zemljenjem, postižući oblikovanje električnog polja dok se izbegavaju značajni gubitci vrtloga struje. Ventilacioni kanali su zadržani između obmotaja i jezgra, omogućavajući poluventilaciono hlađenje i miniaturizaciju istovremeno.

1.3 Segmenatno obmotanje i oblikovanje električnog polja

• Dodane su koaksijalne rukave i segmentirane rebarice na izolacionu bobinu, omogućavajući da se primarni i sekundarni obmotaji međusobno preklapaju u "segmentne grupe." Ovo značajno smanjuje gradijente naponskih slojeva i ekvivalentnu parazitnu kapacitetnost, smanjujući vodičku EMI i poboljšavajući uniformnost raspodele napona.

• Broj segmenata n i broj slojeva određuju se analitičkim ili empirijskim formulama (npr., n = −15.38·lg k₁ − 18.77, gde je k₁ najmanja vrednost među samokapacitetnosti primarnog/sekundarnog i međukapacitetnosti), postižući optimalnu kompromis između zapremine, induktivnosti curenja i parazitne kapacitetnosti—idealno za rad sa visokom snalom, visokim naponom i visokom frekvencijom.

1.4 Kompozitna obmotanja i integrirano vodeno hlađenje

• Jezgro je podeljeno na dve zone obmotanja. Koristi se kompozitni pristup obmotanju: prvo kompozitno obmotanje (npr., primarno) se obmotava od unutrašnjih do spoljašnjih slojeva sa rezervisanim vodnicima; zatim, u drugoj zoni, drugo kompozitno obmotanje (npr., sekundarno) se obmotava obrnutim smerom koristeći rezervisane vodnice. Ovo širi razmake između slojeva i smanjuje ostatak naelektrisanja, unapređujući pouzdanost i vreme trajanja visokonaponskih sistema.

• Izrađeni su relefni jarezi na spoljašnjoj zidini jezgra kako bi se integrisali nekontaktni vodeni hlađeći kanali, poboljšavajući termalne performanse bez rizika od mehaničkog oštećenja tokom montaže. Kompozitna izolacija koristi PI/PTFE laminat raspoređen u stepenastu konfiguraciju kako bi se osiguralo adekvatan rastojanje između slojeva i visokokvalitetno zalijevanje.

1.5 Novi tehnici obmotanja i putanje kontrole gubitaka

UVođena je PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) tehnologija obmotanja: kroz optimizovanu topologiju i raspored obmotanja, efekti kože i blizine—i time gubitci visoke frekvencije—su značajno smanjeni. To postiže efikasnost kopiranja >99.5% u prijavljenim slučajevima, zajedno sa sposobnošću izolacije 10 kV, kontrolisanom induktivnošću curenja i niskom distribuiranom kapacitetom—čime je pogodno za prilagođene primene 30–400 kW, 4–50 kHz visokonaponskih i visokofrekventnih sistema.

2. Zajedničke strukture obmotanja za transformere visokog napona i visoke frekvencije klase 10 kV

2.1 Osnovne konfiguracije obmotanja i scenariji primene

• Više slojeva cilindričnog oblika: Zreli proces proizvodnje; lako se ubacuje izmeđuslojna izolacija i hlađeći kanali; pogodno za srednje do visoke naponske kontinualne obmotaje.

• Više segmentnih slojeva: Više aksijalnih segmenata razdvojenih prstenovima izolacionog papira; efektivno smanjuje gradijent naponskih slojeva i koncentraciju polja; često se koristi u HV obmotajima kako bi se smanjilo djelomično iskretanje.

• Kontinualni (diskasti): Sastoje se od više diskastih sekcija stavljenih aksijalno; nude dobru mehaničku čvrstoću i termalne performanse; pogodni za primene sa visokom snalom/višim naponom.

• Dvo-diskasti: Dva diska po grupi, povezana serijalno/paralelno; idealni za visokostrujne ili specijalne HV obmotaje.

• Helikalni: Jedno/dvostruki/četvorostihi; jednostavna struktura; pogodni za visokostrujne LV obmotaje ili obmotaje za promenu napona pod opterećenjem; ograničeni u broju zavojaka.

• Aluminijumska folija cilindrična: Jedan zavoj po sloju koristeći aluminijumske folije; visoka iskorišćenost prostora i prijateljska prema automatizaciji; pogodna za male i srednje HV navoje.

Ovo su standardne strukture HV navoja u električnim transformatorima i često se prilagođavaju ili unapređuju za transformatore sa visokim naponom i visokom frekvencijom klase 10 kV kako bi se poboljšala izolacija i termalna performansa.

2.2 Tipični rasporedi i procesi navoja za primene visokog napona i visoke frekvencije

• Koncentrični cilindrični (slojeviti) raspored: HV navoj unutra, LV van (ili obrnuto); više-slojni dizajn sa međuslojnom izolacijom za distribuciju visokih potencijalnih razlika; segmentirani raspored može se koristiti kako bi se optimiziralo raspodela električnog polja i PD performanse.

• Segmentacija i interlacing: HV navoj podeljen na više koila i raspoređen na alterno/segmentirani način kako bi se smanjio gradijent napona između slojeva i parazitna kapacitet, supresirana vodička EMI, i poboljšana uniformnost napona.

• Faradejeve i elektrostatičke štitove: Bakarna folija ili provodljivi slojevi smješteni između primarnog/sekundarnog ili oko navoja, zemljeni na jednu tačku, kako bi se smanjila zajednička kapacitet i šum kopliranja; štitovi moraju odgovarati širini navoja i izbegavati oštre ivice koje bi mogle probiti izolaciju.

• Optimizacija provodnika i gustoće struje: Litz žica, plešnjaci ili bakarna folija preferirani su za HV/više-strujne sekundarne kako bi se supresirali efekti kože i blizine, smanjena AC otpornost (Rac) i gubitci bakra; gustoća struje (J) i porast temperature kontrolisani su unutar okvira i granica bezbednosti.

• Izolacija i dizajn kripanja: Korišćenje barijera, krajeva margina, terminala sa rukavama i kombinovane međuslojne/međunavojne izolacije; udaljenost kripanja i prostrano razmak dizajnirani su prema stepenu zagađenja i klasi napona; vakuum impregnacija/potovanje može se primijeniti kako bi se poboljšala dielektrička snaga i termalna provodljivost.

Ove posmatranja o rasporedu i procesu tesno su vezani za balansiranje razine izolacije, parazitnih parametara i snage - ključno za postizanje pouzdanog izolovanja od 10 kV u inženjerskoj praksi.

2.3 Metode implementacije visokonaponskog sekundarnog izlaza (silno zavisne o strukturi navoja)

• Višestruko množenje napona rektifikacijom: Višestruko množenje napona na strani rektifikacije značajno smanjuje stres i parazitnu kapacitet po etapi navoja, olakšavajući dizajn izolacije. Međutim, osjetljivo je na prekid opterećenja/kratkih spojeva i podložno talasima struje. U praksi se obično ne koristi više od dvije etape, zahteva strategije ograničavanja struje i zaštite.

• Serijalni/paralelni kombinacije: Sekundarni se deli na više paketa koila, koji su unutra ili nakon rektifikacije povezani serijalno/paralelno kako bi se dostigao željeni napon/snaga. Svi paketi dele isti magnetni krug, što omogućava modularni dizajn i balansiranje napona - idealno za visoku snagu izlaza.

Oba metoda zahtevaju integrirani dizajn sa segmentacijom navoja, štitovima i prozorima izolacije kako bi se balansirao stres napona, efikasnost, EMI i termalna performansa.

2.4 Smernice za odabir strukture (Brzi inženjerski referentni materijal)

• Prioritet ravnomernosti električnog polja i kontrole PD: Preferirajte segmentirane ili kontinuirane (disk tipa) HV navoje, kombinirane sa Faradejevim štitovima, krajevima margina i barijerama; vakuum impregnacija/potovanje preporučljiva kada je potrebno.

• Prioritet visokoj struji i niskim gubitcima bakra: Koristite Litz žicu ili bakarnu foliju za sekundarne; upotrebite interlaced ili sandwich navoje unutra kako bi se smanjila izbijanja indukcije i Rac; jačajte spoljnje štitove i izolaciju.

• Prioritet montaži i održavanju: Usvojite modularne sekundarne pakete koila sa serijalnim/paralelnim spojevima za lakše balansiranje napona, testiranje i izolaciju grešaka; odaberite višestruko množenje napona rektifikacijom (≤2 etape) ili serijalni/paralelni kombinacije na strani rektifikacije prema snazi i prekidnim zahtevima.