Інноваційні та типові структури витків для високочастотних трансформаторів напруги 10 кВ

1.Інноваційні витяжні структури для трансформаторів високого напруги високої частоти класу 10 кВ

1.1 Зонована і частково заповнена вентиляційна структура

• Два U-подібних феритових сердечника з'єднуються, щоб утворити магнітну середничну одиницю, або подальше з'єднуються в рядові/рядово-паралельні модулі сердечника. Первінні та вторинні бобіни монтується на лівій та правій прямих нозках сердечника відповідно, з площиною з'єднання сердечника як межевим шаром. Витяги однакового типу групуються на одному боці. Для матеріалу витягу переважно використовується ліцевий дріт, щоб зменшити втрати високої частоти.

• Лише високонапігний витяг (або первінний) повністю заповнюється епоксидною смолою. Між первінним і сердечником/вторинним вставляється аркуш ПТФЕ, щоб забезпечити надійну ізоляцію. Поверхня вторинного обгортається ізоляційною папером або стрічкою.

• Зберігання каналів вентиляції (проміжків між витягами та між вторинними витягами на лівій та правій нозках) та проміжків між магнітними сердечниками значно покращує теплообмін, зменшує вагу та вартість, при цьому зберігаючи електроізоляційну стійкість — що робить його придатним для застосувань ізоляції ≥10 кВ.

1.2 Модульний дизайн та екранизація електричного поля заземленим ліцевим дротом

• Модулі витягу високого та низького напруги окремо заповнюються та потім монтується на сердечникову одиницю. Між модулями зберігаються повітряні проміжки для сприяння монтажу та охолодження, а пошкоджені модулі можна окремо замінити під час аварій, що підвищує ремонтопридатність.

• Екрани заземленого ліцевого дроту вводяться з обох внутрішніх та зовнішніх сторін витягу високого напругу. Це обмежує високочастотне електричне поле переважно в регіоні епоксидної заповненості високої електроізоляційної стійкості, значно зменшуючи ризик часткового розряду (ЧР) без потреби надмірного відстанівання витягу лише для підавлення електричного поля.

• Екрани з ліцевого дроту можуть бути залишені відкритими з одноточковим заземленням, досягаючи формування електричного поля, але уникати значних втрат вихорчастого струму. Канали вентиляції зберігаються між витягами та сердечником, що дозволяє піввентиляційне охолодження та мініатюрізацію одночасно.

1.3 Сегментовані витяги та формування електричного поля

• На ізоляційну бобіну додаються коаксіальні рукави та сегментовані ребра, що дозволяє первінні та вторинні витяги переплетатися в "сегментні групи". Це значно зменшує градієнт напруги між шарами та еквівалентну паразитну ємність, підтримуючи проводимість ЕМІ та покращуючи рівномірність розподілу напруги.

• Кількість сегментів n та кількість шарів визначаються аналітичними або емпіричними формулами (наприклад, n = −15,38·lg k₁ − 18,77, де k₁ — мінімальна величина серед співвідношення самокапацитивності первінного/вторинного та взаємної капацитивності), досягаючи оптимального компромісу між об'ємом, витоковою індуктивністю та паразитною ємністю — ідеально для високопотужних, високонапігних, високочастотних операцій.

1.4 Композитні витяги та інтегроване водне охолодження

• Сердечник розділяється на дві зони витягу. Використовується підхід комозитного витягу: перший композитний витяг (наприклад, первінний) намотується від внутрішніх до зовнішніх шарів з зарезервованими зведеннями; потім, у другій зоні, другий композитний витяг (наприклад, вторинний) намотується в зворотньому напрямку, використовуючи зарезервовані зведення. Це розширює проміжки між шарами та зменшує залишковий заряд, підвищуючи надійність та тривалість високонапігних витягів.

• На зовнішній стінці сердечника вирізаються канавки для інтеграції безконтактних каналів водного охолодження, покращуючи теплові характеристики без ризику механічних пошкоджень під час монтажу. Композитна ізоляція використовує ламінати PI/PTFE, розташовані в ступінчастій конфігурації, щоб забезпечити достатню довжину плізма та високоякісне заповнення.

1.5 Нові методи намотки та шляхи контролю втрат

Вводиться технологія намотки PDQB (Power Differential Quadrature Bridge): через оптимізацію топології та розташування витягу, ефекти шкіри та близькості — і, таким чином, втрати високої частоти — значно підавляються. Це досягає коефіцієнту куплювання >99,5% в зазначених випадках, разом з здатністю ізоляції 10 кВ, керованою витоковою індуктивністю та низькою розподіленою ємністю — що робить її придатною для спеціалізованих застосувань високого напругу високої частоти в діапазоні 30–400 кВт, 4–50 кГц.

2. Звичайні витяжні структури для трансформаторів високого напругу високої частоти класу 10 кВ

2.1 Основні конфігурації витягу та сценарії застосування

• Багатошаровий циліндричний: зрілий процес виробництва; легко вставляти міжшарову ізоляцію та канали охолодження; придатний для середньо-високонапігних неперервних витягів.

• Багатосегментний шаровий: кілька аксіальних сегментів, розділених кільцями ізоляційного паперу; ефективно зменшує градієнт напруги між шарами та концентрацію поля; часто використовується в високонапігних витягах для зменшення часткового розряду.

• Неперервний (дископодібний): складається з кількох дископодібних секцій, насипаних аксіально; має хорошу механічну міцність та теплові характеристики; придатний для високопотужних/високонапігних застосувань.

• Подвійний диск: два диски на групу, з'єднані послідовно/паралельно; ідеальний для високострумових або спеціальних високонапігних витягів.

• Гвинтовий: одинарний/подвійний/четверний гвинт; проста конструкція; придатний для високострумових низьконапігних витягів або витягів зі зміною кількості витків під завантаженням; обмежений кількістю витків.

• Алюмінієва фольга циліндрична: один оберт на кожному шарі з використанням алюмінієвої фольги; висока коефіцієнт використання простору та прийнятна для автоматизації; підходить для невеликих та середніх ВВ намоток.

Це стандартні структури ВВ намоток у силових трансформаторах, які часто адаптуються або покращуються для трансформаторів високої частоти класу 10 кВ, щоб підвищити ізоляцію та теплові характеристики.

2.2 Типові розташування та процеси намоток для застосувань високої напруги та високої частоти

• Сумісне циліндричне (шарувате) розташування: ВВ намотка всередині, НН зовні (або навпаки); багатошарова конструкція з міжшаровою ізоляцією для розподілу великих потенційних різниць; може бути використано сегментоване розташування для оптимізації розподілу електричного поля та характеристик PD.

• Сегментація та чергування: ВВ намотка поділяється на кілька катушок та розташовується у чергованому/сегментованому порядку, щоб знизити градієнт напруги між шарами та паразитну ємність, приглушити проводимий EMI та поліпшити однорідність напруги.

• Екрани Фарадея та електростатичні: медна фольга або провідні шари розташовуються між первинною/вторинною намотками або навколо них, заземлені в одній точці, щоб знизити загальну ємність та зв'язок шумів; екранування повинно відповідати ширині намотки та уникати гострих країв, які можуть проколоти ізоляцію.

• Оптимізація провідника та густини струму: Літцеве дротовидне, жильчаті провідники або медна фольга є переважними для ВВ/великої струмової вторинної намотки, щоб приглушити ефекти шкіри та близькості, знизити опір AC (Rac) та втрати міді; густина струму (J) та підвищення температури контролюються в рамках вікон та норм безпеки.

• Ізоляція та проектування плину: використання бар'єрів, кінцевих меж, закріплених кінцевих контактів та поєднаної міжшарової/міжнамоткової ізоляції; відстань плину та відступ проектируються відповідно до ступеня забруднення та класу напруги; може бути застосована вакуумна пропитка/залиття для підвищення диелектричної міцності та теплопровідності.

Ці розташування та процеси є тісно пов'язаними з балансуванням рівня ізоляції, паразитних параметрів та потужності — ключовими факторами для досягнення надійної ізоляції 10 кВ в інженерній практиці.

2.3 Методи реалізації високонапігового вторинного виводу (сильнозалежні від структури намотки)

• Ректифікація з помножувачем напруги: багатоступенева подвійна напруга на стороні ректифікатора значно знижує напружений стрес та паразитну ємність на кожному етапі намотки, спрощуючи проектування ізоляції. Однак, воно чутливе до перехідних процесів/коротких замикань та піддане стрибкоподібним струмам. На практиці, зазвичай використовується не більше двох етапів, що вимагає стратегій обмеження струму та захисту.

• Послідовне/паралельне поєднання: вторинна намотка розбивається на декілька пакетів катушок, які внутрішньо або після ректифікатора з'єднуються послідовно/паралельно, щоб досягти бажаної напруги/потужності. Усі пакети мають спільний магнітний контур, що сприяє модульності дизайну та балансуванню напруги — ідеально для високопотужного виводу.

Обидва методи вимагають інтегрованого проектування з сегментацією намотки, екрануванням та вікнами ізоляції, щоб збалансувати напружений стрес, ефективність, EMI та теплові характеристики.

2.4 Рекомендації з вибору конструкції (Швидкий інженерний довідник)

• Пріоритетна рівномірність електричного поля та контроль PD: віддавайте перевагу сегментованим або неперервним (дискотипним) ВВ намоткам, поєднаним з екрануванням Фарадея, кінцевими межами та бар'єрами; рекомендується вакуумна пропитка/залиття, коли це необхідно.

• Пріоритетна висока струмовість та низькі втрати міді: використовуйте літцеве дротовидне або медну фольгу для вторинної намотки; використовуйте черговані або підкладкові намотки внутрішньо, щоб мінімізувати витокову індуктивність та Rac; підсилюйте зовнішнє екранування та ізоляцію.

• Пріоритетна збірка та обслуговування: використовуйте модульні пакети вторинних катушок з послідовним/паралельним з'єднанням для легкого балансування напруги, тестування та ізоляції дефектів; виберіть ректифікацію з помножувачем напруги (≤2 етапи) або послідовне/паралельне поєднання на стороні ректифікатора відповідно до потреб потужності та перехідних процесів.