Các Cấu trúc Quấn Mạch Đột Phá và Phổ Biến cho Máy Biến áp Cao Tần 10kV

1.Cấu trúc cuộn dây sáng tạo cho biến áp cao áp tần số cao lớp 10 kV

1.1 Cấu trúc thông gió phân vùng và được đổ một phần

• Hai lõi ferrit hình U được ghép lại để tạo thành một đơn vị lõi từ, hoặc được lắp ráp thêm thành các mô-đun lõi nối tiếp/nối tiếp song song. Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được gắn trên chân thẳng bên trái và phải của lõi, tương ứng, với mặt phẳng ghép lõi làm lớp biên. Các cuộn dây cùng loại được nhóm lại ở cùng một bên. Dây Litz được ưa chuộng làm vật liệu cuộn dây để giảm tổn thất tần số cao.

• Chỉ cuộn dây cao áp (hoặc sơ cấp) được đổ hoàn toàn bằng nhựa epoxy. Một tấm PTFE được chèn giữa cuộn sơ cấp và lõi/cuộn thứ cấp để đảm bảo cách điện đáng tin cậy. Mặt cuộn thứ cấp được bọc bằng giấy hoặc băng cách điện.

• Bằng cách giữ lại các kênh thông gió (khoảng cách giữa các cuộn dây và giữa cuộn thứ cấp trên chân trái và phải) và khoảng cách giữa các lõi từ, thiết kế này cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt trong khi giảm trọng lượng và chi phí, đồng thời duy trì độ bền điện—làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng cách ly ≥10 kV.

1.2 Thiết kế mô-đun và che chắn điện trường bằng dây Litz có nối đất

• Các mô-đun cuộn dây cao áp và thấp áp được đổ riêng biệt và sau đó được lắp ráp lên đơn vị lõi. Các khe hở không khí được duy trì giữa các mô-đun để thuận tiện cho việc lắp ráp và làm mát, và các mô-đun bị hỏng có thể được thay thế riêng lẻ trong trường hợp hỏng hóc, tăng cường khả năng bảo dưỡng.

• Các lớp che chắn điện trường dựa trên dây Litz có nối đất được giới thiệu ở cả hai bên trong và bên ngoài cuộn dây cao áp. Điều này hạn chế điện trường tần số cao chủ yếu trong khu vực được đổ bằng nhựa epoxy có độ bền điện cao, giảm đáng kể nguy cơ phóng điện cục bộ (PD) mà không cần khoảng cách cuộn dây quá lớn chỉ để dập tắt điện trường.

• Lớp che chắn dây Litz có thể được để mở mạch với nối đất điểm duy nhất, đạt được hình dạng điện trường trong khi tránh tổn thất dòng xoáy đáng kể. Các kênh thông gió được bảo tồn giữa các cuộn dây và lõi, cho phép làm mát bán thông gió và thu nhỏ kích thước đồng thời.

1.3 Cuộn dây phân đoạn và tạo hình điện trường

• Các ống đồng trục và gân phân đoạn được thêm vào bobin cách điện, cho phép cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được xen kẽ theo "nhóm phân đoạn." Điều này giảm đáng kể gradient điện áp giữa các lớp và điện dung ký sinh tương đương, dập tắt nhiễu điện từ dẫn truyền và cải thiện sự phân phối đều của điện áp.

• Số phân đoạn n và số lớp được xác định qua các công thức phân tích hoặc kinh nghiệm (ví dụ: n = −15.38·lg k₁ − 18.77, trong đó k₁ là giá trị tối thiểu giữa tỷ lệ tự điện dung và điện dung tương hỗ của cuộn sơ cấp/thứ cấp), đạt được sự cân nhắc tối ưu giữa thể tích, cảm ứng rò rỉ và điện dung ký sinh—phù hợp cho hoạt động công suất cao, điện áp cao, tần số cao.

1.4 Cuộn dây tổng hợp và làm mát bằng nước tích hợp

• Lõi được chia thành hai khu vực cuộn dây. Phương pháp cuộn dây tổng hợp được sử dụng: cuộn dây tổng hợp đầu tiên (ví dụ, sơ cấp) được cuộn từ lớp trong ra ngoài với các dây dẫn được giữ lại; sau đó, trong khu vực thứ hai, cuộn dây tổng hợp thứ hai (ví dụ, thứ cấp) được cuộn ngược lại bằng các dây dẫn được giữ lại. Điều này mở rộng khoảng cách giữa các lớp và giảm điện tích dư, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của điện áp cao.

• Các khe giảm tải được gia công trên tường lõi ngoài để tích hợp các kênh làm mát bằng nước không tiếp xúc, cải thiện hiệu suất nhiệt mà không gây nguy cơ hỏng hóc cơ học trong quá trình lắp ráp. Cách điện tổng hợp sử dụng các tấm PI/PTFE được sắp xếp theo cấu hình bậc thang để đảm bảo khoảng cách bò đủ và chất lượng đổ đầy tốt.

1.5 Kỹ thuật cuộn dây mới và đường dẫn kiểm soát tổn thất

Công nghệ cuộn dây PDQB (Power Differential Quadrature Bridge) được giới thiệu: thông qua cấu trúc và bố trí cuộn dây tối ưu, hiệu ứng da và gần gũi—and do đó tổn thất tần số cao—được giảm đáng kể. Điều này đạt được hiệu quả kết hợp >99.5% trong các trường hợp được báo cáo, cùng với khả năng cách ly 10 kV, cảm ứng rò rỉ có thể kiểm soát, và điện dung phân tán thấp—làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng điện áp cao, tần số cao tùy chỉnh từ 30–400 kW, 4–50 kHz.

2. Cấu trúc cuộn dây phổ biến cho biến áp cao áp tần số cao lớp 10 kV

2.1 Cấu hình cuộn dây cơ bản và kịch bản ứng dụng

• Xylanh nhiều lớp: Quy trình sản xuất chín muỗm; dễ chèn cách điện và kênh làm mát giữa các lớp; phù hợp cho cuộn dây liên tục điện áp trung bình đến cao.

• Đa phân đoạn: Nhiều phân đoạn trục được tách biệt bởi các vòng cách điện; giảm hiệu quả gradient điện áp giữa các lớp và tập trung điện trường; thường được sử dụng trong cuộn dây HV để giảm thiểu phóng điện cục bộ.

• Liên tục (loại đĩa): Gồm nhiều phần đĩa được xếp chồng theo trục; cung cấp độ bền cơ học và hiệu suất nhiệt tốt; phù hợp cho các ứng dụng công suất cao/điện áp cao hơn.

• Đôi đĩa: Hai đĩa mỗi nhóm, được nối tiếp/song song; lý tưởng cho cuộn dây HV hiện tại cao hoặc mục đích đặc biệt.

• Hélix: Hélix đơn/đôi/tứ; cấu trúc đơn giản; phù hợp cho cuộn dây LV hiện tại cao hoặc cuộn dây thay đổi tap dưới tải; hạn chế về số vòng.

• Cuộn dây nhôm hình trụ: Một vòng mỗi lớp sử dụng giấy bạc nhôm; tận dụng không gian cao và thân thiện với tự động hóa; phù hợp cho cuộn dây HV nhỏ đến trung bình.

Đây là các cấu trúc cuộn dây HV tiêu chuẩn trong biến áp điện và thường được điều chỉnh hoặc cải tiến cho biến áp tần số cao cấp 10 kV để tăng cường cách điện và hiệu suất nhiệt.

2.2 Bố cục và quy trình cuộn dây điển hình cho ứng dụng tần số cao áp suất cao

• Bố trí đồng tâm hình trụ (tầng): Cuộn dây HV bên trong, LV bên ngoài (hoặc ngược lại); thiết kế nhiều tầng với cách điện giữa các tầng để phân phối chênh lệch điện thế cao; bố cục phân đoạn có thể được sử dụng để tối ưu hóa phân bố trường điện và hiệu suất PD.

• Phân đoạn và xen kẽ: Cuộn dây HV được chia thành nhiều cuộn và sắp xếp theo cách xen kẽ/phân đoạn để giảm độ dốc điện thế giữa các tầng và điện dung ký sinh, ngăn chặn EMI dẫn truyền, và cải thiện sự đồng đều của điện áp.

• Cách điện Faraday và tĩnh điện: Giấy bạc đồng hoặc lớp dẫn điện được đặt giữa sơ cấp/ thứ cấp hoặc xung quanh cuộn dây, nối đất tại một điểm duy nhất, để giảm điện dung chế độ chung và nhiễu kết hợp; lớp cách điện phải phù hợp với chiều rộng cuộn dây và tránh các cạnh sắc có thể làm thủng cách điện.

• Tối ưu hóa dây dẫn và mật độ dòng điện: Litz wire, dây dẫn sợi, hoặc giấy bạc đồng được ưa chuộng cho cuộn dây thứ cấp áp suất cao/dòng điện lớn để giảm thiểu hiệu ứng da/vị trí gần, giảm điện trở AC (Rac) và tổn thất đồng; mật độ dòng điện (J) và sự tăng nhiệt được kiểm soát trong giới hạn cửa sổ và quy định an toàn.

• Thiết kế cách điện và rò rỉ: Sử dụng hàng rào, lề cuối, đầu cắm có ống bảo vệ, và cách điện kết hợp giữa các tầng/cuộn dây; khoảng cách rò rỉ và khoảng cách cách điện được thiết kế theo mức độ ô nhiễm và lớp điện áp; có thể áp dụng ngâm chân không/đổ mồi để tăng cường sức mạnh điện môi và khả năng dẫn nhiệt.

Những cân nhắc về bố cục và quy trình này liên quan chặt chẽ đến việc cân bằng mức cách điện, các thông số ký sinh, và công suất định mức—quan trọng để đạt được cách ly 10 kV đáng tin cậy trong thực hành kỹ thuật.

2.3 Phương pháp triển khai cho đầu ra thứ cấp áp suất cao (Phụ thuộc mạnh vào cấu trúc cuộn dây)

• Chỉnh lưu nhân đôi điện áp: Nhân đôi điện áp nhiều giai đoạn ở phía chỉnh lưu giúp giảm đáng kể căng thẳng điện áp và điện dung ký sinh trên mỗi giai đoạn cuộn dây, dễ dàng thiết kế cách điện. Tuy nhiên, nó nhạy cảm với quá tải/ngắn mạch và dễ bị dòng điện xung. Trong thực tế, thường chỉ sử dụng không quá hai giai đoạn, yêu cầu chiến lược giới hạn dòng điện và bảo vệ.

• Kết hợp song song/loạt: Cuộn dây thứ cấp được chia thành nhiều gói cuộn, được kết nối nội bộ hoặc sau chỉnh lưu theo cách song song/loạt để đạt được điện áp/công suất mong muốn. Tất cả các gói chia sẻ cùng một mạch từ, tạo điều kiện cho thiết kế mô-đun và cân bằng điện áp—tốt cho đầu ra công suất cao.

Cả hai phương pháp đều yêu cầu thiết kế tích hợp với phân đoạn cuộn dây, cách điện và cửa sổ cách điện để cân bằng căng thẳng điện áp, hiệu quả, EMI, và hiệu suất nhiệt.

2.4 Hướng dẫn lựa chọn cấu trúc (Tham khảo kỹ thuật nhanh)

• Ưu tiên đồng đều trường điện và kiểm soát PD: Ưu tiên cuộn dây HV phân đoạn hoặc liên tục (kiểu đĩa), kết hợp với cách điện Faraday, lề cuối, và hàng rào; khuyến nghị ngâm chân không/đổ mồi khi cần thiết.

• Ưu tiên dòng điện lớn và tổn thất đồng thấp: Sử dụng Litz wire hoặc giấy bạc đồng cho cuộn dây thứ cấp; sử dụng cuộn dây xen kẽ hoặc kiểu sandwich nội bộ để giảm thiểu cảm ứng rò rỉ và Rac; tăng cường cách điện và cách điện bên ngoài.

• Ưu tiên lắp ráp và bảo trì: Áp dụng các gói cuộn dây thứ cấp mô-đun với kết nối song song/loạt để dễ dàng cân bằng điện áp, kiểm tra, và cô lập lỗi; chọn chỉnh lưu nhân đôi điện áp (≤2 giai đoạn) hoặc kết hợp song song/loạt ở phía chỉnh lưu dựa trên yêu cầu công suất và quá tải.