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.
Вход
