Исследование оптимизации объема источника испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов на основе технологии магнитной интеграции

Источник испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов является ключевым оборудованием для контроля изоляции электрооборудования, широко применяемым для испытаний на частичные разряды трансформаторов, кабелей, комплектных распределительных устройств с элегазовым заполнением (КРУЭ) и другого высоковольтного оборудования. Его ключевыми требованиями являются низкий коэффициент искажения формы выходного сигнала и малый уровень частичных разрядов (обычно требуется ≤5 пКл), при этом необходимо удовлетворять требованиям портативности для полевых испытаний. Традиционные источники испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов из-за большого объема магнитных компонентов (таких как изолирующие трансформаторы, фильтрующие индуктивности и т.д.) и их разрозненного размещения приводят к громоздкости всего оборудования (некоторые модели весят более 50 кг), что ограничивает их гибкое применение в сложных полевых условиях. Технология магнитной интеграции, интегрируя магнитные цепи и конструкции нескольких магнитных компонентов, может значительно сократить использование материалов магнитопровода и занимаемое пространство, предоставляя инновационное решение для оптимизации объема источника питания. В данной статье, с учетом требований к производительности источника испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов, рассматриваются принципы применения, методы проектирования и практические результаты технологии магнитной интеграции в оптимизации объема.

Объемные ограничения традиционных источников испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов

Ключевые модули источника испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов включают блок управления переменной частотой, блок преобразования мощности, блок магнитных компонентов и блок фильтрации. При этом магнитные компоненты (изолирующие трансформаторы, выходные фильтрующие индуктивности, резонансные индуктивности и т.д.) являются основными факторами, определяющими объем и вес, их объемная доля может достигать 40–60% от всего оборудования. В традиционных конструкциях каждый магнитный компонент проектируется отдельно и размещается разрозненно, что приводит к следующим проблемам:

1. Низкая эффективность использования материалов магнитопровода
Отдельные магнитные компоненты должны Индивидуальное удовлетворение потребностей магнитной цепи, пространство окон магнитопровода используется недостаточно полно, что приводит к перерасходу материалов. Например, изолирующий трансформатор для обеспечения электрической изоляции требует больших изоляционных расстояний, а фильтрующая индуктивность для снижения пульсаций требует Резервирование воздушных зазоров, оба магнитопровода имеют проблемы «однофункциональность, пространственная избыточность».

2. Разрозненное конструктивное размещение
Установочные кронштейны и зазоры для охлаждения отдельных компонентов дополнительно увеличивают общий объем. На примере традиционного источника без частичных разрядов 10 кВ/5 кВА, общий занимаемый объем изолирующего трансформатора (около 200 мм×150 мм×120 мм) и фильтрующей индуктивности (около 180 мм×120 мм×100 мм) превышает 40 л, что значительно превышает суммарный объем электронных модулей.

3. Электромагнитные помехи и суммирование потерь
Разрозненно размещенные магнитные компоненты имеют взаимную индуктивную связь, легко генерируя электромагнитные помехи (EMI), для удовлетворения требований к отсутствию частичных разрядов необходимо добавлять экранирующие конструкции, что дополнительно увеличивает объем.

Технология магнитной интеграции: ключевой путь оптимизации объема

Технология магнитной интеграции через «совместное использование магнитной цепи, объединение конструкций» интегрирует функции нескольких отдельных магнитных компонентов в единый магнитопровод, Фундаментально решая проблему объемной избыточности традиционных конструкций. Ее ключевой принцип использует характеристики наложения и изоляции магнитных полей, реализуя различные электромагнитные функции (такие как трансформация напряжения, фильтрация, накопление энергии и т.д.) в одном магнитопроводе, конкретные механизмы оптимизации следующие:

1. Совместное использование магнитной цепи: сокращение количества магнитопроводов и материалов
В традиционных конструкциях магнитные цепи изолирующего трансформатора и фильтрующей индуктивности независимы, требуются два комплекта магнитопроводов; технология магнитной интеграции через проектирование специальных конструкций магнитопровода (таких как E-образные, горшковые, планарные магнитопроводы) позволяет основному магнитному потоку трансформатора и намагничивающему магнитному потоку индуктивности протекать по Предустановка ным путям в одном магнитопроводе, реализуя «один сердечник — несколько функций». Например, в интегрированном модуле трансформатор-индуктивность первичная и вторичная обмотки трансформатора наматываются на центральном стержне магнитопровода, обмотка индуктивности наматывается на боковом стержне, через регулирование положения и размера воздушного зазора магнитопровода Раздельное управление коэффициент трансформации трансформатора и индуктивность, использование материалов магнитопровода может быть сокращено на 30–50%.

2. Интегрированная конструкция: повышение эффективности использования пространства
Интегрированные магнитные компоненты объединяют несколько функциональных обмоток на одном магнитопроводе, сокращая корпуса, кронштейны и установочные зазоры отдельных компонентов. На примере планарной интегрированной магнитной конструкции, использование тонких магнитопроводов и планарных обмоток позволяет снизить высоту трансформатора и индуктивности с традиционных 120 мм до менее 60 мм, одновременно через многослойное проектирование обмоток на печатной плате дополнительно сжимать горизонтальное пространство. В одном примере объем интегрированного магнитного компонента сократился на 60% по сравнению с отдельным решением, а вес снизился на 45%.

3. Оптимизация электромагнитной совместимости: снижение требований к экранированию
Проектирование магнитной интеграции через направленное ограничение магнитной цепи может снизить помехи от магнитного потока рассеяния между компонентами. Например, использование замкнутой конструкции магнитопровода и симметричного размещения обмоток позволяет ограничить магнитный поток рассеяния внутри магнитопровода, без дополнительного экранирования удовлетворяя строгим требованиям к электромагнитной среде для испытаний на частичные разряды (частичные разряды ≤5 пКл).

Практика проектирования оптимизации объема источника питания на основе магнитной интеграции

На примере источника испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов 20 кВ/10 кВА, использовалась технология магнитной интеграции для оптимизации объема, конкретные шаги проектирования следующие:

1. Планирование интеграции функций магнитных компонентов
Анализ топологии источника питания, определение магнитных компонентов, требующих интеграции: изолирующий трансформатор (реализация изоляции высокого и низкого напряжения), выходная фильтрующая индуктивность (фильтрация высокочастотных пульсаций), резонансная индуктивность (совместно с конденсатором реализация вывода переменной частоты). Через моделирование магнитной цепи, три компонента интегрируются в магнитопровод типа : центральный стержень наматывается первичной и вторичной обмотками трансформатора, левый боковой стержень наматывается обмоткой фильтрующей индуктивности, правый боковой стержень наматывается обмоткой резонансной индуктивности, материал магнитопровода выбирается высокoпроницаемый феррит (PC40) для снижения потерь.

2. Согласованное проектирование параметров магнитопровода и обмоток
Через регулирование размеров окна магнитопровода (ширина×высота=150 мм×80 мм) и количества слоев обмоток (4 слоя обмоток трансформатора, 2 слоя обмоток индуктивности), обеспечивается соответствие ампер-витков и изоляционных расстояний Отдельные функции обмоток требованиям. Используется технология Секционирование намотки для снижения потерь в обмотках, одновременно через конечно-элементное моделирование оптимизируется положение воздушного зазора, обеспечивая погрешность коэффициента трансформации трансформатора ≤1%, отклонение индуктивности ≤5%.

3. Компактное общее конструктивное размещение
Интегрированный модуль магнитопровода и силовые ключи, конденсаторы и другие компоненты Применение «объемное штабелирование» размещение, используя пространство над магнитопроводом для установки платы управления, внизу Резервирование воздушные каналы для охлаждения. В итоге общие размеры источника питания сократились с традиционных 600 мм×400 мм×300 мм (объем 72 л) до 450 мм×300 мм×200 мм (объем 27 л), объем сократился на 62,5%, вес снизился с 65 кг до 32 кг.

Проверка производительности и прикладная ценность

Оптимизированный источник испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов прошел проверку авторитетными организациями, ключевые показатели производительности следующие:

· Объем и вес: По сравнению с традиционным решением объем сократился на 62,5%, вес на 50,8%, удовлетворяя требованиям к переноске на месте;

· Производительность без частичных разрядов: При выходном напряжении 20 кВ, уровень частичных разрядов ≤3 пКл, лучше требований национального стандарта (≤5 пКл);

· КПД: КПД при полной нагрузке повышен до 92% (традиционное решение было 88%), благодаря магнитной интеграции сокращены потери в магнитопроводе;

· Электромагнитная совместимость: Кондуктивные и излучаемые помехи соответствуют ограничениям Class A по стандарту GB/T 17626.6-2017.

Вывод и перспективы

Технология магнитной интеграции через совместное использование магнитной цепи и интегрированную конструкцию решает проблему объемной избыточности магнитных компонентов источника испытательного напряжения переменной частоты без частичных разрядов, реализуя облегчение и портативность оборудования. В будущем, в сочетании с полупроводниками с широкой запрещенной зоной и новыми материалами магнитопроводов, можно дополнительно повысить плотность мощности, продвигая развитие источников испытательного напряжения в направлении «миниатюризации, модульности, интеллектуализации».

lcxpower.com, специализируясь в области источников питания более десяти лет, через «согласованное проектирование магнитной цепи + интегрированная объемная упаковка» сжала объем традиционных раздельных трансформаторов и фильтрующих индуктивностей на 60%, общий вес устройства снизился с 80 кг до 32 кг. Используя трехмерное моделирование магнитной цепи для оптимизации конструкции магнитопровода,Использование характеристик высокой индукции насыщения магнитопроводов из нанокристаллического сплава, поддерживая точность напряжения ±0,1% и уровень частичных разрядов ≤1 пКл.

Данная технология в испытаниях на Определенный ±800 кВ подстанции сверхвысокого напряжения сэкономила 50% транспортных расходов, время развертывания сократилось с 2 дней до 4 часов, стабильный вывод сохраняется в условиях высокогорья.

В будущем lcxpower.com будет развивать Синергия инновации «магнитная интеграция + полупроводники с широкой запрещенной зоной», повышая плотность мощности до 5 кВт/кг, разрабатывая модульные быстрозаменяемые интерфейсы. Если ваши испытания электрооборудования сталкиваются с проблемами громоздкости оборудования, низкой эффективности развертывания и т.д., lcxpower.com предоставит индивидуальные миниатюрные источники испытательного напряжения без частичных разрядов, переводя полевые испытания в эру «легкого оснащения, точной и эффективной работы».