Elektrostatisk skärmning i transformatorer

 

 

 

 

Elektrostatisk skärmning, i fysik, hänvisar till fenomenet där ett slutet skal tillverkat av en ledare används för att isolera dess inre region från påverkan av yttre elektriska fält. Genom att tillämpa denna princip på transformatorer får vi det som kallas transformatorns elektrostatiska skärm (E-Shield).

I en transformatorstruktur är den elektrostatiska skärmen typiskt enicke-slutet kopparark eller icke-magnetiskt ledande papperplacerad mellan primärlindningen och sekundärlindningen. Den är utformad för att vara "icke-sluten" för att förhindra att den bildar en kortslutningsslinga och inducerar ström. Detta ledande material är tillförlitligt anslutet till transformatorhöljet eller jord via en tråd, vilket bildar en effektiv skärmningskropp.

 

 

När hög-frekventa störningssignaler (som toppar från elnätet, blixtnedslag eller högfrekvent brus från frekvensomriktare) visas på primärsidan, kopplas denna störning till sekundärsidan genom den inter-lindande parasitkapacitansen, vilket påverkar strömkvaliteten.

Efter att ha lagt till den elektrostatiska skölden förändras situationen i grunden. Skölden delar upp den ursprungliga enkla kapacitansen (CHL, kapacitansen mellan hög-spännings- och lågspänningssidan) i två seriekapacitanser: kapacitansen från primär till skärm och kapacitans från skärm till sekundär. Eftersom skölden är direkt jordad ger den enväg till jord med mycket låg impedansför hög-störströmmar. Som en tekniker beskrev: "Den elektrostatiska skärmen fungerar i huvudsak som ett kapacitivt filter, vilket förhindrar att kritiska spänningskomponenter överförs till sekundärsidan." Följaktligen shuntas den högfrekventa störströmmen till jord istället för att fortsätta till den sekundära belastningen, varigenom den utgående elektriska energin "renas".

 

 

 

 

 

 

Den elektrostatiska skärmen i en transformator utför huvudsakligen följande funktioner:

 

 

Funktioner och fördelar

Transformatorer som använder elektrostatiska skärmar har följande anmärkningsvärda egenskaper och fördelar:

Särdrag	Fördel	Teknisk indikator/beskrivning
Hög anti-interferens	Dämpar avsevärt hög-frekvent brus och vanliga-lägesstörningar i strömförsörjningen	Vanligt-lägesinsättningsförlust Större än eller lika med 60dB vid 1MHz, dämpning av blixtnedslag Större än eller lika med 70 %
Extremt låg kopplingskapacitans	Uppnår hög isolering, "sänder endast magnetism, inte elektricitet"	Ekvivalent fördelad kapacitans mellan lindningar kan vara så låg som 0,01pF
Förbättrad strömkvalitet	Minskar harmonisk distorsion av utspänningen	I C3-klassmiljöer sjunker THDU från 3,1 % till 0,8 %
Hög säkerhet	Ger utrustning-nivåskydd, minskar läckström	Läckström kan vara mindre än eller lika med 10µA i medicinska IT-systemapplikationer
Utmärkt Common-Mode Rejection-förmåga	Kraftfull ljuddämpningsförmåga	Vissa K-Factor-transformatorer kan uppnå brusdämpning i vanligt-läge upp till120dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Insättningsförlusttest
Detta är en direkt metod för att mäta sköldens förmåga att dämpa hög-frekvent störning. Testprincipen går ut på att injicera en hög-signal med känd amplitud (V1) vid transformatorns ingång och mäta signalamplituden (V2) vid utgången efter att den passerat genom transformatorn. Insättningsförlust definieras som20×log(V1/V2)och uttrycks i decibel (dB). Ett högre värde indikerar en starkare dämpningsförmåga hos skölden mot störningar. Till exempel har en Trafomic-transformator实测 en vanlig-modinsättningsförlust på större än eller lika med 60dB vid 1MHz.

2. Vanliga-lägestester
Vanlig-lägesstörning avser störningar som uppstår mellan varje ledare och jord. Syftet med testning av vanligt-läge är att utvärdera transformatorns förmåga att undertrycka vanligt-lägesbrus. Under testet appliceras vanligtvis en gemensam-modsignal (en signal som appliceras med samma fas mellan alla ingångsledningar och jord) på ingången, och det gemensamma-modsvaret vid utgången mäts. En bra elektrostatisk skärmdesign bör dämpa allmänt-ljud till mycket låga nivåer. ABB:s K-Faktor-transformatordokumentation indikerar brusdämpning i vanligt-läge upp till120dB.

3. Vanliga-läges-/tvärgående-lägestester
Tvärgående-modsinterferens (även känd som differentiell-modinterferens) hänvisar till interferens mellan signallinjen och dess returväg. Vid praktisk testning är det ofta nödvändigt att utvärdera transformatorns förmåga att undertrycka båda typerna av störningar. Till exempel, när man testar nätverkstransformatorer, används en nätverksanalysator tillsammans med baluntransformatorer för att mäta insättningsförlust (som reflekterar dämpningen av den övergripande signalen) och common{4}}modeförkastningsförhållandet (specifikt reflekterar dämpningen av den gemensamma-modsignalen).

4. Anomalidiagnos i Power Factor Testing
Intressant nog kan närvaron av en elektrostatisk skärm ibland "förvirra" testare. Under effektfaktortestning av en transformator, eftersom skärmen ger en jordbana med låg-impedans, shuntas strömmen som bör flyta genom hög-till låg-spänningsisolering (CHL) till jord. Detta resulterar i en mycket liten CHL-ström som mäts i UST-läge (Ospecificerat provtest), vilket ibland till och med leder till negativa effektfaktoravläsningar – vilket faktiskt är en artefakt som orsakas av valet av aktuell mätpunkt, inte ett verkligt fysiskt fenomen. Erfarna testare kombinerar GST-G (Grounded Specimen Test with Guard) och UST-resultat för att heltäckande bedöma transformatorns isoleringsskick.

 

 

Strukturellt penetrerar den jordade skärmbussningen vanligtvis transformatorns tanklock eller tankvägg. Ena änden är säkert ansluten till den elektrostatiska skärmen (t.ex. kopparplåt eller ledande papper) inuti transformatorn, medan den andra änden sträcker sig utanför transformatorn för anslutning till jordningsnätet. I vissa konstruktioner kan själva bussningen integrera skärmningsfunktioner-till exempel genom att bädda in ett jordat metallnät i bussningsväggen för att undertrycka koncentration av elektriska fält eller partiell urladdning som kan uppstå vid högspänningsanslutningspunkter (som kopparsamlingsskenor).

 

Funktioner för jordningsskyddsbussningen

Dess kärnroller kan sammanfattas somsäkert leda-utochhög-frekvent blockering:

1. Tillhandahålla en säker, låg-impedansjordningsväg för den elektrostatiska skärmen

Detta är dess primära funktion. Den elektrostatiska skärmen måste vara effektivt jordad för att leda högfrekventa störströmmar till jorden. Den jordade skärmbussningen ger en standardiserad, isolerad och pålitlig ledare som leder den interna skärmen genom transformatortanken till den externa jordledningen, vilket säkerställer den elektriska kontinuiteten och den mekaniska stabiliteten för jordningsvägen.

2. Förhindrar omvägar av hög-störningsströmmar

Utan en dedikerad jordningsskärmbussning kan den elektrostatiska skärmens jordledning behöva passera genom transformatorhöljet eller andra komponenter, vilket kan introducera extra induktans eller skapa en antenneffekt, vilket försvagar dämpningen av hög-interferens. Den dedikerade bussningsdesignen bibehåller den låga-impedansegenskapen för jordningsvägen vid höga frekvenser, vilket säkerställer att störströmmar effektivt förbikopplas till marken.

3. Tätning och isolering

Som en tankgenomträngande komponent måste den jordade skärmbussningen säkerställa transformatorns oljetätning för att förhindra läckage. Samtidigt behöver den tillräcklig isoleringsstyrka för att motstå spänningen mellan den interna elektrostatiska skärmen och jordpotentialen, vilket undviker jordhaveri.

4. Eliminera partiell urladdning (för skärm-integrerade bussningar)

I vissa högspänningstillämpningar kan ojämna ytor på ledare (t.ex. kopparskenor) som leds in i transformatorn genom bussningen orsaka spetsurladdning, vilket inte bara genererar buller utan också försämrar isoleringen. Genom att integrera ett jordat skärmskikt (som metallnät eller metallrör) i bussningsstrukturen kan ojämna elektriska fält skärmas, vilket eliminerar urladdning och säkerställer utrustningens säkerhet.