Elektrostatisk skjerming i transformatorer

 

 

 

 

Elektrostatisk skjerming, i fysikk, refererer til fenomenet der et lukket skall laget av en leder brukes til å isolere dens indre region fra påvirkning av eksterne elektriske felt. Ved å bruke dette prinsippet på transformatorer får vi det som er kjent som transformatorens elektrostatiske skjold (E-Shield).

I en transformatorstruktur er det elektrostatiske skjoldet typisk enikke-lukket kobberark eller ikke-magnetisk ledende papirplassert mellom primærviklingen og sekundærviklingen. Den er designet for å være "ikke-lukket" for å forhindre at den danner en kortslutningssløyfe og induserer strøm. Dette ledende materialet er pålitelig koblet til transformatorhuset eller jord via en ledning, og danner et effektivt skjermingslegeme.

 

 

Når høyfrekvente interferenssignaler (som topper fra strømnettet, lynoverslag eller høyfrekvent støy fra stasjoner med variabel frekvens) vises på primærsiden, kobles denne interferensen til sekundærsiden gjennom den inter-viklede parasittiske kapasitansen, noe som påvirker strømkvaliteten.

Etter å ha lagt til det elektrostatiske skjoldet, endres situasjonen fundamentalt. Skjermen deler den originale enkeltkapasitansen (CHL, kapasitansen mellom høy-spennings- og lavspenningssiden) i to seriekapasitanser: kapasitansen fra primær til skjerm og kapasitans fra skjerm til sekundær. Fordi skjoldet er direkte jordet, gir det envei til jord med svært lav impedansfor høyfrekvente interferensstrømmer. Som en tekniker beskrev: "Det elektrostatiske skjoldet fungerer i hovedsak som et kapasitivt filter, og forhindrer at kritiske spenningskomponenter overføres til sekundærsiden." Følgelig blir den høyfrekvente interferensstrømmen shuntet til jord i stedet for å fortsette til den sekundære belastningen, og derved "renser" den utgående elektriske energien.

 

 

 

 

 

 

Det elektrostatiske skjoldet i en transformator utfører hovedsakelig følgende funksjoner:

 

 

Egenskaper og fordeler

Transformatorer som bruker elektrostatiske skjold har følgende bemerkelsesverdige egenskaper og fordeler:

Trekk	Fordel	Teknisk indikator/beskrivelse
Høy anti-interferens	Undertrykker høy-støy og vanlig-modusinterferens i strømforsyningen betydelig	Vanlig-modusinnsettingstap Større enn eller lik 60dB ved 1MHz, lyndemping Større enn eller lik 70 %
Ekstremt lav koblingskapasitans	Oppnår høy isolasjon, "sender kun magnetisme, ikke elektrisitet"	Ekvivalent distribuert kapasitans mellom viklinger kan være så lav som 0,01pF
Forbedret strømkvalitet	Reduserer harmonisk forvrengning av utgangsspenning	I C3-klassemiljøer synker THDU fra 3,1 % til 0,8 %
Høy sikkerhet	Gir utstyr-nivåbeskyttelse, reduserer lekkasjestrøm	Lekkasjestrøm kan være mindre enn eller lik 10µA i medisinske IT-systemer
Utmerket felles-modusavvisningsevne	Kraftig støydempende evne	Noen K-Factor-transformatorer kan oppnå vanlig-støydemping opp til120dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Innsettingstapstester
Dette er en direkte metode for å måle skjoldets evne til å dempe høy-interferens. Testprinsippet innebærer å injisere et høy-signal med kjent amplitude (V1) ved transformatorens inngang og måle signalamplituden (V2) ved utgangen etter at den har passert transformatoren. Innsettingstap er definert som20×log(V1/V2)og uttrykkes i desibel (dB). En høyere verdi indikerer en sterkere undertrykkelsesevne til skjoldet mot interferens. For eksempel har en Trafomisk transformator实测 et felles-modusinnsettingstap på større enn eller lik 60dB ved 1MHz.

2. Vanlige-modustester
Vanlig-modusinterferens refererer til interferens som oppstår mellom hver leder og jord. Hensikten med vanlig-modustesting er å evaluere transformatorens evne til å undertrykke vanlig-modusstøy. Under testen blir et vanlig-modussignal (et signal påført med samme fase mellom alle inngangslinjer og jord) vanligvis tilført inngangen, og felles-modusresponsen ved utgangen måles. En god elektrostatisk skjermdesign bør dempe vanlig-modusstøy til svært lave nivåer. ABBs K-faktortransformatordokumentasjon indikerer vanlig-modusstøydemping opp til120dB.

3. Vanlige-Modus/Tverrgående-Modustester
Tverrgående-modusinterferens (også kjent som differensiell-modusinterferens) refererer til interferens mellom signallinjen og dens returbane. Ved praktisk testing er det ofte nødvendig å vurdere transformatorens evne til å undertrykke begge typer forstyrrelser grundig. For eksempel, når du tester nettverkstransformatorer, brukes en nettverksanalysator sammen med balun-transformatorer for å måle innsettingstap (som reflekterer dempning av det totale signalet) og felles-modusavvisningsforhold (spesifikt reflekterer dempning av felles-modussignalet).

4. Anomalidiagnose i kraftfaktortesting
Interessant nok kan tilstedeværelsen av et elektrostatisk skjold noen ganger "forvirre" testere. Under effektfaktortesting av en transformator, fordi skjermen gir en jordbane med lav-impedans, blir strømmen som skal flyte gjennom høy-til lav-spenningsisolasjon (CHL) shuntet til jord. Dette resulterer i en veldig liten CHL-strøm målt i UST (Unspesifisert prøvetest)-modus, noen ganger til og med som fører til negative effektfaktoravlesninger – som faktisk er en artefakt forårsaket av valget av nåværende målepunkt, ikke et ekte fysisk fenomen. Erfarne testere kombinerer GST-G (Grounded Eximen Test with Guard) og UST-resultater for å bedømme transformatorens isolasjonstilstand.

 

 

Strukturelt sett trenger jordingsskjermgjennomføringen typisk gjennom transformatorens tankdeksel eller tankvegg. Den ene enden er sikkert koblet til det elektrostatiske skjoldet (f.eks. kobberark eller ledende papir) inne i transformatoren, mens den andre enden strekker seg utenfor transformatoren for tilkobling til jordingsnettet. I noen design kan selve bøssingen integrere skjermingsfunksjoner-for eksempel ved å bygge inn et jordet metallnett i bøssingsveggen for å undertrykke elektrisk feltkonsentrasjon eller delvis utladning som kan oppstå ved høyspenningstilkoblingspunkter (som kobberskinneskjøter).

 

Funksjoner til jordingsskjoldbøssingen

Dens kjerneroller kan oppsummeres somtrygt føre-utoghøy-blokkering:

1. Sørge for en sikker, lav-jordingsbane for det elektrostatiske skjoldet

Dette er dens primære funksjon. Det elektrostatiske skjoldet må være effektivt jordet for å lede høyfrekvente interferensstrømmer til jorden. Jordingsskjermbøssingen gir en standardisert, isolert og pålitelig leder som leder den interne skjermen gjennom transformatortanken til den eksterne jordledningen, og sikrer den elektriske kontinuiteten og den mekaniske stabiliteten til jordingsbanen.

2. Forhindre omkjøring av høyfrekvente-interferensstrømmer

Uten en dedikert jordingsskjermgjennomføring kan det hende at jordingsledningen til det elektrostatiske skjermen må passere gjennom transformatorkapslingen eller andre komponenter, noe som kan introdusere ekstra induktans eller skape en antenneeffekt, og dermed svekke undertrykkelsen av høyfrekvent interferens. Den dedikerte bøssingdesignen opprettholder den lave-impedansegenskapen til jordingsbanen ved høye frekvenser, og sikrer at interferensstrømmer effektivt omgås til bakken.

3. Tetting og isolasjon

Som en-tankgjennomtrengende komponent må jordingsskjoldbøssingen sikre transformatoroljetetning for å forhindre lekkasje. I mellomtiden trenger den tilstrekkelig isolasjonsstyrke for å motstå spenningen mellom det interne elektrostatiske skjoldet og jordpotensialet, og unngå jordbrudd.

4. Eliminere delvis utladning (for skjermede-integrerte foringer)

I enkelte høyspenningsapplikasjoner kan grove overflater på ledere (f.eks. kobberskinner) som føres inn i transformatoren gjennom bøssingen forårsake spissutladning, som ikke bare genererer støy, men også forringer isolasjonen. Ved å integrere et jordet skjermingslag (som metallnett eller metallrør) i bøssingstrukturen, kan ujevne elektriske felt skjermes, og dermed eliminere utladning og sikre utstyrssikkerhet.