4.8. ОБМОТКИ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

В импульсной электроэнергетике наметилась устойчивая тенденция к увеличению мощности электрических импульсов. С увеличением мощности приходится уменьшать общую индуктивность трансформаторной

цепи и, следовательно, индуктивность рассеяния ИТ. Произведем количественную оценку индуктивности рассеяния, необходимую при проектировании мощных ИТ.

Пусть трансформаторная цепь имеет наиболее благоприятную индуктивную реакцию, при которой удлинение фронта импульса может рассчитываться по упрощенной формуле (3.23). Выражая в этой формуле сопротивление нагрузки через напряжение и мощность нагрузки, получим

откуда видно, что при заданных параметрах трансформированного импульса, генератора и трансформаторной цепи для увеличения мощности нагрузкй необходимо уменьшать индуктивность рассеяния ИТ.

Примем что более или менее характерно для мощных импульсных установок. В этом случае для получения импульса мощностью в индуктивность всей трансформаторной цепи должна быть не более а импульсов мощностью 10 и 100 ГВт — не более 3,6 и 0,36 нГн соответственно. Естественно, индуктивность рассеяния ИТ не должна превышать этих значений. При емкостной реакции трансформаторной цепи индуктивность трансформаторной цепи, как это видно из формул (3.18) и (3.45), должна быть примерно на порядок меньше, чем при Индуктивной реакции. Проектирование ИТ с весьма малой (несколько наногенри) индуктивностью рассеяния является сложной задачей и поэтому требует специального рассмотрения.

На основании изложенного индуктивность рассеяния ИТ можно выразить следующей формулой:

из которой видно, что при заданной конструкции ИТ и параметрах импульса генератора уменьшать индуктивность рассеяния можно, выбирая соответствующий тип обмоток, увеличивая приращение индукции в МС, длину намотки, уменьшая толщину изоляции и число витков в первичной обмотке ИТ.

Выбор типа обмоток ограничен разработанными, увеличение приращения индукции - явлением насыщения стали МС, а уменьшение толщины изоляции — требованиями к электрической прочности обмоток ИТ. Поэтому наиболее эффективные способы - уменьшение числа витков и увеличение длины намотки. Именно по этой причине у обмоток мощных ИТ обычно небольшое число витков, вплоть до минимального возможного (один в первичной и и во вторичной обмотке).

При малом числе витков естественно применение однослойных цилиндрических или конических обмоток, простых конструктивно и обеспечивающих высокую электрическую прочность ИТ. Предпочтительны конические обмотки, позволяющие при прочих равных условиях уменьшить примерно в два раза индуктивность рассеяния. В остальном конструкции высоковольтных ИТ характеризуются минимальной толщиной изоляции и максимальным возможным, вплоть до приращением индукции.

Рис. 4.16. Однослойная цилиндрическая обмотка в окне магнитной системы

Рис. 4.17. Однослойная коническая обмотка в окне магнитной системы

Определим пути создания рациональной конструкции мощного высоковольтного ИТ. С этой целью рассмотрим цилиндрическую и коническую однослойные обмотки (рис. 4.16 и 4.17), расположенные в окне МС. Начало обмоток, как обычно для ИТ, соединяется с точкой нулевого потенциала. Поэтому размер изоляционных промежутков определяется только конструктивными соображениями и может быть сделан небольшим. Конец вторичной обмотки находится под напряжением при зтом их а само напряжение весьма велико. При больших напряжениях размеры значительно больше диаметра (или толщины) провода вторичной обмотки (типично соотношение ) В связи с этим поверхностная плотность заряда на периферийной части последнего витка вторичной обмотки достигает больших значений,

напряженность электрического поля резко возрастает и может во много раз превосходить среднюю напряженность поля в изоляционных промежутках На конце обмотки высокого напряжения возникает так называемый краевой эффект. Если напряженность поля на поверхности последнего витка превышает допустимую, то у конца обмотки начинается коронирование, переходящее затем в тепловой пробой изоляции.

В простейшем случае увеличивают толщину изоляции чтобы уменьшить напряженность поля у конца обмотки и предотвратить пробой. Однако этот способ повышения электрической прочности крайне невыгоден, так как увеличивается индуктивность рассеяния и усиливаются искажения фронта импульса.

Вследствие указанных причин необходимо ослаблять или устранять краевой эффект обмотки. Значительно ослабить краевой эффект можно различными способами, например установкой охранного кольца, как делается в различных высоковольтных аппаратах. Однако это требует увеличения размеров окна МС, что приводит к увеличению ее объема. При большом объеме МС, характерном для мощных ИТ, такой способ ослабления краевого эффекта нежелателен.

Много целесообразнее другой способ ослабления краевого эффекта - секционирование обмотки высокого напряжения (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Однослойная секционированная коническая обмотка с вводом посредине, расположенная в окне магнитной системы

Коническая обмотка состоит из двух одинаковых секций 1 и 2, соединенных параллельно. Благодаря идентичности секций и параллельному их соединению напряжение по длине секции 1 плавно увеличивается от 0 до и плавно уменьшается по длине секции 2 от до 0. Вследствие этого ни в каких точках между обмотками не возникает резких изменений напряжения, напряженность электрического поля в междуобмоточном пространстве постоянна по длине обмотки, а значит, краевой эффект практически исключается. Это позволяет выбирать толщину изоляции минимальной, определяемой допустимой напряженностью электрического поля в данном изоляционном материале, т. е. наиболее полно использовать изоляционные свойства материала,

сводить индуктивность рассеяния до минимума и получать максимальную мощность ИТ. Такой способ ослабления краевого эффекта в равной мере пригоден и для цилиндрических обмоток. Отметим еще одно весьма полезное свойство секционированных обмоток. Вследствие того что начало обеих секций имеет нулевой потенциал, размер большого изоляционного промежутка теперь уменьшается до малого (рис. 4.18). Это позволяет уменьшить длину МС или увеличить длину намотки, т. е. уменьшить объем МС или индуктивность рассеяния и тем самым увеличить мощность. Такая высоковольтная обмотка носит специальное название "обмотки с вводом посредине”, что отражает особенность ее конструкции.

С увеличением длительности импульса приходится увеличивать число витков в обмотках. Вследствие этого иногда возникают трудности с размещением секций вторичной обмотки в окне МС. В таких случаях целесообразно каждую секцию вторичной обмотки дополнительно секционировать, как показано на рис. 4.19. Все подсекции обеих секций вторичной обмотки при этом соединяются последовательно. В результате такого дополнительного секционирования напряжение вдоль вторичной обмотки растет уже не строго линейно, а скачкообразно. Одиако при достаточно большом числе подсекций скачки не слишком велики и не изменяют существенно общей картины электрического поля в пространстве между обмотками. Индуктивность рассеяния обмотки рассчитывается по формуле

Емкость обмоток может рассчитываться по формулам для однослойных обмоток.

Рис. 4.19. Многослойная секционированная цилиндрическая обмотка с вводом посредине, расположенная в окне магнитной системы

Известны случаи применения в высоковольтных ИТ многослойных обмоток [21]. Соединение слоев в этих обмотках можно выполнить по схемам на рис. 4.3. Расположение многослойной обмотки в окне МС показано на рис. 4.20. Однако вследствие сложности транспозиционного соединения отдельных слоев при больших напряжениях более экономичная схема (рис. 4.3, а) обычно не применяется. В отличие от нее схема на рис. 4.3, б конструктивно проста и

технологична, поскольку допускает непрерывную последовательную намотку слоев, но в ней между соседними слоями действует суммарное напряжение этих слоев. По. этой причине приходится пропорционально увеличивать размеры межслоевых изоляционных промежутков, что приводит к увеличению габарита намотки и индуктивности рассеяния.

Рис. 4.20. Многослойная цилиндрическая обмотка в окне магнитной системы

Обоим вариантам схем многослойных обмоток (см. рис. 4.3) присущи и другие недостатки. С увеличением длины витков от слоя к слою увеличивается межслоевая динамическая емкость, что приводит к неравномерному распределению напряжения между слоями; в местах перехода витков от слоя к слою возникают местные краевые эффекты; по мере роста напряжения на слоях увеличивается напряженность поля между крайними витками и ярмом МС. По этим причинам приходится дополнительно увеличивать толщину межслоевой изоляции и от слоя к слою уменьшать длину намотки. Последнее отражено на рис. 4.20. В целом это приводит к примерно трехкратному увеличению габарита намоткн, неэффективному использованию стали МС, увеличению индуктивности рассеяния, снижению электрической прочности ИТ. Кроме того, по причине неизбежного применения твердой слоистой изоляции с относительно большой диэлектрической проницаемостью многослойные обмотки имеют большую емкость. Вследствие этих недостатков применение многослойных обмоток в высоковольтных ИТ нежела-Как следует из формулы (3.15), удлинение фронта импульса примерно пропорционально постоянной времени обмотки ИТ. Последняя в связи с этим может служить критерием качества обмотки. Сравнение качества основных типов обмоток по этому критерию проведено в работах [7, 22]. В результате сравнения сделан вывод о том что постоянные времени обмоток разного типа мало различаются между собой и в области больших коэффициентов трансформации практически от него не зависят. В целом же лучшими в отношении постоянной времени являются конические обмотки - с постоянной времени примерно на 30% меньшей, чем у цилиндрических, а также спиральные обмотки при автотрансформаторном включении. Поэтому для мощных высоковольтных ИТ лучшим типом обмоток следует считать конические с вводом посредине.