6.2. КОНСТРУКЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СО СТЕРЖНЕВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ

Общая компоновка мощного ИТ на шихтованной стержневой МС кругового сечения с цилиндрическими обмотками приведена на рис. 6.5. Конструктивной основой ИТ является МС 5, на стержнях которой размещены разделенные на две части первичная и вторичная обмотки. Каждая часть первичной обмотки состоит из бакелитового цилиндра 4 с наложенной на него секцией 2, и каждая часть вторичной - из бакелитового цилиндра 3 с секцией 1. Бакелитовые цилиндры первичной обмотки крепятся на стержне МС посредством клиньев, прижимных колец или другими способами, Применяемыми в силовых трансформаторах [20]. Аналогичным образом крепятся цилиндры вторичной обмотки. Монтаж и крепление МС к крышке бака такие же, как и в силовых трансформаторах.

Рис. 6.5. Компоновка мощного ИТ с шихтованной стержневой магнитной системой кругового сечения

Схема обмоток может быть одной из приведенных на рис. 4,10 и 4.11. Поэтому в общем случае части обмоток, расположенные на стержнях, могут быть и неодинаковыми. Однако, поскольку ИТ со стержневыми МС кругового сечения применяются обычно в весьма мощных высоковольтных ИТ, наиболее характерным типом обмоток являются обмотки с вводом посредине. Схема таких обмоток из четырех одинаковых параллельно соединенных секций, расположенных попарно на стержнях, приведена на рис. 6.6. Если по проводам вторичной обмотки подается технологическое питание находящихся под высоким напряжением приборов импульсной установки, то

применяются обмотки с транспонированными секциями, схема которых приведена на рис. 6.7. Такая схема позволяет уменьшить индуктивное падение напряжения технологического питания в цепи вторичной обмотки.

Рис. 6.6. Схема четырехсекционных обмоток с вводом посредине

Рис. 6.7. Схема четырехсекционных транспонированных обмоток

Вторичная обмотка ИТ может быть также и конической. Это усложняет конструкцию ИТ, но позволяет существенно, в 1,6 ... 1,8 раза, уменьшить объем МС. В ИТ с конической вторичной обмоткой бакелитовый цилиндр заменяется специально изготовленным коническим каркасом (рис. 6.8). Конструктивное исполнение каркаса может быть разным. Целесообразна точеная их стеклоэпоксида конструкция, состоящая из двух симметричных частей. С тем чтобы избежать сползания витков обмотки, на поверхность каркаса наносятся резьбовые канавки. В целом конструкция ИТ с такой конической обмоткой относительно сложна и ее применение оправдывается в ИТ большой мощности, когда особенно желательно уменьшить массу и габариты ИТ. Отметим, что в ИТ с коническими обмотками вследствие уменьшения сечения МС число витков в обмотках примерно в 1,5 раза больше, чем в ИТ с цилиндрическими обмотками. Иногда это создает трудности в размещении обмоток по длине стержня.

Характерная конструкция ИТ со стержневой МС витого типа прямоугольного сечения с цилиндрическими обмотками приведена на рис. 6.9. Здесь на МС 5 накладывается изоляция 4 первичной обмотки из трансформаторной бумага или электрокартона. На изоляцию наматывается первичная обмотка 2. На витки первичной обмотки накладывается междуобмоточная изоляция 3 такого же типа, и на нее наматывается вторичная обмотка 1. При разрезной МС первичная обмотка наматывается на клеенный съемный каркас из злектрокартона. Каждая часть обмоток представляет собой катушку. Катушка съемная, что позволяет механизировать ее изготовление. Трансформатор с такой бумажномасляной изоляцией широко применяется при напряжении до 50 кВ и в отдельных случаях - до 100 кВ.

Рис. 6.8. Конический каркас вторичйой обмотки с вводом посредине

Рис. 6.9. Компоновка ИТ с витой стержневой магнитной системой

Если ИТ работает в напряженном тепловом режиме, что почти всегда имеет место при большой частоте повторения импульсов, в конструкции на рис. 6.9 необходимо создать хорошие условия для отвода теплоты от МС и обмоток. Улучшить отвод теплоты от МС можно, оставляя между МС и каркасом первичной обмотки некоторый зазор, образующий масляный канал. Однако это не улучшает теплоотвод от обмоток, так как они теплоизолированы (бумажно-масляная изоляция).

Улучшить теплоотвод как от МС, так и от обмоток можно, применяя в качестве каркасов обмоток профилированные рейки 1 и 2 из органического стекла, как показано на рис. 6.10. Провода первичной и вторичной обмоток 3 и 4 наматываются непосредственно на рейки, механическая прочность обмоток обеспечивается за счет натяга проводов. Профильные канавки вдоль реек служат для удлинения пути поверхностного разряда. При больших напряжениях для усиления изоляции целесообразна установка барьеров 5 из пластин органического стекла или электрокартона. В таком ИТ обмотки и МС свободно омываются маслом, благодаря чему создаются хорошие условия для теплоотвода. Данная конструкция трансформатора целесообразна при напряжении 50 ... 100 кВ, когда размеры изоляционных промежутков достаточно велики для применения реек.

Рис. 6.10. Поперечное сечение стержня с обмотками на профилированных рейках

Рис. 6.11. Коническая обмотка со слоистой изоляцией

В конструкции ИТ на рис. 6.9 легко реализуется обмотка конического типа. Для этого межслоевая изоляция накладывается таким образом, чтобы толщина ее плавно увеличивалась по дайне намотки с увеличением напряжения, как показано на рис. 6.11 и 6.12. Обмотка на рис. 6.11 целесообразна при относительно небольшом напряжении, когда влияние краевого эффекта ослабляется некоторым увеличением размеров изоляционных промежутков. Обмотка на рис. 6.12 с вводом

посредине целесообразна при напряжении до 100 кВ, когда увеличение изоляционных промежутков существенно увеличивает длину намотки и размеры ИТ. Если позволяет длина стержня, то и при меньших напряжениях всегда целесообразна обмотка с вводом посредине, так как она позволяет принимать минимальные размеры изоляционных промежутков и благодаря этому уменьшать объем МС. Раскрой полос трансформаторной бумаги или электрокартона для реализации конических обмоток (рис. 6.11 и 6.12) показан на рис. 6.13, а и б соответственно.

Рис. 6.12. Коническая обмотка со слоистой изоляцией и вводом посредине

Рис. 6.13. Раскрой полос трансформаторной бумаги для конических обмоток

При напряжении более 100 кВ целесообразно применение чисто масляной изоляции и обмоток с вводом посредине. Достоинства чисто масляной изоляции реализуются только тогда, когда в соответствующих изоляционных промежутках отсутствуют конструктивные элементы, на которых может возникать поверхностный разряд. Конструкции обмоток, удовлетворяющие этому требованию, приведены на рис. 6.14 и 6.15. Здесь первичные обмотки 2 накладываются на МС 1 одним из описанных ранее способов. Вторичная обмотка 3 в ИТ с цилиндрической

обмотками (рис. 6.14) накладывается на сборный каркас из четырех пластин 4, снабженных со стороны торцов пазовыми замками. Верхняя и нижняя пластины крепятся на стержне МС при помощи опор 5, боковые пластины устанавливаются в пазовые замки верхней и нижней пластин и фиксируются в них натягом вторичной обмотки. Наиболее целессообразный материал пластин — органическое стекло, обладающее хорошими изоляционными свойствами и легко поддающееся механической обработке. В ИТ с коническими обмотками (рис. 6.15, позиции — те же, что на рис. 6.14) каркас вторичной обмотки также выполняется из пластин с пазовыми замками, но форма пластин более сложная, пластины изгибаются в средней части. В такой обмотке концы пластин опираются непосредственно на каркас первичной обмотки или на стержень МС. За счет изгиба пластин каркасу придается дополнительная механическая прочность. Относительно сложный раскрой пластин каркаса поясняется рис. 6.16.

Рис. 6.14. Цилиндрическая обмотка с масляной изоляцией и вводом Посредине

Рис. 6.15. Коническая обмотка с масляной изоляцией и вводом посредине

Как видно из рис. 6.14 и 6.15, в изоляционных промежутках между первичной и вторичной обмотками нет никаких крепежных деталей,

Как видно из рис. 6.14 и 6.15, в изоляционных промежутках между первичной и вторичной обмотками нет никаких крепежных деталей, а значит, отсутствуют пути для поверхностных разрядов. Именно благодаря этой особенности конструкции, в ней обеспечивается высокая электрическая прочность и восстанавливаемость изоляции после единичных пробоев или искрений в аварийных режимах работы ИТ.

При тщательном исполнении пластин каркасы легко собираются и разбираются и имеют достаточную механическую прочность. Как важное обстоятельство отметим, что описанные конструкции ИТ позволяют применять в качестве главной изоляции не трансформаторное масло, а элегаз. При использовании злегаза под давлением более 0,3 МПа электрическая прочность этих конструкций выше, чем при использовании трансформаторного масла. Однако при элегазе затрудняется теплоотвод и требуются баки высокого давления.

Рис. 6.16. Раскрой пластин каркаса конической обмотки с вводом посредине

6.3. МОЩНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ШИХТОВАННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ КРУГОВОГО СЕЧЕНИЯ

В различных электрофизических установках необходимы электрические импульсы большой энергии и напряжения при длительности импульса более 100 мкс и форме, возможно более близкой к прямоугольной. Для получения таких импульсов обычно применяются генераторы с искусственной формирующей линией в режиме полного разряда с коммутаторами типа мощных водородных тиратронов или тиристоров. Такие генераторы вследствие малых рабочих напряжений коммутаторов обеспечивают генерацию импульсов большой энергии, но напряжением не более 20 кВ, и возникает необходимость применения ИТ в составе импульсной установки — для повышения напряжения до требуемого.

В качестве примера рассмотрим основные этапы проектирования мощного ИТ при следующих исходных данных: энергия импульса 100 кДж; первичное напряжение 20 кВ; вторичное напряжение 400 кВ; полярности первичного и вторичного напряжения противоположны; длительность импульса 200 мкс; длительность фронта импульса 10 мкс; общая неравномерность вершины импульса, включая выброс напряжения на фронте, не более частота повторения импульсов 5 Гц; нагрузка линейная, емкость нагрузки 0,001 мкФ; индуктивность монтажа

первичной и вторичной цепей по 2 мкГн; емкость монтажа первичной цепи 0,1 мкФ; форма импульса генератора практически прямоугольная (это принимается и во всех последующих примерах расчета); режим работы импульсной установки — длительный; скважность импульсов 1000.

Вследствие большой длительности импульса можно ожидать, что потери в МС на вихревые токи и дополнительные потери в обмотках будут небольшими, и поэтому на первом этапе расчета ими можно пренебречь. С учетом этого из исходных данных следует, что мощность ИТ равна 500 МВт, ток нагрузки 1250 А, ток первичной обмотки 25 кА, приведенное к числу витков первичной обмотки сопротивление нагрузки 0,8 Ом, коэффициент трансформации 20.

Проектирование ИТ производится в приводимой ниже последовательности. Прежде всего устанавливается возможность реализации ИТ с заданными параметрами искажений формы фронта импульса при заданной индуктивности и емкости монтажа и нагрузки. С этой целью рассчитываются электромагнитные параметры схемы замещения трансформаторной цепи в соответствии с методикой, изложенной в § 3.7. Согласно исходным данным выброс напряжения на фронте импульса недопустим. По этой причине коэффициент затухания трансформаторной цепи должен быть не менее единицы. В данном случае - для линейного согласованного генератора, когда а оптимальный коэффициент затухания, обеспечивающий минимальное удлинение фронта импульса и отсутствие выброса напряжения на фронте, равен единице. В связи с этим принимается коэффициент затухания трансформаторной цепи

Согласно графику на рис. 3.11 . Тогда расчет электромагнитных параметров схемы замещения трансформаторной цепи по формулам (3.45), (3.46) и аналогичных параметров схемы замещения ИТ по формулам (3.48), (3.49) дает следующие значения:

Результаты расчета показывают, что ИТ реализуем только при индуктивной реакции трансформаторной цепи, так как при емкостной реакции индуктивность рассеяния имеет отрицательное значение. Поэтому дальнейшие расчеты ориентированы на индуктивную реакцию, как единственно допустимую в данном случае. При этом, однако, обеспечивается минимальный объем МС, и поэтому невозможность проектирования ИТ для цепи с емкостной реакцией не имеет практического значения.

Выбор конструкции ИТ производится из следующих соображений. Оценка объема МС, выполненная для индуктивной реакции и близкого к максимальному возможному приращению индукции (см. § 5.2), показывает, что этот объем должен ориентировочно составить чему соответствует масса т. При столь значительных массогабаритных характеристиках неизбежны определенные технологические трудности в изготовлении МС. Поэтому желательно использовать типовую МС, применяемую в силовых трансформаторах. Расчет толщины листа МС по формуле (5.6) дает максимальное допустимое значение 0,69 мм. Таким образом, МС может быть изготовлена шихтованной кругового сечения из листов стали марок 3405—3408 толщиной 0,35 мм, что обеспечит снижение напряжения на вершине трансформированного импульса значительно меньшее, чем это оговорено исходными данными. По изложенным причинам с учетом массогабаритных характеристик принимается стержневая МС с круговым сечением стержней из стали 3408 при толщине листа 0,35 мм. Такая МС может изготовляться на предприятиях электротехнической промышленности по принятой на них технологии.

В возможном аварийном режиме короткого замыкания цепи нагрузки тока в обмотках могут удвоиться и достигнуть 50 и в первичной и вторичной обмоткё соответственно. В связи с зтим возможны значительные механические напряжения в обмотках и они должны быть достаточно механически прочными. С другой стороны, вследствие высокого вторичного напряжения обмотки должны обладать также и высокой электрической прочностью. Оба этих требования удовлетворяются при применении цилиндрических обмоток с вводом посредине и чисто масляной главной изоляции. Возможно также применение вместо масла элегаза, однако вследствие большой мощности ИТ это затруднит теплоотвод от обмоток и МС, а потому более целесообразно масляное исполнение ИТ. Ввиду большой мощности следует также ожидать, что число витков в обмотках будет не очень

большим, и поэтому возможно применение однослойных обмоток. В целом всем перечисленным требованиям удовлетворяет конструкция ИТ, приведенная на рис. 6.5, которая поэтому принимается в качестве основы для дальнейших расчетов.

Вследствие большой энергии импульса ожидаются большие габариты ИТ, и поэтому необходимо принять возможные меры для их уменьшения. С этой целью принимается максимальное допустимое для стали марки 3408 приращение индукции и напряженность электрического поля в трансформаторном масле Дня реализации принятого приращения индукции необходимо введение в ИТ размагничивающего поля от внешнего источника тока.

При выбранной напряженности электрического поля с учетом необходимости встречного включения обмоток для изменения полярности трансформируемого импульса толщина изоляционного промежутка между обмотками составит а условная толщина главной изоляции Вследствие большой мощности ИТ необходим наиболее эффективный отвод теплоты от МС. С этой целью требуется устройство масляного канала между МС и первичной обмоткой, для чего толщина изоляционного промежутка выбирается равной Это значительно больше, чем необходимо из условия достаточной электрической прочности первичной обмотки. Положительным следствием увеличенного размера изоляционного промежутка является уменьшение емкости первичной обмотки примерно на порядок.

Размеры проводов обмоток выбираются по допустимой плотности тока в проводах. Плотность тока определяется из следующих соображений. С одной стороны, ИТ отличается большой мощностью, и поэтому желательны минимальные потери в проводах. Тогда по аналогии с силовыми трансформаторами следовало бы принять плотность тока Однако при такой, относительно малой плотности тока размеры проводов будут большими, что увеличит индуктивность рассеяния ИТ. Уменьшение индуктивности рассеяния до требуемой Сопряжено с увеличением объема МС, что при большом ее объеме особенно нежелательно. С другой стороны, поскольку предполагается, что обмотки будут однослойными, в принятой конструкции ИТ охлаждение обмоток не должно вызвать затруднений. По этой причине допустима значительно более высокая плотность тока. С учетом этих соображений, имея в виду предварительный характер расчетов и неизбежные уточнения размеров проводов, целесообразно увеличить плотность тока до

При заданной скважности импульсов суммарные эффективные токи в первичной и вторичной обмотке составляют 790 и 39,5 А. Эти токи равномерно распределены по четырем секциям каждой из обмоток (рис. 6.6), т. е. в каждой секции составляют примерно 200 и 10 А. При плотности тока площадь сечения проводов секций 40 и Из этих данных следует целесообразность применения в первичной обмотке проводов прямоугольного, а во вторичной — круглого

сечения. Расчет по формулам (5.7) и (5.8) дает толщину и диаметр проводов первичной и вторичной обмоток 3,16 и 1,6 мм.

После выбора размеров изоляционных промежутков и проводов обмоток рассчитываются коэффициенты и На основе рис. 6.5 и данных табл 4.1 в пренебрежении весьма малой емкостью первичной обмотки можно найти значения этих коэффициентов: соответственно 1,09; 0,333 и 2,05.

Расчет размеров сечения МС, числа витков в обмотках и длины намотки производится по формулам (2.3) и (5.11) -(5.13) при характерном для МС кругового сечения коэффициенте площади круга . В расчетных формулах учтено, что в кругового сечения Последовательность расчета и полученные значения конструктивных параметров приведены ниже:

Оценка результатов расчета показывает, что размеры сечения МС и число витков в обмотках приемлемы, но длина обмотки недопустимо велика: при длине намотки 35,6 общая высота МС стержневого типа составит около что технически нереализуемо. В данном случае возможно уменьшить длину намотки, что следует из таких соображений:

длина намотки намного больше, чем это требуется для получения необходимой продольной электрической прочности ИТ; уменьшение длины намотки приводит к усилению благоприятной индуктивной реакции, что позволит уменьшить объем МС и поэтому особенно важно.

Так как уменьшение длины намотки заведомо создаст индуктивную реакцию, в дальнейших расчетах следует исключить емкость трансформаторной цепи. Это позволяет принять максимальное допустимое отношение длины самой длинной к длине самой короткой магнитной линии в МС и обеспечивает получение в результате расчета близкого к минимальному возможному объема МС. Поэтому дальнейшие расчеты производят по формулам (5.16) -(5.18) при и характерном для ИТ со стержневыми МС значении коэффициента Последовательность и результаты расчета приведены ниже:

согласно графику на рис. 5.1

Проверка емкости, произведенная при полученных значениях руктивных параметров ИТ, показывает, что емкость обмоток равна 0,324 мкФ, что намного меньше допустимой из электромагнитного расчета параметров схемы замещения 1,79 мкФ. Таким образом, индуктивная реакция в трансформаторной цепи обеспечивается. Длина намотки каждой из четырех секций составляет 0,975 м, а значит, с большим запасом гарантирует продольную электрическую прочность

обмоток. В связи с этим следует отметить, что, казалось бы, можно дополнительно уменьшить длину обмотки и тем самым высоту стержня и габариты ИТ. Однако уменьшение длины намотки неизбежно приведет к увеличению отношения и сделает его большим 1,5, что приведет, в свою очередь, к увеличению неравномерности магнитного поля в МС, а этого допускать нельзя.

В целом можно считать ИТ с полученными конструктивными параметрами МС и обмоток технически реализуемым. Определенные неудобства вызывает относительно большая длина намотки, что приводит к высоте ИТ вместе с баком примерно 3 м (без высоковольтного изолятора). Однако по изложенным причинам уменьшение длины намотки недопустимо.

На основании проведенных расчетов можно перейти к выбору нормализованных стержней, бакелитовых цилиндров, проводов обмоток, к поверочным тепловым расчетам и расчету механических сил в обмотках.

По данным табл. 6.1 выбирается наиболее близкий по сечению стержень с активной площадью сечения и диаметром 320 мм. Для каркасов первичной и вторичной обмотки выбираются бакелитовые цилиндры с наружным диаметром 360 и 450 мм и толщиной стенок 5 мм. Этим обеспечиваются изоляционные промежутки между первичной обмоткой и МС, а также между обмотками 20 и 45 мм. При таких размерах изоляционных промежутков и цилиндров средняя длина витка обмоток составляет 1,27 м. При выбранном стержне число витков первичной и вторичной обмотки в предположении, что КПД ИТ составит 0,98, равны 19 и 388. Из условий получения нужной суммарной площади сечения проводов обмоток и их размещения в один слой по данным табл. 4.4 и 4.5 выбираются провода обмоток: для первичной - провод ПБ 1,6 X 11,2 мм, причем каждая из четырех секций первичной обмотки наматывается двумя параллельно соединенными проводами: для вторичной — провод ПЭВ-2 диаметром 2,36 мм. Из условия получения заданной индуктивности рассеяния по формуле (5.9) уточняется длина намотки, которая оказывается равной 4,07 м, на основании чего высота стержней выбирается 2,2 м. Для нормального размещения обмоток ширина окна МС выбирается 0,3 м, а следовательно, длина МС равна 6,28 м и отношение Объем и масса МС при этом составляет т. е. удельный объем МС равен что, имея в виду оценки в § 5.2, может считаться удовлетворительным показателем. Отметим, что уменьшение удельного объема по сравнению с предварительно оцененным явилось следствием индуктивной реакции трансформаторной цепи.

Применение конических обмоток позволило бы уменьшить объем МС примерно в 1,75 раза. Однако при этом необходимы специальные конические каркасы для вторичной обмотки вместо выпускаемых промышленностью бакелитовых

цилиндров. Целесообразность такого усложнения и удорожания конструкции ИТ должка устанавливаться специально в каждом конкретном случае.

Расчет активных сопротивлений обмоток в соответствии с Методикой, изложенной в § 4.5, и потерь мощности в обмотках при температуре 75 °С дает следующие результаты: . Потери мощности в МС, рассчитанные по формуле (2.18), составляют 2800 Вт. Расчет КПД по формуле (5.31) дает значение 0,986, что может считаться хорошим результатом.

Расчет тепловой нагрузки поверхности МС и обмоток показывает, что они равны примерно 350 и Таким образом, ИТ работает в ненапряженном тепловом режиме. Критические тепловые нагрузки достигаются при частоте повторения импульсов около 60 Гц, т. е. допустимо значительное увеличение частоты повторения.

Расчет кажущейся магнитной проницаемости по формуле (2.19) дает результат 2740. При этом индуктивность намагничивания ИТ равна 13,9 мГн, снижение напряжения на вершине импульса - 0,575%, что допустимо.

Расчет средних механических сил в обмотках показывает, что они примерно на два порядка ниже, чем в аналогичных конструкциях силовых трансформаторов. Это является следствием большой скважности импульсов и малой индуктивности рассеяния ИТ. Однако при частоте повторения импульсов 30 Гц механические силы становятся соизмеримыми с таковыми в силовых трансформаторах. Импульсные силы примерно на три порядка выше средних, т. е. значительны. Поэтому при конструировании ИТ необходима тщательная проработка вопроса о возможности возникновения механических резонансов и вибраций в обмотках под действием периодически повторяющихся импульсных сил.

В некоторых случаях требуется обеспечить работу ИТ в течение относительно небольшого интервала времени, но при высокой частоте повторения. Режим работы ИТ в таких интервалах может рассматриваться как адиабатный. В качестве примера рассмотрим работу ИТ при частоте повторения импульсов 200 Гц. Из предыдущего следует, что при столь высокой частоте в непрерывном режиме ИТ работать не сможет из-за перегрева МС и обмоток. Если начальная температура ИТ была 40 °С и допустим нагрев обмоток до 115 °С, то согласно формуле (5.28) допустимое время работы ИТ составит 9,7 с. Расчет по формуле (5.30) показывает, что за это время МС нагреется на 0,45 °С, т. е. незначительно. Это связано с тем, что объем МС в ИТ намного превышает объем медн обмоток.