7.2. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ВЕРТИКАЛЬНО УСТАНОВЛЕННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ

Маломощные низковольтные ИТ с тороидальными МС широко применяются в импульсной и цифровой технике, их конструкции известны и апробированы многолетней практикой проектирования и эксплуатации. Во многих случаях применение в маломощных ИТ тороидальных МС вообще необязательно или нецелесообразно, так как они могут быть выполнены с более технологичными разрезными МС. Поэтому здесь рассматриваются только мощные и весьма мощные высоковольтные ИТ, конструкции которых имеют ряд особенностей. Для удобства изложения и единства терминологии обмотки ИТ с тороидальными МС, если размеры изоляционных промежутков постоянны по длине намотки, будут называться цилиндрическими, а если размеры изменяются по длине пропорционально напряжению на обмотках, — коническими. Исходя из геометрии обмоток такие названия следует считать неудачными. Однако расчетные формулы при этом те же, что для цилиндрических и конических обмоток, поэтому можно сохранить принятую терминологию.

Преимущественное применение ИТ с тороидальными МС получили для трансформации импульсов малой длительности, большей частью в диапазоне 0,5 ... 10 мкс. При малой длительности импульсов и большой мощности число витков в обмотках обычно невелико. Это позволяет использовать простейшие цилиндрические и конические обмотки, которые только по этой причине и рассматриваются здесь. Отметим, что при высоких напряжениях применение многослойных обмоток в ИТ с тороидальными МС нецелесообразно, так как возникают дополнительные трудности в обеспечении высокой электрической прочности конструкции.

При напряжениях выше 100 кВ целесообразна ставшая более или менее типовой конструкция ИТ, приведенная, в пренебрежении второстепенными деталями, на рис. 7.7. Конструктивной основой ИТ является фундаментальная плита 1. На плите посредством элемента крепления 2 установлена МС 3, которая может быть скомпонована из одного или нескольких магнитопроводов в соответствии с рис. 7.1 или 7.2. При пермаллоевых магнитопроводах в обечайке установка МС полностью соответствует приведенной на рис. 7.4. Установка МС с

магнитопроводами из трансформаторной стали допускает различные конструктивные решения. На МС накладываются точеные из теплостойкого органического стекла фасонные изолирующие кольца 4, на которые наматывается первичная обмотка 5. Для наложения колец на МС в их нижней части вырезается сектор. Закрепление колец обеспечивается натягом проводов первичной обмотки. В необходимых случаях могут накладываться также и бандажи из стеклоленты. Первичная обмотка, напряжение на которой обычно невелико, может иметь различные схемы. При коэффициентах трансформации 3 ... 4, что большей частью и бывает на практике, целесообразно выполнять первичную обмотку несекциони-рованной, так, чтобы ее начало и конец располагались в секторе элемента крепления МС к фундаментальной плите. Для уменьшения индуктивности рассеяния и дополнительных потерь в обмотке ее следует наматывать шиной из медной фольги.

Рис. 7.7. ИТ на напряжение более 100 кВ с тороидальной магнитной системой

На первичную обмотку накладываются также точеные из органического стекла кольца 6, на которые наматывается вторичная обмотка 7. Для усиления изоляции между первичной и вторичной обмоткой со стороны образующих МС в пазы колец 6 могут устанавливаться барьеры 8 из тонкого листового органического стекла или из электрокартона. Наиболее целесообразный тип вторичной обмотки — с вводом посредине, который располагается на оси симметрии в точке А.

Установка ИТ в масляном баке возможна двумя способами. При первом фундаментальная плита вместе с ИТ посредством стоек крепится к крышке бака и вместе с ней образует выемную часть конструкции. Удобство такой установки в том, что-ввод высокого напряжения может

быть совмещен с расположенным на крышке бака высоковольтным изолятором. Тем самым обеспечивается минимальная длина высоковольтного соединительного провода, что важно в высоковольтной конструкции. Однако при этом ввод первичного напряжения оказывается длинным. Это увеличивает индуктивность ввода, что весьма нежелательно при коротких импульсах и большой мощности, когда общая индуктивность трансформаторной цепи должна быть весьма малой. Для уменьшения индуктивности ввода первичного напряжения целесообразно устанавливать ИТ непосредственно на крышке бака, используя ее в качестве фундаментной плиты. В этом случае ИТ оказывается подвешенным к крышке и ввод первичного напряжения может быть сделан минимальной длины. При этом, однако, увеличивается длина ввода высокого напряжения и для его проводки к высоковольтному изолятору приходится увеличивать изоляционные расстояния между вводом и стенками бака, а значит, и размеры бака. Увеличение индуктивности ввода высокого напряжения не имеет при этом существенного значения, так как высоковольтные ИТ обычно сильно повышающие и индуктивность вторичной цепи при пересчете на первичную уменьшается в раз.

Важно обратить внимание на следующее. В верхней части выточки колец как первичной, так и вторичной обмотки после заливки ИТ маслом могут образоваться воздушные мешки. Из-за разницы в диэлектрической проницаемости воздуха и масла в воздушных мешках напряженность электрического поля будет примерно в два раза выше, чем в масле, а электрическая прочность воздуха — в несколько раз ниже, чем у трансформаторного масла. По этим причинам в воздушных мешках возникает коронирование, впоследствии переходящее в тепловой пробой. Для устранения воздушных мешков необходимо внутреннюю поверхность колец делать слегка конической, чтобы после погружения ИТ в масло обеспечить свободный отток воздуха из соответствующих мест,

Расчет конструкции на рис. 7.7 и рассматриваемых далее конструкций ИТ с тороидальными МС ничем не отличается от расчета ИТ со стержневыми МС и производится по тем же формулам и в той же последовательности. Поэтому примеры расчета ИТ с тороидальными МС не приводятся. Единственное, непринципиальное, отличие расчета в том, что в формулы подставляются характерные для ИТ с тороидальной МС, значения коэффициентов, связывающих длину МС и намотки. Так как в ИТ с тороидальной МС длина МС используется более полно - то в конечном итоге ИТ с Тороидальными МС оказываются более экономичными. Удельный объем МС в них примерно в полтора раза меньше, чем в ИТ со стержневыми МС.

При напряжениях более 100 кВ конструкция ИТ по рис. 7.7 оказывается недостаточно злектропрочной. Это связано с тем, что между первичной и вторичной обмотками на внутренней стороне изоляционных

колец имеются пути для поверхностного разряда. Так как для уменьшения индуктивности рассеяния толщину изоляции между обмотками приходится выбирать минимальной допустимой, то увеличить длину этих путей можно только, развивая внутреннюю торцевую поверхность колец 6. Однако с увеличением напряжения между обмотками этот метод становится все менее эффективным. Мало помогает и установка барьеров. Кроме того, с увеличением напряжения необходимо увеличивать и толщину кольца у наружной кромки. Относительная электрическая прочность конструкций при этом уменьшается, и такой способ усиления изоляции неэкономичен. Существенным недостатком конструкции является также невосстанавливаемость свойств изоляции из органического стекла после аварийных состояний, приводящих к пробоям колец.

Рис. 7.8. ИТ на напряжение более 100 кВ с тороидальной магнитной системой и цилиндрическими обмотками

По этим причинам при напряжениях более 100 кВ эффективнее конструкция ИТ, приведенная на рис. 7.8, и ее различные модификации, в которых устранены пути для поверхностного разряда между обмотками. Конструктивная основа, способ установки МС и конструкция первичной обмотки 4 такие же, как и в ИТ на рис. 7.7. Конструктивной основой вторичной обмотки 6 являются две вертикальные установленные и закрепленные на фундаментной плите щеки 5 из органического стекла. Щеки снабжены двумя рядами концентрических отверстий, через которые протягиваются провода вторичной обмотки. Для того чтобы щеки под натягом проводов не прогибались внутрь, периферийные

части отдельных витков выполняются в виде шпилек, распирающих щеки. Распоркой может служить также согнутая в кольцо и помещенная между щеками полоса из тонкого органического стекла. Вторичная обмотка состоит из двух одинаковых секций, образующих обмотку с вводом посредине, расположенным на оси симметрии в точке А. При монтаже выемной части конструкции плита посредством стоек крепится к крышке бака так, чтобы ось вывода высоковольтного изолятора совпадала с осью симметрии ИТ. В зтом случае в верхней своей части щеки связываются с проводником или юбкой высоковольтного изолятора, чем исключается боковое смещение щек.

Между первичной и вторичной обмотками ИТ нет никаких конструктивных деталей, благодаря чему отсутствуют пути для поверхностного разряда. Изоляцией служит трансформаторное масло или злегаз. Поэтому главная изоляция обладает способностью восстанавливать свойства после отдельных пробоев по прошествии некоторого времени. Важно также то, что напряжение на секциях плавно увеличивается от начала секции к концу, благодаря чему в пространстве между обмотками нет скачков градиента потенциала. Этим дополнительно повышается электрическая прочность конструкции. Опыт эксплуатации показывает также высокую надежность изоляции в ИТ такого типа при напряженности электрического поля 10 ... 12 МВ/м и способность изоляции выдерживать кратковременное увеличение напряженности до 20 МВ/м. Эти результаты получены при напряжении 400 и 800 кВ и дают основание считать, что посредством ИТ такого типа можно получать напряжение до 2 MB.

В ИТ на рис. 7.8 витковое напряжение может достигать нескольких киловольт и особое значение должно придаваться межвитковой изоляции. В местах выхода проводов вторичной обмотки из отверстий в щеках имеются пути для поверхностного разряда, и здесь межвитковая изоляция менее всего надежна. Для ее усиления отверстия в щеках раззенковываются, как показано на фрагменте рис. 7.8. Благодаря этому удлиняется путь поверхностного разряда между витками. Так как витки вторичной обмотки неизбежно провисают и касаются друг друга, то на участки витков, заключенные между отверстиями в щеках, при намотке надевается тонкостенная изоляционная трубка.

Главный недостаток конструкции ИТ на рис. 7.8 - трудоемкость наложения вторичной обмотки. Операция эта ручная и механизации не поддается. Однако высокая электрическая прочность конструкции, минимальная достижимая емкость обмоток при использовании злегаза и возможность получать весьма высокое напряжение компенсируют этот недостаток.

Развитием конструкции ИТ с цилиндрическими обмотками (рис. 7.8) является конструкция ИТ с коническими обмотками (рис. 7.9). Компоновка МС соответствует рис. 7.3. Первичная обмотка 4 накладывается на щеки 2. Каркасом вторичной обмотки 5 являются кольца 6 из

органического стекла, крепящиеся в нижней части к торцам щек. Центры наружного и внутреннего колец смещены относительно оси МС и друг друга так, чтобы радиальное расстряние между секциями первичной и вторичной обмоток от начала секций внизу к концам вверху плавно увеличивалось. Сочетание с таким же изменением расстояния между обмотками в аксиальном направлении позволяет реализовать в данной конструкции коническую обмотку. Благодаря этому ИТ с конструкцией по рис. 7.9 имеет индуктивность рассеяния примерно в два раза меньшую, чем ИТ по рис. 7.8, что дает возможность во столько же раз уменьшить объем МС. В целом конструкция ИТ по рис. 7.9 наиболее совершенна из известных.

В отличие от ИТ на рис. 7.8 в ИТ на рис. 7.9 каркас вторичной обмотки выполнен в виде колец. Это позволяет упростить наложение вторичной обмотки, сделать операцию менее трудоемкой. Чтобы кольца не прогибались под натягом витков обмотки, между кольцами, под внешними и внутренними участками витков, устанавливаются согнутые в кольца полосы из тонкого органического стекла. Для фиксации полос на внутренней стороне колец делаются торцевые выточки, не показанные на рис. 7.9. Полосы служат также барьерами, что несколько повышает электрическую прочность изоляции между обмотками. Точно такая же конструкция каркаса вторичной обмотки может быть применена и в ИТ на рис. 7.8 — как для цилиндрической, так и для ”полу-конической” обмотки.

Рис. 7.9. ИТ на напряжение более 100 кВ с тороидальной магнитной системой и коническими обмотками