7.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ С ГОРИЗОНТАЛЬНО УСТАНОВЛЕННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ

При горизонтальной установке МС особенно просто реализуются ИТ со спиральными, обмотками, для чего применяется компоновка МС по рис. 7.6. Секции спиральной обмотки размещаются в секторах между элементами крепления 1 магнитной системы, как показано на рис. 7.10, где приведен вариант с тремя элементами крепления. На наматываются секции обмоток 3, начало каждой из которых соединяется с обечайкой МС и имеет нулевой потенциал. После намотки первичной обмотки на нее накладывается кольцо 4 из проводникового материала (меди). Кольцо соединяется с витками пайкой. Далее намотка продолжается и концы секций закрепляются на кольце 5, служащем выводом вторичной обмотки. Таким образом обеспечивается автотрансформаторное включение обмоток, причем первичное напряжение прикладывается между обечайкой и кольцом 4, а высокое вторичное снимается с кольца 5. Трансформаторы такого типа целесообразны при напряжении до 100 кВ в качестве как повышающих, так и понижающих - в тех случаях, когда особенно важна малая индуктивность рассеяния.

Рис. 7.10. ИТ с тороидальной магнитной системой и спиральными обмотками

В весьма мощных ИТ, когда диаметр МС велик, вертикальная ее установка трудноосуществима. В таких случаях существенными конструктивными преимуществами обладает горизонтальная установка, также позволяющая реализовать обмотки с вводом посредине.

Рис. 7.11. ИТ с горизонтально установленной магнитной системой и цилиндрическими обмотками с вводом посредине

Один из возможных вариантов компоновки приведен на рис. 7.11 [39]. Конструктивной основой ИТ является помещенная в обечайку МС 1. На МС одним из описанцых ранее способов накладываются секции первичной обмотки 2. Со стороны нижнего и верхнего торца МС на трех опорах 6, расположенных в районе элементов крепления МС, устанавливаются изоляционные кольца 3 из органического стекла, служащие одновременно каркасом вторичной обмотки 4. Секции вторичной обмотки из двух симметричных частей, образующих три обмотки с вводом посредине, располагаются в секторах между элементами крепления МС. Первичная и вторичная обмотки изолируются друг от друга масляным промежутком 5. Вывод высокого напряжения располагается в точке А. Трансформатор крепится к крышке масляного или злегазового бака

и вместе с нею образует выемную часть конструкции. Выводы высокого напряжения каждого сектора соединяются между собой, высокое напряжение выводится посредством общего высоковольтного изолятора. Для того чтобы изоляционные кольца 3 не прогибались вовнутрь под натягом проводов вторичной обмотки, между кольцами можно устанавливать распорки одним из описанных ранее способов. При большом диаметре МС изоляционные кольца могут заменяться секторами, крепление которых осуществляется на отдельных опорах. Конструкция ИТ на рис. 7.11 целесообразна при диаметре МС болеё 1,5 м, когда линейные размеры секторов достаточны для обеспечения продольной электрической прочности секции обмоток.

Во многих случаях тороидальные МС большого диаметра не могут быть изготовлены. Тогда, при наличии магнитопроводов относительно малого диаметра, можно реализовать специально разработанную конструкцию высоковольтного ИТ (рис. 7.12) [40]. Несколько одинаковых магнитопроводов И, на каждый из которых наложены обмотки 12 с одинаковым числом витков, разделены изоляционными кольцами 4 из органического стекла, имеющими выточки для фиксации магнитопроводов. Все обмотки на отдельных магнитопроводах соединяются последовательно и образуют вторичную высоковольтную обмотку ИТ. Магнитопроводы устанавливаются на фундаментной плите 2 и фиксируются на ней посредством направляющей трубы 3 и прижимного кольца 4. С помощью расположенных на плите 2 стержней 5 и распорных труб 6 в верхней части ИТ установлена плита 7. Стержни 5 в количестве 4 ... 8 шт. служат одновременно для крепления ИТ к крышке масляного бака.

В центре плит делаются отверстия разного диаметра - большего на плите 2 и меньшего на плите 7. По контуру отверстий фиксируются внутренние участки витков первичной обмотки 8. Внешние участки фиксируются в отверстиях на периферии плит 2 и 7. Диаметр этих отверстий соответствует диаметру провода первичной обмотки. Диаметр отверстий в центральной части плит 2 и 7 и диаметр окружностей, по которым располагаются отверстия на периферийной части плит, выбираются так, чтобы расстояние между магнитопроводами, образующими МС ИТ, и витками первичной обмотки постепенно увеличивалось снизу вверх. Таким образом в ИТ реализуется коническая обмотка. У этого ИТ в отличие от описанных ранее первичная обмотка 8 размещена поверх вторичной.

Выводы первичной обмотки 1 и 10 подсоединяются к установленным на крышке бака низковольтным изоляторам, так как находятся под нулевым (вывод 1) или относительно невысоким первичным (вывод 10) напряжением. Высоковольтный вывод 9 вторичной обмотки, являющийся концом обмотки на последнем, верхнем магнитопроводе, выходит через достаточно большое отверстие в плите 7 и подсоединяется к высоковольтному изолятору (масляному вводу), установленному

на крышке бака. Труба 3 изготовляется из стеклоэпоксида или бакелитового цилиндра, детали 2, 4, 7 — из стеклоэпоксида, или текстолита.

Рис. 7.12. (см. скан) Импульсный трансформатор с горизонтально установленной магнитной системой и коническими обмотками

Благодаря описанному расположению магнитопроводов и последовательному соединению обмоток напряжение на обмотках магнитопроводов постепенно нарастает от нижнего к верхнему относительно небольшими скачками: где к — число магнитопроводов; — полное напряжение на вторичной обмотке. Если число магнитопроводов

выбрано достаточно большим, то напряжение на каждом из них относительно невелико и надежная изоляция между обмотками осуществляется простым выбором толщины разделительных колец 13, несмотря на то что полное напряжение может быть весьма высоким. Из опыта проектирования ИТ такого типа можно считать рациональным напряжение на каждом магнитопроводе до 50 кВ. При таком напряжении общее число магнитопроводов не слишком велико и в то же время чрезмерных трудностей с изоляцией не возникает. Более или менее типичное число магнитопроводов — 10;

Так как между первичной и вторичной обмотками отсутствуют конструктивнее детали, то нет и путей для поверхностного разряда. Роль главной изоляции между обмотками выполняет трансформаторное масло. Благодаря этому электрическое поле в междуобмоточном пространстве достаточно однородно, за счет чего и достигается высокая электрическая прочность изоляции. Единственный путь для поверхностного разряда сохраняется вдоль трубы 3. Однако это не нарушает высокой электрической прочности вторичной обмотки, так как, во-первых, последовательное соединение одинаковых секций магнитопроводов обеспечивает равномерное распределение напряжения по высоте вторичной обмотки и, во-вторых, поскольку число магнитопроводов относительно велико, то высота ИТ оказывается большой и путь поверхностного разряда — длинным.

Конструктивный расчет ИТ производится по приведенной ранее методике. Особенности расчета в следующем. Число витков первичной обмотки находится по формуле

где — площадь сечения магнитопровода.

Наиболее целесообразно квадратное сечение магнитопроводов. Дня этого случая индуктивность рассеяния, емкость вторичной обмотки относительно МС и междуобмоточная емкость, приведенные к числу витков первичной обмотки, выражаются формулами

где — наружный и внутренний диаметр — максимальная толщина междуобмоточной изоляции (в районе углов и верхнего торца верхнего магнитопровода); - толщина изоляции между магнитопроводом и витками вторичной обмотки; — толщина изоляционного кольца.

При прямоугольном сечении индуктивность рассеяния и обе емкости увеличиваются примерно в раз.

Специально проведенным сравнением установлено, что индуктивность рассеяния и емкости обмоток в данном ИТ выше, чем в ИТ обычных конструкций, и поэтому относительно велики искажения фронта импульса. В то же время искажения вершины импульса и объем МС в нем значительно меньше. Так, при искажения фронта увеличиваются примерно в 1,5 раза, а искажения вершины и объем МС уменьшаются в 3,16 раза, что во многих случаях более важно, чем некоторое увеличение искажений фронта. Однако главное достоинство описанной конструкции состоит в возможности применения магнитопроводов малого диаметра и обеспечения сравнительно простым способом надежной изоляции при весьма высоких напряжениях.

Данной конструкции ИТ свойственны и некоторые недостатки. Так, необходимо предусматривать каналы для выхода воздуха из-под изоляционных колец меящу магнитопроводами. Для этого кольца в местах нулевого потенциала (середина секций), где обмотки соединяются с магнитопроводами, снабжаются прорезями на буртиках и вся выемная часта ИТ устанавливается слегка наклонно - так, чтобы прорези были выше остальной части колец. Вследствие большой высоты вертикальных участков витков первичной обмотки первична обмотка склонна к вибрации на частоте повторения импульсов.

В одном из изготовленных и длительное время эксплуатировавшихся ИТ такого типа [40] были применены магнитопровода из пермаллоя марки с внутренним и наружным диаметром 250 и 420 мм, шириной ленты 25 мм и тол-шиной 0,05 мм. Каждый магнитопровод состоял из трех сердечников, разделенных шайбами из электрокартона толщиной 0,5 мм; общее число магнитопроводов с обмотками равнялось 10. Толщина разделительного кольца из органического стекла была 15 мм. Секции вторичной обмотки содержали по 260 витков, середины секций соединялись с магнитопроводами с целью удаления электростатического заряда и более равномерного распределения напряжения. Первичная обмотка содержала 14 витков из трех проводов БПВЛ-25. Расстояние между первичной и вторичной обмотками вверху составляло 80 мм. Габариты выемной части мм. При таких конструктивных параметрах ИТ повышал от 22 до 400 кВ напряжение импульсов длительностью до 100 мкс и мощностью до 100 МВт при скважности менее 100, удлиняя в различных режимах работы фронт импульса на 5 ... 8 мкс при выбросе на фронте импульса до 5% и снижении напряжения на вершине до 2%, а также выдерживая кратковременные аварийные состояния, в которых вторичное напряжение достигало 800 кВ. Эти опытные данные позволяют считать, что ИТ такого типа могут применяться для получения импульсного напряжения до 1 MB.

Важно отметить, что в этих ИТ необходим подбор магнитопроводов по одинаковым свойствам, прежде всего по индукции насыщения, — для равномерного распределения напряжения между отдельными магнитопроводами.

Опыт проектирования ИТ с тороидальными МС показал, что применение многослойных обмоток для получения высоких напряжений нецелесообразно, так как ИТ не удается выполнить достаточно электропрочным. Попытки повысить электрическую прочность, увеличивая толщину изоляционных промежутков, приводят к значительному увеличению массы и габаритов ИТ и большим удельным объемам МС.