ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
HIGH-VOLTAGE TRANSFORMER

Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть использовано для создания высоковольтных трансформаторов на базе замкнутых стержневых магнитопроводов с любой технологией изготовления (шихтованные, ленточные и прессованные).
Трансформаторы на базе замкнутых магнитопроводов давно и широко используются в высоковольтной технике в качестве генераторов напряжения с амплитудой до 1 MB. Использование замкнутых магнитопроводов позволяет обеспечить сравнительно высокий коэффициент полезного действия трансформаторов, но при этом сопряжено с рядом трудностей, связанных с наличием острых кромок на углах магнитопроводов. Напряженность электрического поля на этих кромках может значительно превышать среднюю напряженность в изоляционном зазоре между высоковольтной обмоткой и магнитопроводом. что приводит к снижению электропрочности трансформатора в целом. Один из методов снижения напряженности, часто используемый в лабораторных условиях, заключается в ручном запиливании кромок напильником до получения радиусного скругления. Однако этот метод отличается низкой производительностью, трудностью контроля радиуса скругления кромок, часто приводит к расщеплению и порче ленточных магнитопроводов и поэтому для ответственных изделий в целом непригоден.
Известен высоковольтный трансформатор напряжения каскадного типа (патент на полезную модель RU №42353, H01F 27/00. "Высоковольтный трансформатор напряжения". Общество с ограниченной ответственностью "Лефурше" (RU), опубликовано 27.11.2004), содержащий плоские шихтованные магнитопроводы. на каждом из которых намотаны первичная и вторичная обмотки. Острые наружные углы магнитопроводов защищены от коронных разрядов электростатическими экранами полусферической формы. Недостатком данной конструкции является то, что ребра магнитопроводов при этом никак не защищаются.
Известен высоковольтный импульсный трансформатор (Желтов К.А. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители. - Москва: Энергоатомиздат, 1991. - С.72-78), содержащий ленточный магнитопровод с центральным стержнем, на котором намотаны первичная и вторичная обмотки. Острые ребра магнитопровода прикрываются металлическими экранами с закругленными краями. Экраны выполнены с разрезом, ориентированным вдоль силовых линий магнитного поля.
Недостатками данного устройства является значительная сложность сборки трансформатора, а также расположение участков экранов в изоляционных зазорах между обмотками и магнитопроводом. что приводит к уменьшению величин зазоров и, вследствие этого, снижению электропрочности трансформатора. Сложность сборки в основном связана с изготовлением экрана и установкой его на магнитопроводе. Необходимо осуществить намотку экранирующего слоя на магнитопроводе достаточно сложной формы, выполнить продольный разрез с закреплением краев экрана и при этом обеспечить изоляцию между экраном и магнитопроводом. Разборка такого трансформатора сильно затруднена или вообще невозможна, поскольку экран и другие детали приходится фиксировать, например, эпоксидным клеем.
Наиболее близким к заявляемому является высоковольтный трансформатор (патент RU №2035776, H01F 38/24 "Высоковольтный трансформатор напряжения". Арсон А.Г. и др., опубликовано 20.05.1995), содержащий стержневой магнитопровод с ярмами и двумя горизонтальными стержнями, на каждом из которых намотаны первичная и вторичная обмотки. Устранение возможных пробоев с острых ребер магнитопровода на обмотки осуществляется дополнительными средними, верхними и нижними металлическими экранами. Недостатками технического решения по прототипу являются сложность изготовления экранов, требующего применения штамповки и других высокотехнологичных процессов, а также закрепление экранов при помощи стягивающих шпилек, пропущенных через отверстия в магнитопроводе. Последнее ограничивает типы магнитопроводов, которые могут применяться в данных трансформаторах. Например, ленточные магнитопроводы типа ПЛ не имеют заводских отверстий и поэтому в трансформаторах по прототипу применяться не могут.
Задачей данного изобретения является создание высоковольтного трансформатора на базе замкнутого стержневого магнитопровода, простого в изготовлении и удобного в обслуживании.
Технический результат заключается в повышении технологичности выполнения системы экранов трансформатора при сохранении эффективности экранировки.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным высоковольтным трансформатором, содержащим стержневой магнитопровод с ярмами и стержнями, на первом из которых намотаны первичная и вторичная обмотки, ярма снабжены экранами, защищающими от пробоев с ребер магнитопровода на обмотки, новым является то, что магнитопровод закреплен на экранирующей металлической пластине с вырезом, в котором второй стержень магнитопровода расположен с боковым зазором по контуру, при этом внутренняя плоскость второго стержня заглублена относительно пластины, а кромка выреза сглажена радиусом, также на пластине расположены П-образные металлические экраны, защищающие ярма, каждый экран состоит из двух полуцилиндрических и цилиндрического элементов, нижними торцами полуцилиндрические элементы закреплены на пластине, верхние торцы выступают над внешней поверхностью первого стержня, на этих торцах горизонтально установлен цилиндрический элемент с выемкой, верхние торцы полуцилиндров вставлены в выемку до упора, все детали экранов и пластина взаимно скреплены при помощи резьбовых соединений.
Кроме того, полуцилиндрические элементы своими гранями установлены с зазором по отношению к ярмам.
Закрепление магннтопровода на экранирующей металлической пластине таким образом, что второй стержень расположен в вырезе и его внутренняя плоскость заглублена относительно пластины, позволяет просто и эффективно экранировать пластиной все острые кромки на ребрах второго стержня. При этом сглаживание кромки выреза радиусом позволяет снизить напряженность электрического поля на краях самой экранирующей пластины. Расположение второго стержня с боковым зазором по контуру относительно кромки выреза в пластине ликвидирует возможность искрений в точках контакта магнитопровода с пластиной.
П-образные экраны, расположенные на пластине перпендикулярно ее поверхности, закрывают острые кромки вертикальных ребер ярем. Выполнение экранов из двух полуцилиндрических и цилиндрического элементов позволяет упростить технологии изготовления, так как для этого требуется обычный для любой мастерской набор токарных, фрезерных и слесарных работ. Использование разъемных резьбовых соединений при заявляемом расположении деталей П-образных экранов приводит к тому, что эти экраны легко собираются и разбираются, обеспечивая эффективное экранирование ребер ярем.
Зазор между гранями полуцилиндрических элементов и ярмами играет ту же роль, что и зазор по контуру между вторым стержнем и кромкой выреза в экранирующей пластине, то есть ликвидирует возможность появления искрений.
Таким образом, все перечисленные признаки обеспечивают заявляемый технический результат, который заключается в повышении технологичности выполнения системы экранов трансформатора при сохранении эффективности экранирования острых кромок ребер магнитопровода.
Примером конкретной реализации заявляемого устройства является высоковольтный импульсный трансформатор на 150 кВ. На фиг.1 приведен общий вид ленточного магнитопровода для импульсного трансформатора, на фиг.2 - объемные изображения экранирующих элементов, на фиг.3 - конструкция трансформатора, где:
1, 2 - ярма;
3, 4 - стержни:
5 - основание;
6 - ленточная стяжка;
7 - втулки;
8 - экранирующая пластина;
9 - первичная низковольтная обмотка;
10, 11 - выводы обмотки 9;
12 - вторичная высоковольтная обмотка;
13 - заземленный вывод обмотки 12;
14 - высоковольтный вывод обмотки 12;
15 - полуцилиндрический экранирующий элемент (стойка);
16 - цилиндрический экранирующий элемент (перемычка).
На фиг.4 показано объемное изображение трансформатора (вид сбоку). Высоковольтный импульсный трансформатор заявляемой конструкции (фиг.1) содержит стержневой магнитопровод с ярмами 1, 2 и стержнями 3, 4. Магнитопровод закреплен на плоском основании 5 ленточной стяжкой 6, а основание вместе с трансформатором установлено посредством металлических втулок 7 на общей металлической пластине 8.
На стержне 3 намотаны первичная низковольтная обмотка 9 (выводы 10 и 11) и вторичная высоковольтная обмотка 12 (заземленный вывод 13 и высоковольтный вывод 14). Принцип работы трансформатора заключается в разряде предварительно заряженного конденсатора на выводы 10, 11 первичной обмотки. При этом на высоковольтном выводе 14 появляется импульс высокого напряжения, который идет далее к потребителю. Как нежелательное следствие, кроме высоковольтного вывода 14, высокое напряжение появляется также на внешнем слое обмотки 12 и на ее боковых поверхностях, что приводит к появлению между обмоткой 12 и металлическим магнитопроводом электрического поля с высокой напряженностью. Особенно высока напряженность поля на острых кромках внутренних ребер магннтопровода, где формируется резконеоднородное поле, и поэтому его напряженность может в несколько раз превышать среднюю напряженность поля в зазорах между обмоткой 12 и магнитопроводом. Это создает угрозу пробоев изоляции и снижения электропрочности трансформатора.
В заявляемом трансформаторе используется распространенный способ для борьбы с пробоями, который заключается в расположении поверх острых кромок или в непосредственной близости с ними металлических экранов со скругленными поверхностями. Отличие от трансформатора по прототипу заключается в простоте изготовления экранов с использованием обычных токарных и фрезерных станков на базе небольшой мастерской, а также в упрощении сборки и разборки при возможности использования магнитопроводов любого вида.
Стержень 3 заявляемого трансформатора автоматически экранируется первичной обмоткой 9. которая при намотке образует поверхность с плавными радиусами в местах изгиба провода на ребрах каркаса. Поэтому дополнительно закрывать следует ребра стержня 4 и ярем 1, 2. Ярма 1 и 2 снабжены каждое своим П-образным экраном, закрывающим острые кромки ребер соответствующего ярма. Каждый П-образный экран состоит из двух полуцилиндрических элементов (стойки 15) и цилиндрического элемента с выемкой (перемычка 16). Стойки 15 своими гранями располагаются параллельно боковым граням ярем и вставлены до упора в выемку перемычки 16. Полученный таким образом П-образный экран со стороны, обращенной к обмоткам, обладает поверхностью, состоящей из цилиндрических и сферических участков с достаточно большими радиусами и сравнительно низкой напряженностью электрического ноля на них. П-образный экран закрепляется на экранирующей пластине 8, при этом стойки 15 своими гранями установлены с зазором 1-2 мм относительно боковых граней смежных с ними ярем для устранения случайных контактов, приводящих к искрениям. Соединение стоек 15 и перемычки 16, а также закрепление экранов на пластине 8 осуществляется винтами, что обеспечивает простоту сборки и разборки устройства при обслуживании и замене деталей или узлов трансформатора. С целью экранировки ребер стержня 4, в экранирующей металлической пластине 8 выполнен прямоугольный вырез. Стержень 4 вставлен в него полностью таким образом, что внутренняя грань стержня, обращенная к обмоткам, расположена ниже относительно верхней плоскости пластины 13 на 1-2 мм. Этим простым решением осуществляется эффективная экранировка ребер стержня, смежных с пластиной, а сглаживание кромки выреза предупреждает повышение напряженности поля па самой кромке. Для устранения возможных искрений между стержнем 4 и пластиной 13 выполнен боковой зазор по контуру.
2
Заявляемый трансформатор выполнен на ленточном магнитопроводе AudioALT C-core SE231b (материал - электротехническая сталь, лента 0,2 мм, сечение магннтопровода 32×78 мм. окно 52×150 мм). Первичная обмотка содержит 20 витков провода БПВЛ сечением 1,5 мм, вторичная обмотка содержит 300 витков провода ПЭТВ диаметром 0,5 мм с изоляцией (полиэтиленовая пленка 0,06 мм) в один слой на каждый виток намотки. Детали 5, 7, 8, 15 и 16 выполнены из алюминиевого сплава АМг6, стяжка 6 - из ленты 12Х18Н10Т (нержавеющая стать).
Собранный трансформатор работает в среде трансформаторного масла. При разряде на первичную обмотку батареи из 8 конденсаторов К75-15, 0.25 мкФ, 10 кВ с общей емкостью 2 мкФ, заряженной до 9 кВ, трансформатор обеспечивает без пробоев зарядку сборки из 20-тп высоковольтных конденсаторов UHV-12A общей емкостью 8500 пФ до 150 кВ за время около 5 мкс.