ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
HIGH-VOLTAGE PULSE TRANSFORMER

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в малогабаритных ускорителях заряженных частиц, рентгеновских аппаратах и т.п.
Известны высоковольтные импульсные трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой, например трансформатор авторов Вдовина С.С. и Шамрая Ю.Ю. (А.с. №989596, кл. МПК H01F 19/08, опубл. 15.01.1983 г.), содержащий первичную обмотку, образованную металлическим центральным стержнем и корпусом, а также вторичную высоковольтную обмотку, расположенную на изоляционном цилиндре.
Недостатком этого и других трансформаторов с одновитковой первичной обмоткой является низкая индуктивность такой обмотки, что приводит к жестким требованиям снижения собственной индуктивности питающих конденсаторов и длины токоподводов.
Известны импульсные высоковольтные трансформаторы (Белкин Н.В., Худякова Л.Н., Боголюбов В.В, Тараканов М.Ю. Высоковольтный блок генератора коротких импульсов с трехэлектродной трубкой. ПТЭ №1, 1981, стр.224-225), (Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И., Дядьков А.Н. Малогабаритный сильноточный импульсный источник РАДАН СЭФ-303А. ПТЭ №1, 1993, стр.149-155), в которых обмотки расположены внутри металлического корпуса, первичная обмотка имеет несколько витков, выполненных металлической лентой, для улучшения магнитной связи обмоток имеется разомкнутый магнитопровод, состоящий из внутренней и наружной частей. Внутренняя часть расположена внутри вторичной обмотки, наружная - на внутренней стенке корпуса вблизи первичной обмотки.
Недостатками этих трансформаторов является обязательное, из-за высокой проводимости металлического корпуса, наличие магнитопровода и выполнение первичной обмотки из тонкой ленты. Магнитопровод быстро насыщается в сильном магнитном поле первичной обмотки, что приводит к нелинейности зависимости напряжения на вторичной обмотке от напряжения на первичной, и ограничению энергии, перекачиваемой из первичного контура во вторичный. Особенно это относится к магнитопроводам из феррита, у которых мала индукция насыщения. У электротехнической стали индукция в несколько раз больше, зато на порядок ниже рабочие частоты, в результате чего соответственно увеличивается длительность высоковольтных импульсов и снижается электропрочность трансформатора. Выполнение первичной обмотки из тонкой ленты сопряжено с технологическими трудностями, поскольку ее трудно закреплять, а острый край тонкой ленты является причиной появления высокой напряженности электрического поля вблизи обмотки и пробоев трансформатора. Приходится защищать обмотку специальным экраном, что усложняет конструкцию устройства.
Наиболее близким к заявляемому является высоковольтный импульсный трансформатор автора Сапачева В.И. (А.с. №1292631, кл. МПК H01F 19/08, опубл. 20.02.1995 г.), содержащий изоляционный корпус, поверх которого расположена первичная обмотка, внутри корпуса расположен диэлектрический каркас, на котором намотана вторичная обмотка. Обе обмотки выполнены однослойными, первичная обмотка содержит несколько витков. Диэлектрический корпус не влияет на величину магнитной связи обмоток, как это происходит в трансформаторах с металлическим корпусом, поэтому трансформатор по прототипу может выполняться без магнитопровода. При необходимости увеличения электропрочности зазора между обмотками в корпус заливается жидкий диэлектрик.
Недостатком данного трансформатора является расположение первичной обмотки на наружной поверхности корпуса. В результате в зазоре между обмотками располагается комбинированная изоляция, состоящая из стенки корпуса и слоя жидкого диэлектрика. При этом из-за наличия некоторой проводимости жидкого диэлектрика большая часть напряжения выделится на твердом диэлектрике. Кроме того, жидкий диэлектрик восстанавливается после небольших пробоев и при наличии электрической короны, а в твердом диэлектрике со временем происходит накопление дефектов, что приводит в конце концов к пробою; электропрочность жидкого диэлектрика заметно возрастает с уменьшением длительности высоковольтного импульса, а в твердом диэлектрике этот эффект проявляется только при субнаносекундных длительностях, поэтому в результате его импульсная электропрочность, как правило, ниже, чем у жидкого диэлектрика.
В данном изобретении решалась задача создания высокотехнологичного высоковольтного импульсного трансформатора, пригодного для промышленного применения.
Техническим результатом является повышение электропрочности и ресурса работы трансформатора.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным высоковольтным импульсным трансформатором, содержащим диэлектрический корпус, на поверхности которого расположена первичная обмотка, внутри корпуса расположен диэлектрический каркас, на котором закреплена вторичная обмотка, обе обмотки выполнены однослойными, корпус заполнен жидким диэлектриком, новым является то, что первичная обмотка содержит два витка, представляющие собой цилиндрические кольца с разрезом вдоль образующей, и расположена на внутренней поверхности корпуса, каждое кольцо закреплено при помощи двух токопроводящих герметизирующих стягивающих элементов, которые выведены наружу через стенки колец и корпуса в радиальном направлении и имеют прижимной электрический контакт с кольцом, и резьбовой диэлектрической втулки с коническим участком, обеспечивающей прижим кольца к соответствующему торцевому выступу и внутренней поверхности корпуса.
Кроме этого, электрическое соединение колец в обмотке осуществляется снаружи корпуса токопроводящей перемычкой между герметизирующими стягивающими элементами, подключенными к концу первого и началу второго витков, токопроводящий герметизирующий стягивающий элемент выполнен в виде винта со шляпкой и гладким цилиндрическим участком, электрический контакт стягивающих элементов с кольцами первичной обмотки осуществлен при поджиме шляпок токопроводящих элементов к внутренней поверхности колец, на внутренней поверхности корпуса выполнены продольные канавки, перекрывающие зону контакта колец с корпусом.
Расположение витков первичной обмотки на внутренней поверхности диэлектрического корпуса позволяет обеспечить однородную жидкую изоляцию между обмотками, поскольку диэлектрическая стенка корпуса при этом вынесена из зазора между обмотками. Выполнение витков в виде точеных цилиндрических разрезных колец позволяет выдержать с необходимой точностью установочные размеры витков, что облегчает надежное закрепление витков в корпусе.
Выбор количества витков обмотки, равного двум, вызван конструктивными ограничениями, при которых в корпусе с двух сторон можно вставить не более двух точеных колец одного диаметра. В то же время, как показывает многолетняя практика, два витка имеют вполне достаточную индуктивность для использования значительно более широкого ассортимента импульсных конденсаторов (типа К75-15, К75-48 и т.д.) и не столь критичны к монтажу токоподводов по сравнению с трансформаторами с одновитковой первичной обмоткой.
Закрепление каждого кольца осуществляется при помощи резьбовой диэлектрической втулки, которая обеспечивает осевой прижим кольца к соответствующему торцевому выступу. При этом, благодаря наличию наружного конического участка на втулках, разрезные кольца раздаются по диаметру и прижимаются также к внутренней поверхности корпуса. При постоянном воздействии на витки первичной обмотки ударов, вызванных взаимодействием магнитных полей обмоток, это гарантирует надежную фиксацию первичной обмотки в течение длительного времени.
Выполнение выводов обмотки в виде токопроводящих герметизирующих стягивающих элементов, которые выведены наружу через стенки колец и корпуса в радиальном направлении, позволяет усилить крепление кольца в корпусе и при этом значительно упростить сборку и разборку трансформатора, поскольку и обмотка и ее выводы закреплены на одном конструктивном элементе (на корпусе) и механически не связаны, например, с дном устройства, на котором обычно крепится каркас вторичной обмотки. В заявляемом трансформаторе стягивающие элементы выполнены в виде винтов со шляпкой и гладким цилиндрическим участком. Их герметизация обеспечена раздавливанием резиновой прокладки между цилиндрической поверхностью винтов и проточкой в корпусе. Винты при этом своими шляпками сильно притянуты к внутренней поверхности колец и при условии использования оптимальных пар материалов колец и винтов (например, кольца изготавливаются из алюминиевого сплава, а винт из стали 12Х18Н10Т) обеспечивают качественный контакт без искрений при величине тока в несколько килоампер. Такое электрическое соединение не требует пайки и поэтому легко собирается и разбирается.
Одной из непростых задач при заливке трансформатора жидким диэлектриком является удаление воздуха. Особенно это касается устройств, в которых используется слоистый диэлектрик, как, например, в трансформаторах с первичной обмоткой в виде ленты. В заявляемом трансформаторе удаление пузырьков воздуха из полостей, образованных технологическими зазорами между деталями, предельно упрощено отсутствием пористых материалов, а также наличием продольных канавок, расположенных в зоне контакта колец и внутренней поверхности корпуса. Через эти канавки осуществляется эффективная откачка полостей, наиболее далеко расположенных от откачного патрубка. Длина канавок превышает суммарную длину колец и осевого зазора между ними, что обеспечивает перекрытие каждой канавкой зоны контакта корпуса с кольцами, открытый выход канавок в откачиваемую полость трансформатора и способствует быстрому удалению воздуха из внутреннего объема трансформатора и увеличению надежности и ресурса его работы.
Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат, поскольку перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет повысить электропрочность промежутка между обмотками, обеспечить надежное закрепление витков первичной обмотки, улучшить условия откачки воздуха из трансформатора и значительно упростить его обслуживание, что в итоге способствует увеличению ресурса работы трансформатора.
На фиг.1 показана конструкция заявляемого трансформатора, где:
1 - диэлектрический корпус;
2 - кольцо (виток первичной обмотки);
3 - резьбовая диэлектрическая втулка;
4 - вывод первичной обмотки;
5 - диэлектрический каркас;
6 - вторичная обмотка;
7 - дно;
8 - жидкий диэлектрик.
На фиг.2 показана первичная обмотка со стороны выводов, где:
9 - токопроводящая перемычка;
10 - разрез вдоль образующей.
На фиг.3 показана конструкция токопроводящих герметизирующих стягивающих элементов (выводов первичной обмотки) 4, где:
11 - токопроводящий герметизирующий стягивающий элемент;
12 - герметизирующая прокладка;
13 - металлическая втулка;
14 - гайка.
На фиг.4 показана фотография заявляемого трансформатора на напряжение 500 кВ.
Заявляемый высоковольтный импульсный трансформатор (фиг.1) содержит диэлектрический корпус 1, на внутренней поверхности которого закреплены два витка 2 первичной обмотки при помощи резьбовых диэлектрических втулок 3 и токопроводящих герметизирующих стягивающих элементов 11, которые входят в состав выводов 4 первичной обмотки. На диэлектрическом каркасе 5 намотана вторичная обмотка 6. Каркас с обмоткой закреплены на дне 7, которое, в свою очередь, герметично закреплено на корпусе. Внутренний объем трансформатора заполнен трансформаторным маслом 8. Для организации двухвитковой первичной обмотки витки 2 соединены снаружи корпуса посредством токопроводящих элементов 4 и перемычки 9 (фиг.2).
На фиг.3 показана конструкция токопроводящих герметизирующих стягивающих элементов (выводов первичной обмотки) 4 первичной обмотки. Винт 11 изнутри корпуса проходит сквозь стенки кольца 2 и корпуса 1, и снаружи затягивается гайкой 14. При этом втулка 13 раздавливает прокладку 12, чем обеспечивается герметизация винта в корпусе. Одновременно осевое усилие, вызванное затяжкой гайки 14, притягивает шляпку винта к внутренней поверхности кольца 2 и этим обеспечивает надежный электрический контакт винта 11 с кольцом 2. При разборке трансформатора достаточно отвернуть гайки 14, чтобы вынуть винты 11, и затем кольца 2 свободно вынимаются из корпуса.
Трансформатор работает следующим образом. Подключение к первичной обмотке заряженного конденсатора вызывает генерацию магнитного поля, которое охватывает вторичную обмотку и приводит к появлению импульса высокого напряжения на ее выводах. Для использования в сильноточных устройствах такие трансформаторы, как правило, включаются в схему формирования, в которую входит высоковольтная формирующая линия или конденсатор, и коммутирующий разрядник.
6
7
8
Заявляемый импульсный трансформатор на выходное напряжение 500 кВ был изготовлен и прошел ресурсные испытания. Фотография трансформатора с конической вторичной обмоткой приведена на фиг.4. При испытаниях трансформатор был залит сухим трансформаторным маслом, на первичную обмотку с частотой около 10 Гц разряжались два последовательно включенных конденсатора К75-48, 0.22 мкФ, 25 кВ. При общем напряжении зарядки конденсаторов, равном 32 кВ, амплитуда тока через первичную обмотку достигала 13 кА. Вторичная обмотка была нагружена на конструктивный конденсатор емкостью 60 пФ, который заряжался на второй полуволне напряжения до 500 кВ, а затем при помощи высоковольтного разрядника подключался к нагрузке. Трансформатор был испытан на 10 импульсов, при этом в области прижимных контактов герметизирующих стягивающих элементов с витками первичной обмотки искрений не наблюдалось. Прогнозируемый ресурс трансформатора - не менее 10 импульсов, а при условии периодической смены жидкого диэлектрика - до 10 импульсов.
Таким образом, заявляемый высоковольтный импульсный трансформатор при использовании его в диапазоне напряжений 100-1000 кВ обладает большими электропрочностью и ресурсом по сравнению с трансформатором по прототипу. Его конструкция позволяет существенно упростить изготовление и обслуживание таких трансформаторов и делает возможным их изготовление не только в лабораторных условиях, но и в промышленности с целью создания высоковольтных устройств, предназначенных для испытательного высоковольтного оборудование, компактных ускорителей заряженных частиц, рентгеновских аппаратов и т.д.