Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Конструкции высокопотенциальных блочных трансформаторов

Высокопотенциальные трансформаторы блочной конструкции (трансформаторы-изоляторы) применяются для накала высоковольтных ламповых вентилей, управляемых вакуумных разрядников и различных высоковольтных устройств, смонтированных на панелях, выполненных в виде блочков, а иногда и крупногабаритных элементов радиоэлектроники, находящихся под высоким потенциалом относительно «земли».
Такие трансформаторы различаются формой изоляционной части: чашеобразной, с экраном-радиатором, тороидальной и др., или типом магнитопровода.
Особенностью тороидальных трансформаторов является размещение магнитопровода внутри обмоток. Это открывает широкие возможности выполнения различных типов высокопотенциальных изделий, в том числе блочной конструкции. Для этого на магнитопровод, уложенный в контейнер или изолированный пленочным негигроскопичным материалом, укладывают сетевую обмотку. Намотка многовитковой обмотки первой позволяет использовать станок, так как размеры окна магнитопровода не препятствуют проходу шпули с необходимой для укладки длиной провода.
Укладка высокопотенциальной обмотки поверх сетевой в тороидальных трансформаторах блочной конструкции позволяет использовать экранирующий эффект, создаваемый низковольтной обмоткой относительно острых кромок магнитопровода, и дает возможность размещать в окне трансформатора элементы, находящиеся под потенциалом самой накальной обмотки (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Высокопотенциальный накальный тороидальный трансформатор блочной конструкции напряжением UΡ= 10 кВ перед (а) и после (б) первичной заливки и его общий вид (в)
1 — колодка и выводы первичной обмотки НИ; 2 — магнитопровод; 3 —контейнер; 4 — пленочная изоляция; 5 — обмотка НН; 6 — компаундная изоляция; 7 — панель; 8 —гнезда; 9 — букса

Этим достигается после укладки обмоток и изоляции наиболее полное использование свободного пространства окна трансформатора для установки в нем панели с ламповыми гнездами и резистором, создающим напряжение смещения на сетке тиратрона.
Для накальных обмоток с ограниченным числом витков при значениях тока, требующих применения проводов диаметром более 1 мм, в технологическом отношении оправдало себя использование мягких многожильных проводов марки ПЩО, более удобных в намотке по сравнению с одножильными проводами ПЭВ-2, ПЛШКО и др. Несмотря на больший диаметр, провод ПЩО обеспечивает меньший коэффициент выпучивания, что приводит к незначительному увеличению размеров намотки.

Накальная высокопотенциальная обмотка размещается в секторе, свободном от выводов сетевой обмотки Крайние витки накальной обмотки надежно фиксируются на необходимом по электрической прочности расстоянии от низковольтных выводов.
Изоляция между обмотками может быть получена или намоткой по образующей тора ленты из бумаги ЭИП-63А, или заливкой компаундом. Лента для увеличения механической прочности складывается в два слоя краями внутрь.
Выравнивание толщины слоя бумаги наружного диаметра до толщины слоя бумаги внутреннего осуществляется нанесением на слой бумаги наружного дополнительного количества слоев бумаги ЭИП-63А. Количество выравнивающих слоев бумаги определяется исходя из отношения наружного диаметра к внутреннему после намотки первичной обмотки.
Наружная изоляция обеспечивается слоем литого компаунда. Компаунд служит также конструктивным материалом для крепления ламповой панели, высоковольтного вывода, букс для установки трансформатора и т. п.
Применение между обмотками литой изоляции требует двукратной заливки, двойного комплекта заливочных форм и т. д. Крепление трансформатора в заливочной форме производится подвеской за выводы сетевой обмотки, установленной на текстолитовой панели. Панель надежно закрепляется на сетевой обмотке.
Выводы сетевой обмотки размещаются по наружному диаметру, а накальной и поджига тиратрона — по внутреннему. При этом подсоединение выводов происходит непосредственно к зажимам ламповых гнезд и к высоковольтным выводам трансформатора.
Эти выводы надежно изолированы накидной текстолитовой гайкой с резиновой прокладкой, через которую проходит высоковольтный кабель внешнего монтажа.
Таким образом, после установки лампы, цоколь которой закрывает окно трансформатора с ламповыми гнездами и установленным между ними резистором смещения, на поверхности блочного трансформатора не остается открытых элементов, находящихся под высоким потенциалом.
Расположение высоковольтных элементов на блоке таково, что габариты трансформатора обеспечивают необходимое разрядное расстояние до ближайших заземленных деталей шкафа выпрямителя и выводов сетевой обмотки.
Для удобства эксплуатации ламповые гнезда делаются съемными. Это облегчает условия их чистки и делает возможным замену при обгорании. Одновременно они используются для закрепления контактов резистора смещения.

На верхнем торце трансформатора имеется прилив с встроeнной буксой для установки замка, закрепляющегося на цоколе лампы.
Для крепления трансформатора используются четыре буксы, залитые в его выступах. Выступы нс выходят за габариты трансформатора. Для лучшего сцепления с эпоксидной смолой буксы на поверхности имеют косую насечку.
Можно отметить достоинства тороидальной блочной конструкции.
Применение тороидального магнитопровода позволяет рационально использовать высокие магнитные свойства холоднокатаной текстурованной стали, а тороидальная конструкция трансформатора дает возможность надежно изолировать сетевую и накальную обмотку друг от друга и исключить необходимость значительной изоляции их от магнитопровода.
Все изложенное, а также отсутствие выводов высокопотенциальной обмотки через изолятор уменьшают габариты трансформатора.
Устранение с наружной поверхности трансформатора деталей, находящихся под высоким потенциалом, дает возможность устанавливать блочные трансформаторы в непосредственной близости друг к другу и к окружающим металлическим частям, не опасаясь поверхностного пробоя. Тем самым уменьшаются размеры выпрямителя. В то же время отсутствие незащищенных высоковольтных элементов увеличивает безопасность обслуживания выпрямителя. Сам трансформатор служит в качестве изолятора для установки и крепления вентиля.
Исключается необходимость крепления ламповой панели и нагрузки для создания напряжения смещения сетки, что упрощает конструкцию лампового выпрямителя и уменьшает его габариты, а также необходимость в высоковольтном монтаже между выводами накальной обмотки трансформатора, зажимами ламповой панели и другими элементами схемы.
Наряду с положительными свойствами тороидальные трансформаторы, и блочные в том числе, обладают некоторыми отрицательными, ограничивающими их широкое применение в силовой аппаратуре. Малые значения индуктивности рассеяния, которые имеют решающее значение для импульсных и высокочастотных трансформаторов, в силовых оборачиваются большими пусковыми токами. Шести- и десятикратные относительно номинального значения пусковые токи приводят к ложным срабатываниям максимальной и тепловой защиты. Возможны также в результате термического воздействия тока большой кратности разрушение межвитковой изоляции и образование короткозамкнутых витков. Размещение обмоток по всему периметру магнитопровода ухудшает условия его охлаждения конвекцией. Снижаются активные нагрузки на материал, что приводит к увеличению массы трансформатора.
Известны также недостатки технологического характера.

Небольшая производительность станков для тороидальной намотки, которая объясняется необходимостью перематывать обмоточный провод с бобины на шпулю и затем со шпули на трансформатор. При неоднократной перемотке увеличивается возможность нарушения изоляции провода.
При отсутствии специальных станков возрастает доля ручного труда, связанная с укладкой провода большого сечения и шинки прямоугольной формы, с укладкой пленочной или бумажной межслоевой и межобмоточной изоляции. Эти трудности возрастают с увеличением мощности и напряжения трансформаторов.
Указанные недостатки отсутствуют в блочной конструкции высокопотенциальных трансформаторов накала на магнитопроводах типа ПЛ и ШЛ.
Оптимальные условия размещения таких трансформаторов в высоковольтных ламповых выпрямителях определяются использованием изоляторной части чашеобразной формы (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Высокопотенциальный накальный трансформатор блочной конструкции с чашеобразной изоляторной частью
1 — магнитопровод; 2 — катушка; 3 — заземленный электростатический экран; 4 — высокопотенциальный электростатический экран; 5 — ламповые гнезда; 6— изоляторная часть

Вентиль или другой прибор, который питается от высокопотенциальной обмотки и имеет тот же потенциал, устанавливается непосредственно на катушке. Изоляторная часть чашеобразной формы локализует все элементы трансформатора и вентиля, находящиеся под высоким потенциалом относительно «земли». Равномерное электрическое поле на поверхности изоляторной части, а следовательно, и минимальные ее габариты достигаются методами моделирования электрических полей.
Установка высоковольтного тиратрона, газотрона или любого другого прибора непосредственно на залитую эпоксидным компаундом катушку делают размеры от основания трансформатора до верхней части прибора также минимальными. Величина изоляторной части не влияет на общие габариты трансформатора и вентиля, так как высота высоковольтного прибора, как правило, больше изоляторной части.
Чашеобразная форма изоляторной части позволяет точно и надежно подвешивать высокопотенциальную обмотку в заливочной форме. Тем самым гарантируется высокая надежность сохранения заданных размеров внутренней и внешней изоляции.
Оптимальные размеры таких изоляторных частей обеспечиваются, если наружный диаметр D„ не превышает размеров длины магнитопровода с арматурой крепления В (рис. 9.3) и не меньше диагонали катушки, т. е. если выполняется условие
(9.1)
где а и b — размеры основания катушки.
Неравенство (9.1) может быть ограничено условиями размещения внутри изоляторной части локализуемых однопотенциальных элементов, т. е. наименьшими размерами внутреннего диаметра DBH и толщиной стенок изоляторной части. Толщина определяется длительной электрической прочностью компаунда и связана с допустимыми размерами диаметров высокопотенциальной обмотки и, особенно, заземленного экрана D3. Диаметр D3 определяется построением развертки сопряжения катушки и изоляторной части методами начертательной геометрии.
Высота изоляторной части зависит от габаритов локализуемых однопотенциальных деталей и определяется удобствами визуального наблюдения за ламповыми гнездами и возможностью контроля за наличием напряжения на них.
Главная изоляция катушки имеет однородную структуру и минимальные термоупругие напряжения. Этому способствуют отсутствие каркасов из жестких материалов и прокладок из отвержденного компаунда, а также то, что заливка производится за один технологический цикл.
Сетевая обмотка уложена на слой переплетного картона и закрепляется в заливочной форме на ее оправке (знаке), а высокопотенциальная обмотка подвешивается к крышке формы на выводы-шпильки (рис. 9.3). Высокопотенциальный экран четко фиксируется в форме: нижнее кольцо экрана устанавливается в канавку текстолитовой панели трансформатора и сверху прижимается крышкой формы посредством тех же выводов-шпилек.
Буксы, которыми впоследствии будет крепиться в шкафах или блоках трансформатор, притягиваются винтами к дну формы. Винты имеют шайбы из фторопласта, который благодаря своей текучести служит буфером, снижая напряжения в компаунде при его усадке и при воздействии термоупругих напряжений.

Размеры и число залитых букс, в зависимости от массы
Таблица 9.4

1 — катушка трансформатора; 2 — магнитопровод с арматурой; 3 — выводы первичной обмотки; 4 — металлизация катушки; 5 — высокопотенциальная обмотка; 6 — заземленный электростатический экран; 7 — изоляторная часть катушки; 8 — высокопотенциальный электростатический экран; 9 — панель текстолитовая; 10 — выводы высокопотенциальной обмотки

Рис. 9.4. Высокопотенциальный трансформатор блочной конструкции с тороидальной изоляторной частью для питания и изоляции высоковольтного устройства (Р =54 В-A; Up = 21 кВ; U= 50 кВ)
трансформатора и диаметра винтов выбираются по табл. 9.4 для нагрузок с ускорением до 500g.

В описанной блочной конструкции высокопотенциального трансформатора накала тиратрона основные требования проектирования изделий с равномерными электрическими полями, однородной структурой изоляции и с минимальными термоупругими напряжениями. В них также достигнуто гармоничное сочетание конструкции трансформатора и заливочной формы, методов крепления в ней обмоток, электростатических экранов и других элементов.
Компоновка высоковольтных радиотехнических устройств с высокопотенциальными трансформаторами блочного типа, имеющих не чашеобразную, а тороидальную изоляторную часть, дает такой же технический эффект.

Рис. 9.5. Высокопотенциальный накальный трансформатор блочной конструкции с экраном-радиатором (Up —16 кВ; Uп = 35 кВ)

На рис. 9.4 представлен один из вариантов таких трансформаторов. Форма изоляторной части и расположение электростатических экранов выбраны с учетом обеспечения равномерного электрического поля на поверхности.
Внешний диаметр определяется так же, как и диаметр в чашеобразной конструкции. Расстояние от центра, где -размещены выводы высокопотенциальной обмотки, до заземленных экранов выбрано с учетом отсутствия короны при испытательном напряжении. Изоляторная часть обеспечивает внешнюю изоляцию и надежное крепление с помощью выводов-шпилек панелей с высоковольтными приборами, изолирует их относительно «земли» и избавляет от внешнего монтажа между трансформатором и прибором.
Трансформаторы с тороидальной изоляторной частью применяются для питания маломощных полупроводниковых схем.
Появление высоковольтных вентилей в металлокерамическом и металлическом исполнениях с повышенной механической прочностью и увеличенным сроком службы привело к появлению новых типов накальных высокопотенциальных трансформаторов с внешним электростатическим экраном-радиатором (рис. 9.5).
Особенностью указанных типов ламп является крепление их за баллон, температура которого достигает 200... 250° С. Технические условия на металлокерамические вентили предусматривают установку их на специальные радиаторы и принудительное охлаждение.
Охлаждение баллона лампы осуществляет разработанный радиатор, который одновременно является электростатическим экраном, локализующим высокопотенциальные выводы и детали конструкции лампы. Щели в экране-радиаторе увеличивают площадь охлаждения и обеспечивают дополнительное конвекционное охлаждение потоком более холодного воздуха, засасываемого через щели.
Для мощных ртутных тиратронов со стеклянным баллоном также требуется интенсивное охлаждение горловины лампы и крепление ее за цокольную часть, имеющую высокую рабочую температуру.

Во всех этих случаях употребляются трансформаторы блочной конструкции с электростатическим экраном-радиатором, размер которого определяется главным образом площадью охлаждения из выражения
(9.2)
где Рт — суммарная мощность, выделяемая установленным на радиаторе тиратроном; ST— площадь радиатора, омываемая конвективным потоком; t и t0 — температура тиратрона и окружающего воздуха; φκ — конвективный коэффициент теплоотдачи; φτ и φр — коэффициенты излучения для тиратрона и радиатора.
Выражение (9.2) получено из предположения, что тиратрон, имеющий надежный электрический и тепловой контакты с экраном-радиатором, охлаждается потоками, предварительно омывающими щели и внутреннюю поверхность радиатора.
Таблица 9.5

В табл. 9.5 приведены сравнительные данные различных способов охлаждения импульсных тиратронов на 500 А, 16 кВ в зависимости от материала и конструкции радиатора, на котором они устанавливаются.
Из табл. 9.5 видно, что наиболее эффективным является охлаждение тиратрона посредством экрана-радиатора по сравнению с другими вариантами, в области вывода «Катод», с которым имеется непосредственный механический контакт.
Снижение температуры вентиля способствует увеличению срока его службы. Приведенная конструкция обладает также всеми положительными свойствами, характерными для других типов блочной конструкции трансформаторов.
Преимущества в габаритах и массе, которые дают высокопотенциальные трансформаторы накала с экраном-радиатором в трехфазных выпрямителях на тиратронах ТР1-40/15 (рис. 9.6), видны из табл. 9.6.
Таблица 9.6

Из таблицы следует, что габариты выпрямителя, выполненного на блочных трансформаторах канала, в 2 раза меньше такого же выпрямителя на трансформаторах обычной конструкции. Помимо снижения габаритов, в новых выпрямителях улучшаются условия эксплуатации по температурному режиму, сокращается высоковольтный монтаж, упрощается конструкция шкафов и т. д. Получается значительный экономический эффект.

Рис. 9.6. Высокопотенциальный накальный трансформатор блочной конструкции с установленным тиратроном ТР1-40/15
Появились также другие типы трансформаторов блочной конструкции, в которых ламповая панель установлена на конце двухреберной изоляторной части. Такая конструкция исключает необходимость высоковольтного монтажа между трансформатором и вентилем, но не дает существенного снижения габаритов блока, характерного для конструкций, у которых лампа устанавливается непосредственно на катушке. Сохраняется также разрядное расстояние относительно окружающих заземленных элементов и соседних вентилей. Увеличение высоты установки вентиля относительно основания крепления снижает механическую прочность сблокированной системы. Для установки вентиля увеличивается диаметр изоляторной части и нерационально увеличивается масса трансформатора.
(Р = 350 В-A; Uр =15 кВ; Un = 40 кВ)
Трансформатор с юбочной изоляторной частью имеет преимущества по сравнению с предыдущей конструкцией, которая позволяет уменьшить габариты и массу. Юбочный изолятор обеспечивает изоляцию выводов высокопотенциальной обмотки относительно магнитопровода и выводов сетевой обмотки, но не дает возможности изолировать высокопотенциальные элементы трансформатора и вентиля от окружающих элементов. Усложняются условия изготовления, связанные с отливкой изоляторной части отдельно от катушки и последующей ее приклейкой к катушке. Место склейки является ослабленным в электрическом и механическом отношении.