Накальные высокопотенциальные трансформаторы с малой емкостью относительно сетевой обмотки и заземленных элементов, которую в дальнейшем будем называть емкостью трансформатора, применяются для уменьшения потери мощности сигнала в усилительных устройствах.
Задачи снижения емкости возникают также в трансформа торах, у которых высокий потенциал имеет повышенную частоту и в которых во избежание теплового пробоя требуется снижение диэлектрических потерь. Из выражения для определения диэлектрических потерь видно, что они пропорциональны емкости:
(9.3)
где U— рабочий потенциал вторичной обмотки; С — емкость трансформатора; f — частота рабочего потенциала.
В обычных высоковольтных и высокопотенциальных трансформаторах малой мощности с электростатическими экранами и металлизированной поверхностью значение емкости составляет сотни и тысячи пикофарад. Например, в трансформаторах серии ТНБВ емкость составляет от 100 до 200 пФ. В крупногабаритных трансформаторах мощностью до 50 кВ-А каждая катушка имеет емкость около 1000 пФ.
Задачи снижения емкости трансформатора Сх возникают при необходимости изменения ее значения от единиц до десятков пикофарад.
Снижение емкости достигается уменьшением площади поверхности обмоток относительно друг друга и относительно магнитопровода, применением изоляции с минимальной диэлектрической проницаемостью и увеличением изоляционного промежутка. Данные положения следуют из уравнения для плоского конденсатора с двумя параллельными обкладками, которому можно приравнять емкости обмоток относительно друг друга и относительно магнитопровода:
(9.4)
где ε — диэлектрическая проницаемость изоляции; S — площадь поверхности электродов; l— изоляционное расстояние.
В случае сложного диэлектрика емкость такого конденсатора определяется из уравнения
(9.5)
Снижение емкости в трансформаторе осуществляется уменьшением числа витков в слое, преимущественным использованием воздушной изоляции или пористых материалов типа пенопластов с большим содержанием воздуха. Применяются также специальные конструктивные меры: укладка обмоток с небольшим количеством слоев «пирамидкой», секционирование обмоток, когда межслоевая емкость значительно превышает емкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом, использованием обмоток обратной связи и т. д.
Высокая эффективность снижения емкости достигается при размещении сетевой и высокопотенциальной обмоток на разных кернах, причем для них используется наиболее узкая часть магнитопровода. Тем самым участки обмоток, расположенных вне окна магнитопровода, максимально удалены относительно друг друга и относительно магнитопровода. Увеличение изоляционного расстояния между торцевой частью обмоток и острыми кромками магнитопровода, помимо улучшения электрической прочности, способствует также снижению емкости С'2 (рис. 9.7).
Емкость трансформатора, магнитопровод которого не заземлен, а обмотки разнесены на разные керны, можно определить из уравнения, полученного на основании упрощенной эквивалентной схемы (рис. 9.7):
(9.6)
где С12 — емкость между обмотками; С1 и С2— емкость сетевой и высокопотенциальной обмоток относительно магнитопровода.
В соответствии с эквивалентной схемой емкости связи определяются из уравнений
(9.7)
Рис. 9.7. Распределение емкости в трансформаторе с обмотками, разнесенными на разные керны (а), и эквивалентная схема (б)
1 и 3 — обмотки; 2 — магнитопровод
Можно показать, что указанные емкости могут быть определены из следующих уравнений
(9.8)
где цифрой 1 обозначены все символы, относящиеся к сетевой обмотке, а емкость С2 можно получить из аналогичного уравнения, в котором все входящие значения относятся к высокопотенциальной обмотке и имеют индекс 2; D — диаметр провода обмотки; N — число слоев в обмотке; w — число витков в слое; δ — толщина межслоевой изоляции; а и b — ширина ленты и толщина навивки магнитопровода; kB и ку — коэффициенты выпучивания и укладки обмотки.
Значение емкости С12 определяется из уравнения
(9.9)
Применение формул (9.8) и (9.9) дает погрешности в пределах 10 ... 20%.
Оптимальный выбор изоляционных промежутков осуществляется с учетом целесообразности заземления магнитопровода. При этом определяется также возможность снижения емкости трансформатора при изолированном магнитопроводе.
Если магнитопровод не заземлен и находится под «плавающим потенциалом», то происходит перераспределение значений емкостей между обмотками и магнитопроводом, что, соответственно, приводит к перераспределению потенциалов. При равенстве этих емкостей потенциал магнитопровода относительно земли будет составлять половину значения приложенного к высокопотенциальной обмотке. Это создает предпосылки для уменьшения толщины изоляции высокопотенциальной обмотки относительно магнитопровода в конструкциях с напряжением выше 15 кВ. При более низких напряжениях, когда толщина слоя компаунда определяется главным образом технологическими соображениями или термоупругими напряжениями, изоляция магнитопровода от земли с целью применения более тонкого слоя компаунда для обмоток становится недостаточно эффективной.
При решении вопроса о целесообразности применения магнитопровода под «плавающим потенциалом» учитывается возрастание потенциала сетевой обмотки относительно магнитопровода и необходимость изоляций этой обмотки. Исследуется также размещение трансформатора и необходимость удаления от магнитопровода окружающих заземленных деталей.
Рис. 9.8. Трансформаторы с обмотками, разнесенными на два керна (а), на одном горизонтальном керне (б) и концентрически расположенными на одном вертикальном керне (в)
На рис. 9.8 показан трансформатор накала мощностью 350 В·А с двумя высокопотенциальными обмотками напряжением по 25 В и потенциалом постоянного тока относительно сетевой обмотки 30 кВ с емкостью 20 пФ. Магнитопровод тина ПЛ изолирован от земли залитыми компаундом катушками. Крепление трансформатора производится буксами, залитыми в тело катушек.
Изоляционные промежутки выбраны с учетом распределения потенциалов обмоток относительно магнитопровода и относительно друг друга. Изоляторная часть высокопотенциальной обмотки имеет равномерное электрическое поле, рассчитанное методами моделирования электрических полей. Выравнивание электрического поля достигнуто изменением формы изоляторной части и заливкой в ее стенки, электростатического высокопотенциального экрана.
Наличие заземленных экранов увеличивает емкость изделия. Применение экранов производится лишь в крайних случаях, при отсутствии других возможностей выравнивания электрического поля.
Сложность проектирования малоемкостных высокопотенциальных трансформаторов, обмотки которых разнесены на разные керны или разнесены другим образом относительно друг друга, связана с необходимостью уточнения коэффициента трансформации в зависимости от индуктивности рассеяния.
Расчет индуктивности рассеяния производится для каждой обмотки отдельно из уравнения
(9.10)
где w — число витков в обмотке; lср — средняя длина витка; ls — размер обмотки вдоль направления потока рассеяния; Δ — расстояние между обмотками; ∆s — размер обмотки поперек линии потока рассеяния;
(9.11)
— коэффициент Роговского (δ=Δ+∆s/(ls) — коэффициент приведения толщины намотки к расчетной длине линий рассеяния). Определение размеров для расчета по уравнению(9.10) в зависимости от размещения обмоток можно производить по рис. 9.8.
Рис. 9.9. Малоемкостные высокопотенциальные трансформаторы с воздушноэпоксидной изоляцией на напряжение до 63 кВ (а) и до 25 кВ (б)
1— высокопотенциальная (накальная) обмотка; 2 — сетевая обмотка; 3 — мaгнитопровод; 4 — основание
Индуктивность рассеяния обмоток всего трансформатора определяется из уравнения
(9.12)
где L1S и L2s— индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток, а коэффициент трансформации определяется из выражении
(9.13)
где U1 и U2— напряжение первичной и вторичной обмоток; U— ток первичной обмотки; ω — 2f.
На рис. 9.9,а изображен трансформатор малой емкости с воздушно-эпоксидной изоляцией, обмотки которого концентрически расположены на одном керне.
Увеличение емкости C12 между обмотками при концентрическом размещении, по сравнению с вариантом обмоток на разных кернах, происходит из-за роста площади обращенных друг к другу поверхностей обмоток.
Сетевая и высокопотенциальная обмотки трансформатора на рис. 9.9,а соединены между собой перемычками из эпоксидного компаунда, образованными одновременно с заливкой обмоток. Крепление высокопотенциальной обмотки во втором варианте малоемкостного трансформатора с изолированным от земли магнитопроводом (рис. 9.9,б) осуществляется заливкой части этой обмотки в основание, выполненное в виде массивной эпоксидной платы. Магнитопровод крепится на специальных выступах платы к залитой в эпоксидный компаунд сетевой обмотке. Этим усложнением конструкции достигается изоляция накальной обмотки до 25 кВ постоянного напряжения. Конструкция на рис. 9.9, а применяется при 40 и 63 кВ. Емкость высокопотенциальных обмоток этих трансформаторов относительно сетевой обмотки и «земли» не превышает 15 пФ, мощность 40, 100, 260 и 625 В-А, напряжение накала 6,3; 8; 10; 12,6; 15; 20 и 26 В.
Высокая механическая прочность таких конструкций позволяет им успешно выдерживать вибрационные и ударные нагрузки.
Выводы высокопотенциальной обмотки имеют максимальное удаление от магнитопровода. Краевой эффект их снижен сферическими гайками.
Трансформаторы типа СФТ японской фирмы «Флайбек» и «Трансформерс Калер» не обладают столь высокой механической прочностью, но более просты в изготовлении, так как первичная и вторичная обмотки заливаются раздельно. Вывод вторичной обмотки локализован резиновым колпачком с высоковольтным кабелем. Такая конструкция выводов сокращает габариты трансформатора и делает более надежным высоковольтный монтаж между трансформатором и высоковольтным прибором.
Накальные малоемкостные высокопотенциальные трансформаторы типа ТП-2, у которых первичная и вторичная обмотки залиты в моноблок эпоксидной изоляцией, характеризуются высокой механической прочностью.
Трансформаторы типа ТП-2 изготавливаются, мощностью от 28,8 до 130 В·А на напряжение питающей сети 110, 115, 200 и 220 В с выходным напряжением 6,3; 12,6 и 26 В. Потенциал накальных обмоток относительно сетевой 3 и 10 кВ.
Необходимость увеличения межобмоточной изоляции с целью уменьшения емкости заставила использовать ленточные разрезные магнитопроводы типа ПЛВ с уширенным окном.
Первичная обмотка трансформатора типа ТП-2 выполняется из двух секций. Благодаря отводам, которые имеют секции, можно регулировать выходное напряжение в пределах ±8%. Высокопотенциальная обмотка располагается концентрически между секциями сетевой обмотки.
Межвитковая и межслоевая изоляция позволяет выдерживать без пробоев двойное значение номинального напряжения. Надежность внешней изоляции достигнута благодаря заливке магнитопровода совместно с обмотками. Выводы высокопотенциальной обмотки выполнены высокочастотным кабелем.
Крепление трансформаторов производится тремя буксами, залитыми в эпоксидной изоляции основания конструкции.
В конструкции малоемкостного трансформатора фирмы «Рейтон» надежность внешней изоляции обеспечена благодаря большому разрядному расстоянию по поверхности изоляторной части и выравниванию электрического поля охранным кольцом вокруг вывода высокопотенциальной обмотки.
Катушка имеет простую форму с большими радиусами кривизны, которые также способствуют выравниванию электрического поля и снижению термоупругих напряжений в изоляции.
П-образный магнитопровод собран из пластин. Острые кромки магнитопровода экранированы давлеными металлическими уголками П-образной формы, которые одновременно служат прижимными пластинами. Трансформатор соответствует требованиям технических условий MIL-27A.
