Методы и устройства получения высоких напряжений

амплитудный вольтметр высокий трансформатор Основным методом получения высокого напряжения переменного тока промышленной частоты является преобразование низкого напряжения в высокое с помощью повышающих трансформаторов. В высоковольтной технике используются различные трансформаторы, которые можно условно классифицировать по конструктивному исполнению:

трансформаторы в металлическом и изоляционном корпусе с масляной изоляцией. Изоляционной и одновременно охлаждающей средой является трансформаторное масло. В качестве продольной изоляции применяется бумага, стеклоткань, полимерная пленка. Вывод высокого потенциала осуществляется фарфоровыми или бумажно — бакелитовыми изоляторами (выводами);

сухие трансформаторы с твердой изоляцией. Это бескорпусные трансформаторы, залитые компаундом, выполняющим роль основной изоляции;

сухие трансформаторы с газовой изоляцией. Эти трансформаторы в настоящее время практически не используются.

По способу включения вторичной обмотки трансформаторы бывают однофазные с одним высоковольтным выводом или с двумя высоковольтными выводами и средней точкой, соединенной с корпусом. Обмотки трехфазных трансформаторов включаются треугольником и звездой.

По назначению трансформаторы подразделяются на:

силовые, используемые в энергосистемах. Эти трансформаторы должны обладать высокой надежностью, противостоять атмосферным перенапряжениям. Мощность достигает десятки — сотни мегавольтампер. Выполняются трехфазными, реже однофазными.

трансформаторы напряжения (измерительные). Имеют небольшую мощность, но очень надежны в работе. Могут быть использованы как источники высокого напряжения при испытании изоляции.

Основными требованиями предъявляемые к испытательным трансформаторам это:

минимальное искажение кривой тока отсутствие частичных разрядов в изоляции при испытательном напряжении изоляция должна быть рассчитана на крутые срезы напряжения при замыкании на стороне высокого напряжения.

Суммарный вклад высших гармоник в кривой тока и напряжения не должен превышать 5%. Это достигается использованием сердечников из холоднокатаной стали с ориентированными зернами, дополнительной обработкой поверхности листа.

Чтобы достичь снижения градиентных напряжений в изоляции при крутых срезах напряжения и предотвратить внутренние частичные разряды применяют экраны и емкостные кольца при конструктировании высоковольтной обмотки.

Современные изоляционные материалы в совокупности с технологиями позволяют исключить появление частичных разрядов с кажущимся зарядом 10?-11 К даже при очень высоких напряжениях. В испытательных трансформаторах применяется слоевая цилиндрическая обмотка (рис. 1). Выбор мощности трансформатора осуществляется в зависимости от вида нагрузки. Нагрузка испытательных трансформаторов носит емкостный характер (рис. 2.).

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема испытания изоляции: Т трансформатор; Rз — защитное сопротивление; Cоб — емкость объекта; R1 — R2 — делитель напряжения; N — осциллограф

Общая мощность тр-ра может быть оценена как.

где — емкостный ток, аиспытательное напряжение. Емкость объекта зависит от типа электрооборудования и лежит в пределах единиц — сотен тысяч пикофарад [1]. При выборе трансформатора и регулятора необходимо соблюдать условия Sт > Sн,.

Sр > Sн и номинальный ток трансформатора и регулятора должен быть больше испытательного тока Iс.

При необходимости разгрузки регулятора и трансформатора (при больших Iс) осуществляют компенсацию емкостного тока индуктивным. В случае разгрузки регулятора необходимая мощность может быть оценена как:

где кт — коэффициент трансформации испытательного трансформатора; L — индуктивность компенсирующего реактора, включаемого на выходе регулятора. В случае разгрузки трансформатора мощность оценивается как.

где L1 — индуктивность реактора, включаемого параллельно нагрузке (Соб).

Существенное снижение массы и стоимости источника высокого напряжения можно достигнуть, используя резонансные схемы.

Достигнутый прогресс в технологии и конструировании трансформаторов позволяет изготавливать их на напряжение до 1,0?1,2 МВ. Дальнейшее повышение напряжения единичного трансформатора становится нецелесообразным и с технической, и с экономической точки зрения. Поэтому испытательное напряжение свыше 750 кВ целесообразней получать от нескольких трансформаторов, соединенных последовательно в каскад.

При создании каскадов одной из проблем является питание первичных обмоток второго и последующих трансформаторов в схеме. Это связано с тем, что потенциалы корпусов в зависимости от места расположения трансформатора в схеме каскада значительно превышают уровни изоляции вторичных и первичных обмоток относительно корпуса и друг друга.

Поэтому получить высокое напряжение с помощью каскадного включения трансформаторов удается только при использовании специальных схем питания первичных обмоток.

Существует всего 3 способа каскадного включения:

каскадное включение трансформаторов с питанием первичных обмоток от отдельных изолированных генераторов;

каскадное включение трансформаторов с питанием первичных обмоток от отдельных изолированных (разделительных) трансформаторов:

каскадное включение трансформаторов с автотрансформаторным питанием первичных обмоток.

Обычно при каскадном соединении первичные обмотки последующих трансформаторов питаются по автотрансформаторному способу (рис. 3). В таких схемах (рис. 3, б) каждый трансформатор, помимо первичной низковольтной обмотки (1) и вторичной высоковольтной обмотки (2), имеет дополнительную обмотку возбуждения (3), по параметрам одинаковую с первичной и используемую для питания первичной обмотки последующего трансформатора. Средняя точка обмотки (2) соединяется с сердечником (4) и корпусом. Мощности трансформаторов в такой схеме не одинаковы и равны.

Sк = к? S0.

где S0 — мощность трансформатора, ближайшего к нагрузке, а к — порядковый номер трансформатора в схеме, считая от нагрузки. Каждый трансформатор в такой схеме должен быть изолирован от земли на напряжение.

Uк = Uн (nк + 0,5).

где Uн — номинальное напряжение высоковольтной обмотки трансформатора, а n — число трансформаторов в каскадной схеме.

а) б) Рис. 3. Каскад из трех трансформаторов а) — общий вид; б) — схема соединения обмоток

Существенным недостатком каскадных схем является большая величина индуктивности рассеяния каскада в целом. Она растет быстрее, чем произведение индуктивности рассеяния одного трансформатора на их число в каскаде. Также серьезным недостатком каскадов является то, что они занимают огромную площадь и имеют низкий коэффициент использования установленной мощности.

Основное преимущество каскадных схем заключается в том, что, используя трансформаторы на относительно небольшое напряжение, можно получить большое напряжение на выходе каскада. Это достигается за счет использования внешней, простой и дешевой, изоляции относительно земли каждого последующего трансформатора в каскаде.

Кроме этого, каскадные схемы обеспечивают многообразие и эксплуатационную гибкость проведения испытаний объектов на различные классы напряжения, различной мощности.

Созданные в настоящее время каскады позволяют получать переменное напряжение до 2,5 МВ при мощности до 5 МВА.