Мощный высоковольтный импульсный трансформатор Советский патент 1984 года по МПК H01F19/08 

00 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных устройствах импульсной электроэнергии: импульсных источника электропитания генераторных приборов сверхвысоких частот, мощных газовых лазерах, ускорителях заряженных час тиц и других устройствах современной прикладной физики и техники, где тре буется получение МОЩНЕЛХ электрических импульсов высокого напряжения. Одна из главных проблем проектирования и применения мощных и весьма мощных импульсных трансформаторов состоит в получении конструкций,импульсных трансформаторов, имеющих минимальную индуктивность рассеяния Это связано с тем, что при заданных требованиях к допустимым искажениям формы фронта трансформированных импульсов, выполнение которых является безусловным функциональным требованием, предъявляемым к импульсному трансформатору, произведение мощности импульса на индуктивность рассеяния должно оставаться постоянным, При увеличении мощности в таком же отношении необходимо уменьшать индуктивность рассеяния импульсного трансформатора и возможность уменьшения индуктивности рассеяния являет ся главным фактором, определяющим возможность реализации импульсного трансформатора требуемой мощности. Известны конструкции мощных импульсных трансформаторов на высокие и весьма высокие напряжения l. Известен трансформатор,мощность которого 10 ГВт и напряжение до 1 MB имеющий тороидальную магнитную систе му с наложенными на ней четырьмя параллельно соединенными секциями вторичной обмотки, помещенными в масляный или элегазовый бак, выполняющий функции одновитковой первичной обмот ки. Применение одновитковой первичной обмотки позвалкло в этом импульс ном трансформаторе существенно умень шить индуктивность рассеяния и благодаря этому реализовать импульсный трансформатор на указанную весьма большую мощность 2. Однако дальнейшее увеличение мощности требует еще большего уменьшения индуктивности рассеяния, которое уменьшением числа витков уже не может быть достигнуто. Для дальнейшего уменьшения индуктивности рассеяния необходимо уменьщить эффективную толщину изоляции между обмотками, что является фактич ски единственной возможностью увеличения мощности импульсного трансформатора. Однако это уменьшение толщины изоляции должно производиться так чтобы сохранялась досточно высокая электрическая прочность конструкции. Для этого имеется две возможности: применять конические обмотки, позволяющие примерно в два раза уменьшить эффективную толщину изоляции, и устранять краевые эффекты обмоток. ; Наиболее близким к изобретению является импульсный трансф.орматор, который содержит соосно установленные магнитную систему из нескольких . одинаковых соосно установленных тороидальных магнитопроводов с наложенными на них одинаковыми изолированными низковольтными ц.;пиндрическими секциями вторичной обмотки, которые соединены последовательно, конический масляный или элегазовый бак, выполненный из двух частей, состыкованных большими основаниями, и проходящий внутри бака конический стержень, представляющий собой внутреннюю часть витка первичной обмотки импульсного трансформатора, конический стержень вьтолнен из двух частей, состыкованных меньшими основаниями З. Недостатком известной конструкции является наличие значительЯых неоднородностей электрического поля в районе верхнего магнитопровода, на котором напряжение вторичной обмотки достигает наибольшей величины. Это вынуждает для получения достаточной электрической прочности главной междуобмоточной изоляции до трех раз увеличить толщину этой изоляции, что во столько же раз увеличивает индуктивность рассеяния импульсного трансформатора и во столько же раз уменьшает максимально возможную мощность. Таким образом, потенциальные возможности увеличения мощности импульсного трансформатора остаются в значительной мере недоисп ОЛЬ зова ннЕйми. Цель изобретения - увеличение мощности импульсного трансформатора путем уменьшения индуктивности рассея-ния. Эта цель достигается тем, что в мощном высоковольтном импульсном трансформаторе, содержащем бак, выполненный в виде двух усеченных конусов, состыкованных по большим основаниям, внутри бака расположен стержень, образующий с баком виток первичной обмотки и выполненный из двух частей, имеющих форму усеченных конусов, состыкованных малыми основаниями, внутри бака поверх стержня размещены отдельные тороидальные магнитопроводы с расположенными на них катушками вторичной обмотки, соединенными последовательно, вторичная обмотка разделена на две параллельно соединенные секции и распределена равноерно по длине стержня первичной оботки, усеченные конусы бака трансфоратора выполнены одинакового размеа. На чертеже изображена схематическая конструкция импульсного трансформатора. Конструктивной основой импульсного трансформатора является внутренняя часть витка первичной обмотки в виде стержня 1, имеющая вид двух оди наковых усеченных конусов, состыкованных меньшими основаниями. Внутренняя часть витка памещается внутри четного числа одинаковых тороидальных магнитопроводов 2 с наложенными на них одинаковыми низковольтными секциями вторичной обмотки 3. Магнитопроводы с внутренней частью витка первичной обмотки помещены в герметичный бак из двух одинаковых полуба ков 4 из проводникового материала. Каждый полубак имеет фланец 5. Фланцы являются началом и концом единственного витка первичной оо-;отки, образованного стержнем 1 и полубаками. Вследствие симметрии верхней и нижней частей витка - бака не psj/ieex значения, какой из фланцев является началом, а какой концом первичной обмотки. Секции вторичной обмотки изолированы меукцу собой к относитель но полубаков изоляционньвми прокладками 6-9. Флан11) полубаков изолированы между собой прокладкой 10. Прок ладки б и 10 явл.яются одновременно уплотняющими. В узком секторе на перифесгли флан цев сделан разъемный патрубок 11 для ввода во внутреннюю полость бака высоковольтного Ко1беля 12. Пр1;менение кабеля, а не обычного масляноговвода обусловлено значительно меньшгм диаметром кабеля, что позволяет имет ,занятый шл сектор на периферии фланцев значительно меньшикг,-чем окружности фланцев. По этой причине практически не нарутиается осевая сш/ метрия конструкции и все краевьтз эффекты оказываются локализованными в небольшой области в районе высоковольтного кабельного ввода. Бак заполняется трансформаторныг«1 или кон денсаторньи маслом шш эле газ ом под давлением необходимые расширительны бак и другие элементы конструкции не показаны). В верхнем и нижнем полубаках разм щено одинаковое число магнитопроводов. Низковольтные секции вторичной обмотки на магнитопроводах,- располо женнык внутри каждого полубака, соед нены последовательно и образуют две высоковольтные секции втор1иной обмо ки, которые соединены между собою па раллельно и образуют вторичную обмот ку импульсного трансформатора. Конец вторичной обмотки подсоединен к высо ковольтному кабелю, представляющему собой вывод высокого напряжения. Начала высоковольтных секций вторичной обмотки подсоединены к верхнему н нижнему концам стержня 1. Точка подсоединения начала вторичной обмотки выбирается на тем полубаке, фланец которого является началом первичной обмотки. Импульсный трансформатор работает следующим образом. При подаче на фланцы 5 верхнего и нижнего палубаков 4 импульсного напряжения это импульсное напряжение оказьшается приложенньлм к витку первичной обмотки, образованному стержнем 1, полубаками 4 и фланцами 5.-Это первичное напряжение вызывает появление тока в витке, который, в свою очередь, приводит к возникновению магнитного потока в магнитопроводах 2, Вследствие этого в соответствии с законом электромагнитной индукцин в секциях вторичной обмотки 3 и на концах вторичной обмотки возникает высокое напряжение. Величина этого напряжения в 6К раз больше первичного напряжения, где К - коэффициент трансформации импуиьсного трансформатора, равный числу витков на каждом отдельном магнитопроводе. Это напряжение посредством высоковольтного кабеля 12 чсре;з патрубок 11 подводится к потребителю. Прокладки 6-10 выполняют функции уплотняющих и изолирующих. Преим щества предлагаемой конструкции по сравнению с известными состоят в том, что вторичная обмотка состоит из двух паралле-пьно соединенных высоковольтных секций, напряжение по высоте секций равномерно нарастает от начала секций к их концам и поэтому в пространстве между перв -гчной и вторичной обмотками не И1меется резких скачков потенциала. Поэтому Есраевые эффекты в виде искривлений линий электрического поля и увеличения напряженности поля практически отсутствуют. Незначительные краевые эффекты имеются только в небольшой области, находящейся в непосредственной близости от высоковольтного кабельного ввода. Однако их влияние незначительно и они практически не приводят к увеличению средней толщины изоляции, т.е. практически не увеличивают объе1 а магнитного поля рассеяния, энергией которого и определяется величина индуктивности рассеяния импульсного трансформатора. В необходимых случаях эти незначительные краевые эффекты могут быть дополнительно Ухменьшены уменьшением диаметра высоковольтного кабеля или увеличением радиуса закругления патрубка. Их роль существенно уменьшается с увеличением мощности импульсного трансформатора, так как при прочих равнрлх условиях диаметр магнитной системы пропорционален мощности трансформированного импульса. При этом отйосительное влияние остающегося при постоянном напряжении неизменным объема с неоднородным электрическим полем в районе высоковольтного вывода уменьшается. В конечном итоге толщина изоляции может быть сделана минимальной.

что позволяет получить минимальную индуктивность рассеяния и максимальную мощность.

в предлагаемой конструкции трансформатора может быть также достигнута цель уменьшения искажений формы трансформированных импульсов в 2,5 раза.

М01ЦНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий бак, выполненный в виде двух усеченных конусов, состыкованных по большим основаниям, внутри бака расположен стержень, образующий с баком виток первичной обмотки и выполненный из двух частей, имеющих форму усеченных конусов, состыкованных малыми основаниями, внутри бака поверх стержня размещены отдельные тороидальные магнитопроводы с расположенными на них катушками вторичной обмотки, соединенными последовательно, отличающийся тем, что, с целью увеличения его мощности путем уменьшения индуктивности рассеяния, вторичная обмотка разделена на две параллельно соединенные секции и распределена с равномерно по длине стержня первич(Л ной ойротки, усеченные конусы бака трансформатора выполнены одинакового размера.