2.1. Методи і пристрої одержання високої змінної напруги

Основним методом одержання високої напруги змінного струму промислової частоти є перетворення низької напруги у високу за допомогою підвищувальних трансформаторів. У високовольтній техніці використовуються різні трансформатори, які можна умовно класифікувати по конструктивному виконанню:

· трансформатори в металевому і ізоляційному корпусі з масляною ізоляцією. Ізоляційним і одночасно охолодним середовищем є трансформаторне масло. Як поздовжня ізоляція застосовується папір, склотканина, полімерна плівка. Вивід високого потенціалу здійснюється порцеляновими або паперово-бакелітовими ізоляторами (виводами);

· сухі трансформатори із твердою ізоляцією. Це без корпусні трансформатори, залиті компаундом, що виконує роль основної ізоляції;

· сухі трансформатори з газовою ізоляцією. Ці трансформатори в наш час практично не використаються;

· за способом включення вторинної обмотки трансформатори бувають однофазні з одним високовольтним виводом або із двома високовольтними виводами і середньою точкою, з'єднаної з корпусом. Обмотки трифазних трансформаторів включаються трикутником і зіркою.

· По призначенню трансформатори поділяються:

· на силові, використовувані в енергосистемах. Ці трансформатори повинні мати високу надійність, протистояти атмосферним перенапругам. Потужність досягає десятки-сотні мегавольт-ампер. Виконуються трифазними, рідше - однофазними;

· трансформатори напруги (вимірювальні). Мають невелику потужність, але дуже надійні в роботі. Можуть бути використані як джерела високої напруги при випробуванні ізоляції;

· випробувальні трансформатори, призначені для проведення випробувань електричної міцності ізоляції високовольтного встаткування. Мають свої специфічні умови роботи: короткочасність роботи, у тому числі при номінальній напрузі, часті замикання з боку високої напруги і відсутність впливу атмосферних перенапруг. Такі трансформатори мають полегшену ізоляцію, великий коефіцієнт трансформації, відносно невеликі потужності, габарити і вагу. Виконуються, як правило, однофазними. Конструктивно виконуються трьох типів: трансформатори в ізоляційному корпусі із двома фланцями-виводами (рис. 2.1, в), трансформатори в металевому корпусі з одним (рис. 2.1, б) або двома високовольтними виводами [1, 3, 4].

Рис. 2.1. Принциповий пристрій трансформатора: а – схема; б – з металевим корпусом; в – з ізоляційним корпусом; 1 – сердечник; 2 – первинна обмотка; 3 – обмотка високої напруги; 4, 6 – корпус; 5 – вивід високої напруги

Основними вимогами до випробувальних трансформаторів є: мінімальне перекручування кривої струму, відсутність часткових розрядів в ізоляції при випробувальній напрузі, ізоляція повинна бути розрахована на круті зрізи напруги при замиканні на стороні високої напруги.

Сумарний внесок вищих гармонік у кривій струму і напруги не повинен перевищувати 5 %. Це досягається використанням сердечників з холоднокатаної сталі з орієнтованими зернами, додатковою обробкою поверхні листа.

Відсутність внутрішніх часткових розрядів в ізоляції випробувальних трансформаторів і зниження градієнтних напруг в ізоляції при крутих зрізах напруги досягається раціональним конструюванням високовольтної обмотки в сполученні з екранами і ємнісними кільцями. Сучасні ізоляційні матеріали і технології дозволяють виключити появу часткових розрядів з вигаданим зарядом 10^–11 К навіть при дуже високих напругах. В випробувальних трансформаторах застосовується шарова циліндрична обмотка (рис. 2.1).

Вибір потужності трансформатора здійснюється залежно від виду навантаження. Навантаження випробувальних трансформаторів носить ємнісний характер (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Принципова електрична схема випробування ізоляції:Т – трансформатор; R_з – захисний опір; C_об – ємність об'єкта;

R₁–R₂ – дільник напруги; N – осцилограф

Загальна потужність навантаження може бути оцінена як S_нагр = U_іспI_c, де

I_c = U_испωС_об – ємнісний струм, а U_ісп – іспитова напруга. Ємність об'єкта залежить від типу електроустаткування і лежить у межах одиниць – сотень тисяч пікофарад [1]. При виборі трансформатора і регулятора необхідно дотримувати умови S_т > S_н, S_р > S_н, і номінальний струм трансформатора і регулятора повинен бути більше випробувального струму I_с.

При необхідності розвантаження регулятора і трансформатора (при більших I_с) здійснюють компенсацію ємнісного струму індуктивним. У випадку розвантаження регулятора необхідна потужність може бути оцінена як

(2.1)

де к_т – коефіцієнт трансформації випробувального трансформатора; L – індуктивність компенсуючого реактора, що включає на виході регулятор. У випадку розвантаження трансформатора потужність оцінюється як

(2.2)

де L₁ – індуктивність реактора, що включає паралельно навантаженню (С_об).

Істотне зниження маси і вартості джерела високої напруги можна досягти, використовуючи резонансні схеми [4].

Досягнутий прогрес у технології і конструюванні трансформаторів дозволяє виготовляти їх на напругу до 1,0...1,2 МВ. Подальше підвищення напруги одиничного трансформатора стає недоцільним і з технічної, і з економічної точки зору. Тому іспитова напруга понад 750 кВ краще одержувати від декількох трансформаторів, з'єднаних послідовно в каскад.

При створенні каскадів однією із проблем є живлення первинних обмоток другого і наступного трансформаторів у схемі. Це пов'язане з тим, що потенціали корпусів залежно від місця розташування трансформатора в схемі каскаду значно перевищують рівні ізоляції вторинних і первинних обмоток щодо корпуса і один одного. Тому одержати високу напругу за допомогою каскадного включення трансформаторів вдається тільки при використанні спеціальних схем живлення первинних обмоток [1, 2, 4].

Звичайно при каскадному з'єднанні первинні обмотки наступних трансформаторів живляться по автотрансформаторному способі (рис. 2.3). У таких схемах (рис. 2.3, б) кожен трансформатор, крім первинної низьковольтної обмотки 1 і вторинної високовольтної обмотки 2, має додаткову обмотку збудження 3, по параметрах однакову з первинної і використовувану для живлення первинної обмотки наступного трансформатора. Середня точка обмотки 2 з'єднується із сердечником 4 і корпусом. Потужності трансформаторів у такій схемі не однакові і рівні: S_к = к×S₀, де S₀ – потужність трансформатора, найближчого до навантаження, а к – порядковий номер трансформатора в схемі, рахуючи від навантаження. Кожен трансформатор у такій схемі повинен бути ізольований від землі на напругу U_к = U_н (n – к + 0,5), де U_н – номінальна напруга високовольтної обмотки трансформатора, а n – число трансформаторів у каскадній схемі.

Істотним недоліком каскадних схем є більша величина індуктивності розсіювання каскаду в цілому. Вона росте швидше, ніж добуток індуктивності розсіювання одного трансформатора на їхнє число в каскаді.

Основна перевага каскадних схем полягає в тому, що, використовуючи трансформатори на відносно невелику напругу, можна одержати велику напругу на виході каскаду. Це досягається за рахунок використання зовнішньої, простої і дешевої ізоляції щодо землі кожного наступного трансформатора в каскаді.

Крім цього, каскадні схеми забезпечують різноманіття і експлуатаційну гнучкість проведення випробувань об'єктів на різні класи напруги, різної потужності.

Створені в наш час каскади дозволяють одержувати змінну напругу до 2,5 МВ при потужності до 5 МВА.