高壓脈沖變壓器結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)范文

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前言：

高壓脈沖變壓器廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、高能物理、環(huán)保除塵、直線(xiàn)電子加速器等技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，由于電壓越來(lái)越高（一般從幾十千伏到幾百千伏），對(duì)波形的要求也越來(lái)越嚴(yán)，工程實(shí)施起來(lái)也就越來(lái)越難。成功研制高壓脈沖變壓器，設(shè)計(jì)計(jì)算保證是一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及加工過(guò)程中的工藝處理也至關(guān)重要。對(duì)高壓脈沖變壓器來(lái)說(shuō)，細(xì)微處的尖角或毛刺就可以使變壓器工作中擊穿，損壞導(dǎo)致無(wú)法正常工作。下面就分別從結(jié)構(gòu)和工藝方面分別介紹其在實(shí)施過(guò)程中需要考慮和注意到的問(wèn)題。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）繞組結(jié)構(gòu)脈沖變壓器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是要保證對(duì)負(fù)載具有最大的能量傳輸系數(shù)和最小的脈沖波形失真，因此需通過(guò)合理設(shè)計(jì)獲得合適的漏感與分布電容參數(shù)。繞組的形式在很大程度上決定了脈沖變壓器的分布參數(shù)（漏感和分布電容），常用的繞組結(jié)構(gòu)有三種：圓柱形繞組、圓盤(pán)形繞組、環(huán)形繞組，具體選擇哪一種結(jié)構(gòu)，需要綜合進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)脈沖變壓器的工程師都知道，漏感是脈沖變壓器的重要參數(shù)之一，漏感的大小直接影響著輸出脈沖波形的前沿特性。要減小漏感，除了減小初級(jí)匝數(shù)和絕緣距離外，增加初次級(jí)繞組交替繞制組數(shù)M也是比較有效的方法之一，但對(duì)于上百千伏的高壓脈沖變壓器而言，初次級(jí)繞組交替繞制對(duì)耐壓絕緣處理很難實(shí)現(xiàn)，增加了變壓器耐壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。普通脈沖變壓器繞組的層間絕緣厚度是不變的，一般來(lái)說(shuō)，初級(jí)繞組繞制一層，次級(jí)繞組繞制一層或幾層，而初次級(jí)間的絕緣距離由加在它們之間的最高電壓決定。為滿(mǎn)足脈沖高壓電源對(duì)脈沖變壓器低漏感及較高耐壓的要求，需要對(duì)繞組進(jìn)行了合理配置，我們一般采用圓柱形繞組，次級(jí)繞組采用不對(duì)稱(chēng)高壓線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，即次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)平均分布繞制在磁芯的兩個(gè)磁柱上，根據(jù)輸出電壓隨次級(jí)匝數(shù)同比例增加的原理，第一個(gè)一半匝數(shù)的線(xiàn)圈（簡(jiǎn)稱(chēng)低壓包）的絕緣距離Δ1可以設(shè)計(jì)高壓包Δ2的一半，節(jié)省了磁芯窗口寬度尺寸及磁芯的成本，在保證絕緣耐壓強(qiáng)度地同時(shí)也減小脈沖變壓器漏感，不僅改善了輸出波形，還提高了波形傳輸效率。不對(duì)稱(chēng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。另一種繞組結(jié)構(gòu)形式是錐形繞組，錐形繞組是一種新穎結(jié)構(gòu)，一般用在輸出脈沖電壓25OkV以上的場(chǎng)合。它利用脈沖變壓器繞組間等電位梯度下降的特點(diǎn)，將主絕緣結(jié)構(gòu)也按等梯度分配，這樣可以在鐵芯截面不變的情況下鐵芯的磁路長(zhǎng)度減小，鐵芯體積也相應(yīng)減少。并能減少繞組的平均匝長(zhǎng)，與矩形窗口的繞組相比：漏感減小約1/2，分布電容增加不大，由于變比高，總電容(包括負(fù)載電容)只增加3.5%，而與前沿時(shí)間成正比的減小約23%。因此，采用錐形繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以得到體積小、重量輕輸出脈沖波形良好的脈沖變壓器。錐形繞組結(jié)構(gòu)示意圖詳見(jiàn)圖2。

（二）絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.初級(jí)引出高壓脈沖變壓器一般次級(jí)輸出脈沖電壓在百千伏以上，變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成上下壓板用四根螺桿壓緊，下壓板預(yù)留安裝孔固定。次級(jí)骨架需完全與初級(jí)繞組架空，骨架架空定位在上下壓板的限位槽內(nèi)，以保證與初級(jí)線(xiàn)圈的絕緣距離，從而提高變壓器的絕緣可靠性。高壓脈沖變壓器初級(jí)電流很大，峰值電流一般有幾千安培，引出必須采用厚銅排連接，為增大其與次級(jí)高壓繞組距離，盡可能的分開(kāi)引出，我們采用直插式銅排穿過(guò)上壓板直接引出，在上壓板上準(zhǔn)確開(kāi)細(xì)長(zhǎng)形出線(xiàn)槽，既增大了初級(jí)引出與次級(jí)引出之間的距離，又便于脈沖電源裝配時(shí)連線(xiàn)。2.絕緣材料脈沖變壓器次級(jí)輸出電壓很高,再考慮設(shè)計(jì)余量及打火等異常狀態(tài)，一般脈沖變壓器的次級(jí)對(duì)初級(jí)及地的絕緣耐壓按輸出電壓要求值的1.2~1.4倍設(shè)計(jì)，初次級(jí)線(xiàn)圈采用架空結(jié)構(gòu)，主絕緣材料選用45#變壓器油，初級(jí)與次級(jí)繞組間最高電壓差處架空絕緣距離約5kV/mm。常規(guī)高壓脈沖變壓器次級(jí)骨架材料一般都采用3240環(huán)氧板拼接組合而成。骨架表面平整，線(xiàn)圈繞制時(shí)，匝間導(dǎo)線(xiàn)緊密相連，繞線(xiàn)工藝難度較高。我們選用EPGC201系列環(huán)氧板作為次級(jí)骨架材料，較常規(guī)3240環(huán)氧板，EPGC環(huán)氧板更致密，不易分層，在高壓電場(chǎng)情況下絕緣性能更可靠。由于變壓器輸出電壓高，導(dǎo)致變壓器變比也大，即次級(jí)繞組的匝數(shù)也多，我們將次級(jí)骨架按匝數(shù)進(jìn)行開(kāi)槽，將次級(jí)每一匝都固定限位好，保證匝間的距離，最大程度地減小因生產(chǎn)操作造成的匝間耐壓?jiǎn)栴}。為避免骨架和安裝結(jié)構(gòu)件尖角或毛刺可能引起的變壓器擊穿問(wèn)題，我們要求所有的結(jié)構(gòu)件邊角處倒R處理,防止高壓尖端放電和在繞線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)導(dǎo)線(xiàn)絕緣層的刮傷等。3.鐵芯多點(diǎn)接地為了脈沖變壓器在高壓工作時(shí)更可靠，避免高壓工作時(shí)鐵芯懸浮帶電，一般將鐵芯進(jìn)行單獨(dú)接地處理，我們將鐵芯多點(diǎn)接地后分別引出至安裝的四根金屬拉桿并用接地線(xiàn)連在一起，以保證所有金屬件在同一個(gè)地上。

二、工藝設(shè)計(jì)

高壓脈沖變壓器大部分使用變壓器油做主絕緣材料，理論上變壓器油的耐壓強(qiáng)度很高，可達(dá)55kV/2.5mm(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)油距)，但實(shí)際工程應(yīng)用中，變壓器油的耐壓主要取決于其絕緣處理工藝和真空灌油工藝，下面分別介紹一下。

（一）變壓器油絕緣處理工藝變壓器油有25#和45#兩種，其主要區(qū)別是低溫凝點(diǎn)不一樣，我們一般采用45#變壓器油。變壓器油處理應(yīng)在每次使用前進(jìn)行，隨用隨處理，處理的油擊穿電壓不小于50kV/2.5mm標(biāo)準(zhǔn)放電，檢驗(yàn)合格后才能對(duì)高壓脈沖變壓器進(jìn)行真空灌油。變壓器油絕緣處理時(shí)需要注意的事項(xiàng)主要有：1.工作間應(yīng)當(dāng)清潔、干燥、無(wú)塵，通風(fēng)良好。2.盛放變壓器油的容器和處理油的設(shè)備（如壓濾機(jī)、真空鍋等）應(yīng)當(dāng)是清潔的、干燥的、密閉的。3.應(yīng)注意防止將水滴，棉紗纖維或其他臟污雜質(zhì)掉入變壓器油中，不可對(duì)著變壓器油講話(huà)，以防唾沫濺入。4.變壓器油在真空鍋中真空干燥，加壓加溫，溫度85±5℃，一般保持時(shí)間為12小時(shí)，保持時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)油樣的擊穿電壓試驗(yàn)是否合格來(lái)確定。

（二）真空灌油工藝為保證生產(chǎn)出來(lái)的高壓脈沖變壓器達(dá)到設(shè)計(jì)要求的耐壓強(qiáng)度，灌注變壓器油需在真空環(huán)境下。進(jìn)行一般不允許非真空灌油，因不抽真空就灌油線(xiàn)圈中的氣泡不可能排除干凈，這樣將大大降低變壓器的絕緣性能。1.干燥：清洗干凈的變壓器在110±5℃的鼓風(fēng)恒溫烘箱中干燥4～8小時(shí)（視元件的大小、重量而定）。2.絕緣電阻測(cè)試：不拿出烘箱，用1000伏兆歐表測(cè)量任一變壓器的繞組間和繞組對(duì)外殼間的絕緣電阻應(yīng)不小于100兆歐（注意溫度應(yīng)為110±5℃）。如絕緣電阻低于100兆歐，則應(yīng)繼續(xù)干燥到超過(guò)此值為止。3.真空灌油：真空干燥溫度100～105℃，乘余壓力<5毫米水銀柱，時(shí)間6～10小時(shí)。抽氣放入合格的變壓器油，油面應(yīng)蓋過(guò)變壓器約40毫米左右。

三、結(jié)束語(yǔ)

成功制作出一臺(tái)高壓脈沖變壓器，不僅僅需要周密詳細(xì)的理論設(shè)計(jì)保證其耐壓強(qiáng)度，更需要在結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行詳細(xì)策劃，只有將制作過(guò)程中的工藝操作細(xì)節(jié)問(wèn)題處理好了，耐壓絕緣性能才能得以保證。因此，工藝問(wèn)題至關(guān)重要，是每一個(gè)工程師都必須重視的。

作者：鄒祖嬌 單位：合肥華耀電子工業(yè)有限公司