2.7. Каскадное соединение трансформаторов
Для получения сверхвысоких испытательных напряжений (от 500 кВ до нескольких миллионов вольт) применяется каскадное включение трансформаторов, при котором обмотки высокого напряжения включаются последовательно и питание каждого последующего трансформатора осуществляется через предыдущий. Для этой цели каждый трансформатор имеет специальную обмотку для питания следующего трансформатора. Как правило, в каскад входит не более трех трансформаторов. Трансформаторы каскада выполняются однотипными и взаимозаменяемыми.
Рассмотрим подробнее, как организовано питание и изоляция каскада трансформаторов. Его схема приведена на рисунке 2.11.
Трансформатор первого каскада Т1 питается от сети через регулятор напряжения РНО, с которого напряжение U1 подается на первичную (питающую) обмотку (ПО) трансформатора первого каскада Т1. Вторичная обмотка Т1, состоит из двух последовательно соединенных частей: обмотки высокого напряжения (ОВН), с которой снимается напряжение U2 , и обмотки возбуждения (ОВ) представляющей часть ОВН, число витков которой равно числу витков питающей обмотки, при этом напряжение на ней также равно Uов = U1. Обмотка высокого напряжения одним концом заземлена.
Напряжение с ОВ (U1) подается на питающую обмотку Т2, трансформатора второго каскада, который изолирован от земли и находится под потенциалом U2 ОВН Т1.
Питание трансформатора 3-го каскада Т3 устроено таким же образом: на его питающую обмотку напряжение подается с ОВ Т2, при этом трансформатор также изолирован от земли на двойное напряжение и находится под потенциалом двух последовательно включенных ОВН 1-го и 2-го каскадов, т. е. под напряжением 2U2. На выходе каскада напряжение составляет 3U2 .
Рис. 2.11. Принципиальная схема каскада трансформаторов.
В приведенных схемах через первый трансформатор Т1 каскада проходит вся мощность, через Т2 – 2/3 мощности, через Т3 – 1/3 мощности, т. е. ток первичной обмотки трансформатора Т1 в 3 раза больше чем у Т3, и сечение проводов первичной обмотки Т1 должно быть в 3 раза больше, чем у Т3. Как правило, трансформаторы выполняются одинаковыми по конструкции и изоляции, что обеспечивает их взаимозаменяемость. Неравенство токов регулируют уровнем нагрузки, чтобы исключить перегрузку первого каскада. Изоляция второго и третьего каскадов, а также схематичное расположение трансформаторов друг относительно друга приведены на рисунке 2.12. Очевидно, что корпус Т3, который находится под двойным напряжением, имеет удвоенную опорную изоляцию.
И так, достоинством каскада трансформаторов является:
1. Получение сверхвысоких напряжений путем использования однотипных трансформаторов, причем не за счет усиления внутренней изоляции, а за счет использования опорной изоляции.
2. Возможность использовать любой трансформатор каскада отдельно, или использовать только 2 каскада, заменять неисправный трансформатор каскада однотипным.
Недостатком каскадного трансформатора является его огромная реактивность (до 30%) по сравнению с единичным трансформатором (3 – 5 %). В самом деле, при соединении трансформаторов в каскад их индуктивности рассеяния складываются, а индуктивности намагничивания - делятся. Поэтому при больших потребляемых токах, в том числе реактивных, мощности трансформатора первого каскада не хватает (Т1 «захлебывается»). Для исключения этого для повышенных мощностей создаются каскадные схемы с параллельным питанием трансформаторов каскада через изолирующие трансформаторы (ИТ1, ИТ2, ИТ3, рисунок 2.13).
Рис. 2.12. Схематичное представление изоляции между каскадами трансформатров.
Рис. 2.13. Каскад трансформаторов с параллельным питанием.
Следует отметить, что здесь рассмотрены упрощенные принципиальные схемы каскадных трансформаторов. Полные схемы значительно сложнее. Кроме основных обмоток трансформаторов устанавливаются дополнительные компенсационные обмотки (КО), улучшающие связь между стержнями магнитопроводов и снижающие реактивность каскада (рисунок 2.14).
Рис. 2.14. Схема размещения компенсационной обмотки на магнитопроводе
трансформатора
Обмотка низкого напряжения (ОНН) и высокого напряжения (ОВН) для лучшей изоляции размещают на разных стержнях магнитопровода. Из-за этого у трансформаторов велика индуктивность рассеяния. Компенсационная обмотка улучшает связь между ОНН ОВН, за счет чего снижается индуктивность рассеяния трансформатора.