При проведении испытаний силовых трансформаторов крутая форма волнового фронта моделируется посредством испытания импульсным напряжением. Подайте импульсное напряжение на клемму высокого напряжения. Для клемм высокого-напряжения импульсное напряжение — это еще одно испытательное напряжение, прикладываемое к концу провода обмотки в дополнение к испытательному напряжению диэлектрика частотой 50 Гц. Испытание импульсным напряжением возникло из-за необходимости проверить способность трансформаторов выдерживать напряжение этой формы, которое обычно генерируется в случае ударов молнии в системе высокого-напряжения, подключенной к трансформатору.
Наиболее эффективной мерой по увеличению величины электрического напряжения на конце линии управления является увеличение последовательной емкости обмотки. Хотя иногда можно уменьшить емкость обмоток относительно земли, частично используя электростатическое экранирование, применять эту меру на практике нецелесообразно. Существует несколько способов увеличения последовательной емкости обмоток. Во-первых, используйте электростатический экран, подключенный к концу провода обмотки, и зажмите экран между двумя проволочными жгутами, ближайшими к концу провода обмотки. Во-вторых, соедините один конец экранированного провода с концом обмоточного провода, а другой конец подвесьте в первом жгуте провода. Оба вышеуказанных метода могут привести к относительно большому количеству витков обмотки вблизи конца обмоточного провода. Электростатическое экранирование, возможно, было самым ранним принятым методом и до сих пор широко используется. Сам метод изготовления электростатической защиты обычно заключается в том, чтобы сначала обернуть тонкую металлическую фольгу вокруг изоляционного кольца соответствующего диаметра (использование тонкой металлической фольги позволяет минимизировать паразитные потери -, см. предыдущее обсуждение экранирования в обмотках экранирующего слоя в этой главе), а затем обернуть бумажную изоляцию вокруг тонкой металлической фольги. После изоляции размер средства электростатической защиты должен быть близок к радиальному размеру жгута обмоточного провода. Необходимо провести тонкую металлическую фольгу для электростатической защиты, чтобы привязать ее к проводу обмотки. Головка из металлической фольги может быть самой слабой частью электростатической экранирующей конструкции, как указывалось при обсуждении обмоток экранирующего слоя, соединение тонкой металлической фольги - непростая задача.
По мере распространения напряжения падающей волны в обмотку начальное распределение напряжения внутри обмотки изменяется из-за асимптотических эффектов отдельных компонентов обмотки и их емкости, самоиндукции, взаимной индуктивности и сопротивления. Связь через емкость и индуктивность. Это напряжение будет передаваться и на другие обмотки. Эти обмотки взаимодействуют с падающей и отраженной волной, непрерывно подвергаясь серии сложных колебательных процессов, пока энергия падающей волны не исчерпается из-за непрерывного затухания и не будет достигнуто окончательное распределение напряжения.
Хотя самый высокий градиент напряжения генерируется на конце обмотки или вблизи него, когда импульсное напряжение достигает момента, эти волны напряжения, распространяющиеся вдоль обмотки, будут прикладывать напряжение к другим компонентам, и соответствующее значение электрического напряжения может быть ниже, чем на конце обмотки, но намного выше, чем в нормальном стабильном состоянии. Во многих случаях меры по контролю электрического напряжения на конце обмоточного провода недостаточны для обеспечения необходимой прочности изоляции, что требует использования какой-либо формы запутанной конструкции. Процесс запутанной намотки обычно включает в себя намотку двух или более проводов параллельно, а затем соединение головок двух соседних (или двух проволочных лепешек, расположенных на расстоянии друг от друга) проволочных лепешек для образования необходимой запутанной структуры. Преимущество запутанной конструкции перед первыми двумя заключается в том, что она не занимает места зря, поскольку любые витки обмотки являются эффективными. Однако из-за большого количества соединений, необходимых для запутанной обмотки, стоимость ее изготовления существенно возрастает. Цель добиться практически линейного распределения импульсного напряжения вдоль обмотки можно путем регулирования количества спутанных витков. Из-за высокой стоимости запутанной намоточной конструкции конструкторы всегда надеялись использовать этот тип намотки как можно реже. При этом, где это возможно, использование запутанных структур должно ограничиваться взаимодействием падающих волн и волн, отраженных от нейтральной точки на некоторых отрезках линии в конце обмотки. Колебания напряжения, возникающие в области нейтральной точки обмотки, являются самыми большими. Поэтому, за исключением участков линии на конце обмотки, область с наиболее сильным электрическим напряжением обычно находится в нейтральной точке обмотки. Если некоторые сегменты ответвительной обмотки отрезаны от линии (кроме случаев, когда трансформатор работает в максимальном положении ответвления, такая ситуация существует), в ответвительной обмотке останутся некоторые подвешенные сегменты. На концах этих подвешенных отрезков, не соединенных с обмоткой, может возникнуть высокое напряжение. Амплитуда импульсного напряжения, генерируемого в нейтральной точке обмотки и на подвешенном конце ответвительной обмотки, в основном одинакова, и эти значения импульсного напряжения должны достигать минимума, когда начальное распределение напряжения линейно. Поэтому обычно необходимо установить несколько запутанных сегментов линии в нейтральной точке обмотки, чтобы они соответствовали запутанным сегментам линии на конце провода. Значение импульсного напряжения, генерируемое в ответвительной обмотке из-за подвешивания некоторых витков провода, может быть связано с размером диапазона ответвительного напряжения (на значение импульсного напряжения также влияет структура ответвительной обмотки, например, прямое и обратное регулирование напряжения или линейное регулирование напряжения, а также положение ответвительной обмотки относительно обмотки высокого напряжения и земли), поэтому эти факторы следует учитывать при определении диапазона ответвительного напряжения обмотки.
По сравнению с более простыми конструкциями экранирования концов проводов, необходимость использования обмотки высокого-запутанного типа обычно определяется мощностью трансформатора, уровнем напряжения и требуемым уровнем импульсного напряжения. Чем меньше мощность трансформатора, тем меньше размер железного сердечника, что приводит к уменьшению напряжения на виток и увеличению общего числа витков обмотки. Чтобы разместить все необходимые витки провода на заданной высоте намотки, каждый жгут блинной обмотки должен иметь несколько витков, примерно до 15 или 16 витков, тогда как в нормальных условиях жгут может иметь только 8 или 9 витков. Таким образом, максимальное напряжение, генерируемое между соседними жгутами проводов в обмотке, может в 32 раза превышать напряжение на виток, тогда как соответствующее значение для «нормальной» обмотки может составлять только 18 раз. Напряжение промышленной частоты, генерируемое между соседними сегментами линии (например, линейными лепешками), в двух вышеописанных ситуациях имеет значительную разницу, причем под действием импульсного напряжения эта разница становится еще более существенной. Поэтому необходимо тщательно продумать технологию борьбы с электрическим напряжением.
Для обмоток со сверхвысоким напряжением, даже имеющих запутанную структуру, сложно контролировать на удовлетворительном уровне чрезмерно высокие значения ударных электрических напряжений. В этом случае может оказаться необходимым применить структуру обмотки с экранирующим слоем. Когда к концу провода обмотки экранирующего слоя прикладывается импульсное напряжение с крутым волновым фронтом, эффект внутреннего и внешнего экранирующих слоев аналогичен воздействию двух обкладок конденсатора, а зарядное напряжение нового конденсатора представляет собой пиковое значение импульсного напряжения. Слой обмотки между внутренним и внешним экранирующими слоями эквивалентен серии промежуточных конденсаторов, что делает напряжение срабатывания, действующее между внутренним и внешним экранирующими слоями, близким к линейному распределению. Когда импульсное напряжение приближается к линейному распределению, путь импульсного напряжения, передаваемый внутри обмотки, не будет колебаться. Таким образом, изоляционная структура, отвечающая требованиям импульсного напряжения, может быть спроектирована в соответствии с методом анализа электрического напряжения промышленной частоты. С точки зрения электрических характеристик данная конструкция является наиболее идеальной. Как уже говорилось ранее, недостатком слоистых обмоток является их плохая механическая прочность. Поэтому конструкторы уверены, что при использовании электростатического экранирования, внутреннего экранирования или запутанных конструкций для удовлетворительного контроля электрических напряжений в обмотках следует использовать обмотки со структурой торта.
