Поисковые исследования по созданию малогабаритных экономичных высоковольтных импульсных источников энергии для электровзрывной обработки неметаллических материалов и других разрядно-импульсных технологий, страница 3

Необходимо отметить, что в настоящее время появилось много перспективных разработок, позволяющих совершенствовать отечественную элементную базу. Так Таллинским электротехническим институтом разработаны асимметричные тиристоры и полностью запираемые тиристоры, позволяющие коммутировать токи (200-1000)А с частотой (20-30)кГц и работающих на напряжении 2.2 кВ. Однако стоимость этих приборов очень высока (более 1 тыс.руб.). Завод "Электровыпрямитель" (г.Саранск) в 1992 году приступает к выпуску запираемых и асимметричных тиристоров на токи до 1 кА и напряжения (1.2-4.5)кВ, а также мощных высокочастотных транзисторов на напряжение коллектор-эмиттер 1000 В и токи (160-630)А и диодов на напряжения (1.2-4.5)кВ и токи (160-1000)А при рабочей частоте (20-30)кГц. Имеются новые разроботки мощных высоковольтных полевых транзисторов, таких как КП926 и приборов со статической индукцией, позволяющих работать в мощных переключательных устройствах с частотой до 500 кГц. Однако это дорогостоящие опытные разработки.

Из приведенного следует, что существующие схемные решения зарядных устройств со звеном повышенной частоты обладают неоспоримой перспективой использования в широком диапазоне мощностей (большем для тиристорных схем) при существенном снижении массы и габаритов (в особенности для транзисторных схем). Однако широкое внедрение таких ЗУ в установках разрядно-импульсных технологий, в особенности на транзисторных преобразователях, в настоящее время, очевидно, не рационально из-за дефицитности стоимости комплектующих изделий и материалов. Более приемлемы и близки к широкой реализации ЗУ на основе тиристорных преобразователей, использующих более ходовые и доступные материалы. Однако, с точки зрения проблемы рассматриваемой в данной работе, использование тиристорных преобразователей в ЗУ малой мощности (порядка 5 кВт) не обеспечивает оговоренных выше преимуществ в связи с относительно большими габаритами и массой преобразователя по сравнению с высоковольтным трансформатором/39,40/. Это подтверждается сравнением габаритов зарядных устройств емкостных накопителей с постоянной мощностью созданных ИИПТ АН Украины (табл.1.1)

Таблица 1.1

Параметры зарядных устройств

Важным элементом ЗУ является высоковольтный трансформатор, надежность работы, удобство и безопасность которого в большой степени зависит от выбора изоляции высоковольтных обмоток. В настоящее время, в качестве главной изоляции высоковольтных трансформаторов, наиболее широко используется трансформаторное масло. Это жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя. Однако, существенным недостатком таких трансформаторов является их пожароопасность и установка таких трансформаторов во многих случаях требует специальных мер пожаробезопасности. В особенности это касается трансформаторов большой мощности (десятки кВт).

Широкое распространение в последнее время приобретают трансформаторы с сухой изоляцией, обеспечивающие более высокую степень безопасности. Кроме того, такие трансформаторы, как правило, имеют меньшие габариты и удобны в эксплуатации. Обмотки таких трансформаторов (в особенности высоковольтные), заливаются эпоксидным компаундом, который обеспечивает необходимую изоляцию и механическую прочность. Такая технология позволяет создавать трансформаторы в широком диапазоне мощностей. К сожалению опыт эксплуатации таких трансформаторов и результаты проводимых исследований указывают на снижение надежности такой изоляции с ростом рабочего напряжения. Применение эпоксидных компаундов при рабочих напряжениях свыше 30 кВ - не рекомендуется. В настоящее время в качестве изоляции высоковольтных устройств широкое распространение находит элегаз (гексафторид серы, SF6).

Элегаз обладает существенными преимуществами по отношению к другим изоляционным материалам такими как:

-высокая электрическая прочность (при давлении 0.28 МПа элегаз обладает такой же электрической прочностью как трансформаторное масло);

-способность к регенерации (после пробоя элегаз регенерируется, его первоначальная прочность восстанавливается);

-незначительный подъем давления при пробоях (повышение давления вследствие термического расширения газа при пробое у элегаза меньше, чем у других газов, благодаря очень маленькой адиабатической экспоненте и значительно меньше, чем у жидких диэлектриков).

Анализ возможности использования элегаза в качестве изоляции высоковольтных трансформаторов проводился при сравнении работы однофазного маслянного трансформатора-выпрямителя типа ОМТВ-5/50 и макета элегазового трансформатора­выпрямителя, электрические параметры которых были близки, а именно:

-номинальная мощность, кВА                                                  5.0

-номинальное выходное напряжение

(выпрямленное), кВ                                                                   50

-напряжение обмотки НН, В                                                     220

-напряжение обмотки ВН, кВ                                                   41.

Силовые узлы обоих трансформаторов собраны на идентичных ленточных сердечниках ПЛВ 180x40, имеют близкие обмоточные параметры, один и тот же коэффициент трансформации. В качестве выпрямителей были применены четыре выпрямительных столба СДЛ 0.4-1250-04 ТУ16.739.072-80, образующих выпрямительный мост. При этом, в масляном трансформаторе столбы установлены в двух изоляторах и погружены в масло, а в элегазовом трансформаторе выпрямительные столбы расположены на крышке бака (корпуса трансформатора).

Силовые узлы смонтированы на крышке бака и опущены в изоляционную среду (масло/элегаз). Давление элегаза в корпусе трансформатора составляло 0.3 МПа.

Испытания элегазового трансформатора-выпрямителя показали сходность его электрических параметров с параметрами ОМТВ-5/50. В то же время, тепловые испытания показали, что тепловой режим трансформатора достаточно напряженный, а для ряда применяемых изоляционных материалов (полиэтилен, винипласт) превышает допустимые значения. Для обеспечения рабочих режимов трансформатора следует заменить эти материалы на более теплостойкие, обеспечить интенсификацию теплоотдачи с поверхности трансформатора в виде принудительного обдува наружной поверхности, увеличение числа охлаждающих ребер, принудительной циркуляции элегаза внутри бака и т.п. Очевидно, эксплуатация такого трансформатора сопряжена с определенными сложностями и применение его в промышленных установках разрядно-импульсных технологий является проблематичным. В то же время следует отметить, что во многих генераторах импульсных токов, предназначенных для физических исследований, в качестве высоковольтного источника питания применяется разработанный в ИИПТ АН Украины однофазный масляный трансформатор-выпрямитель ОМТВ-5/50 с ниже приведенными параметрами: