800 kV高变比螺旋线型空芯变压器的研制~

空芯变压器工作原理电路空芯变压器的原理电路如所示，其中：为初级储能电容，充电电压为U0；G为次级负载电容，输出电压为U2；1为初级绕组电感L为次级绕组电感M为互感；松Lk1为初级回路的附加电感；k2为次级回路的附加电感；1为初级回路电阻；2为次级回路电阻，P.T.为空芯变压器。对于此电路，国内外做了大量系统的研究16.忽略R1，仍，Lk1和Lk2等杂散参量，可以得到输出电压为耦合系数k），分别为初级和次级回路的角频率；失谐系数a=基金项目：国家高技术发展计划项目当￡>0.8时，变压器采用振幅充电，此时能量传输效率将随耦合系数的减小而降低；对于k为0.6~0.8时，第二（或反向）峰值将大于峰值，此时充电的能量传输效率随耦合系数的变化存在着佳值。

对于高变比型螺线空芯脉冲变压器，将次级螺线绕组设计为锥形结构可以确保高压端获得足够的绝缘距离，但与螺旋带空芯变压器相比，该种结构的变压器耦合系数通常低于0.8.为了获得满意的能量效率，通常将空芯变压器的耦合系数设计为0.6或者接近0这样可以利用第二振幅实现双谐振充电。

2空芯变压器设计2.1关键技术800kV空芯变压器结构示意图设计的空芯变压器结构如所示。空芯变压器初级线圈采用紫铜皮沿绝缘外筒内壁螺旋绕制三匝。次级绕组为锥形结构，用漆包线沿锥型骨架的斜面紧密绕制，高压端直接与绕组支撑金属板（起均压及支撑绕组的作用）相连，再通过一段空心金属杆连接到形成线负载，并在空心金属杆表面沿长度方向开槽以阻断圆周上的涡流路径。

设计中需要注意以下几个关键问题：影响装置电压和能量效率的主要因素包括变压器初级电路的附加电阻、附加电感和漏感等，它们将导致能量传输效率显著下降。而本文采用的是高变比设计，次级回路的附加电阻、附加电感对效率的影响不大，因此，在设计中要优化变压器结构，主要是尽量减小初级回路的附加电阻及附加电感。

高压绕组是绝缘设计中一个薄弱环节，多数脉冲变压器发生的严重绝缘破坏都出现在高压绕组或者跟它相关。可按照所述方法进行设计，但因为空芯变压器高压绕组中的高频电压振荡比有铁芯时严重89，故要适当加大绝缘裕度。此外，可以在锥形绕组高压端加均压环，以改善高压绕组的电压分布。

谐振充电时间会随耦合系数降低显著增加，而高频电压振荡会导致绝缘介质击穿场强阈值降低，这往往对变压器绕组的绝缘产生不利影响。而空芯变压器的耦合系数很难大于0.8，因此，对于螺旋线型空芯脉冲变压器，一般将耦合系数设计为0.6或者接近0.6.本文设计的空芯变压器主要用于超宽带系统中，而采用多匝数锥形高压绕组会使次级电感过大，变压器达到峰值（第二峰）的充电时间过长，不满足超宽带系统整体的绝缘要求。为此，应通过适当提高失谐系数，使峰大小与第二峰差别不大，从而使开关在峰处击穿。另外，失谐系数还影响变压器高压绕组电压分布特性，确定a值时需要充分考虑这一因素。

2.2参数设计次级绕组高压端的绝缘距离为工作条件下变压器油的击穿场强E=120kV/cm，考虑到锥形绕组高压端存在电压非线性分布的问题，将不均匀系数m设为1.51101，取变压器输出电压U为1000kV.初级绕组设计为圆柱形结构，单位长度的匝数为m，有效长度为L半径为n，则初级绕组电感心可以表示为1111（r+rmax）/2，则次级绕组电感L2为初、次级绕组之间互感M为~（5）计算可得初级绕组电感L1=4.2MH，次级绕组电感L2=1.5H，互感M=1.68mH，耦合系数k=0.67.采用精密RLC仪测量得变压器各电感参数为：1=4.057.因此计算所得线圈的自感与测量值基本相符，初次级绕组间的互感值偏大，经与测量值反复对比，可以乘以次级绕组的占空比的平方进行修正。

初级电容为10个36冲/3kV的电容器并联，采用所述方法测量，可得初级附加电感约为208.3nH，初级回路总电阻约为42m.终设计的空芯变压器的参数如所示，其中Rm为初级回路电阻和变压器初级绕组的电阻之和，忽略次级回路附加电感。

2.3模拟计算Pspice模拟结果根据设计的参数，用Pspice软件对系统进行了模拟，模拟电路如所示。初级电容G充电电压为2kV.负载电容上输出电压波形如所示。由可知，输出电压峰的幅值为817.6kV，充电时间约为42.4第二峰（大值）的幅值可达855.8kV，充电时间约为104.9.3安装与调试空芯变压器初级绕组的高低压端引出头直接接在与初级电容及可控硅相连的铜板上，初级电容和可控硅采用多组并联方式，直接装配在铜板上（如所示）这样就可以大大减小初级附加电感及附加电阻，提高系统效率，使变压器结构紧凑。

800kV空芯变压器装置图空芯变压器负载电压典型波形间约为96，与所示的波形基本一致。如前所述，变压器达到峰值（第二峰）的充电时间过长，不适合超宽带系统整体的绝缘要求。因此，控制开关的导通点在峰附件（约40Ms处）变压器输出波形如（b）所示，此时初级电容充电2.4kV时，变压器输出电压约为900kV，充电时间约为32.6.4结论采用高变比螺旋线结构的锥形空芯变压器作为超宽带系统的高压脉冲功率源是一条可行的技术途径。该种脉冲功率电源利用市电经高压整流对初级储能电容器进行充电，极大地增强了装置的实用性和机动性。本文在理论分析和模拟计算的基础上研制了一台800kV螺旋线型空芯变压器，变压器初级充电电压2次级输出电压达900kV，充电时间为32.6Ms.