Получение высоких постоянных напряжений
Общие сведения
Постоянные высокие напряжения (не менее 1 кВ) находят свое применение во многих областях техники. Соответственно разнообразны и возможности их получения, учитывающие специфику использования.
Методы получения высоких постоянных выражений, описанные в п. 9.2.2 и 9.2.3, в деталях их реализации могут сильно различаться в зависимости от предъявляемых к ним требований. Естественно, что эти требования к установкам, предназначенным для исследований и испытаний изоляции электротехнического оборудования (например, кабелей высокого напряжения или компонентов линий электропередачи постоянного напряжения), совершенно иные, чем к установкам, используемым при физических исследованиях (ускорители заряженных частиц, источники нейтронов, электронные микроскопы), в медицине (рентгеновская техника, электротерапевтические установки) или в электротехнологии (дымовые электрофильтры, установки для флокирования текстильных материалов, электроокраски, сепарации порошков, электропечати). Поэтому сразу же следует отказаться от детального описания разнообразных вариантов источников высокого напряжения.
В международных нормах [9.1] в качестве характеристик постоянного напряжения, содержащего пульсации, определены наряду с полярностью среднее арифметическое значение амплитуды, а также коэффициент пульсаций и относительное отклонение от среднего значения.
Средним арифметическим значением пульсирующего униполярного напряжения u(t) с периодом пульсаций Т является
(9. 11)
Периодические отклонения от среднего значения называются наложенными пульсациями или волнистостью:
(9.12)
где Umax и Umin — наибольшее и наименьшее мгновенные значения напряжения u(t).
Пульсации обычно задаются в процентах от среднего значения. При измерениях постоянного значения необходимо учитывать выражение (9.11); устройства, измеряющие действующее значение, принципиально нельзя использовать для измерения среднего значения. Однако заметное различие среднего значения и показаний прибора, измеряющего действующее значение напряжения, наблюдается лишь при больших пульсациях. Согласно рекомендациям МЭК пульсации не должны превышать 5%.
При исследованиях изоляционных проблем большую роль играют параметры источника напряжения, такие, как кратковременная и длительная стабильность напряжения, накопленная в нем энергия, постоянная времени регулирования при быстрых колебаниях нагрузки или напряжения сети. На практике бывает также важно, можно ли быстро изменить полярность напряжения или же для этого требуется выполнить определенные оперативные переключения.
Электростатические генераторы
В электростатических генераторах механическая энергия непосредственно превращается в электрическую. С некоторыми оговорками можно рассматривать в качестве первого электростатического генератора устройство с электризацией трением, созданное Отто фон Герике в 1663 г. Однако непрерывное генерирование напряжения было осуществлено гораздо позже (Бозе, 1779 г.) с помощью кондуктора, а также в созданном в XIX столетии электростатическом генераторе, в котором трение уже не использовалось. Успешное применение электростатических генераторов началось после 1870 г., когда были преодолены многие технические трудности и стали появляться устройства для электромагнитного производства электроэнергии.
Решающий скачок в получении практически сколь угодно высокого постоянного напряжения (10 МВ и более) был сделан Ван де Граафом в 1930 г., предложившим ленточный генератор. Такие высокие напряжения используются в атомной физике для получения ионных пучков высокой энергии. В настоящее время применяются также созданные в 1950 г. Н. Ю. Фелиси роторные генераторы, которые являются модификацией предложенной Хольчем в 1865 г. дисковой электрофорной машины. Оба эти вида электростатических генераторов сейчас широко известны и подробно рассмотрены в 9.2.2.1 и 9.2.2.2. Новые предложения [9.18] по созданию электростатических генераторов очень высокой мощности с напряжением порядка нескольких миллионов вольт, основанные на принципе конденсаторной машины, предложенной А. Теплером еще в 1865 г., все еще ждут своей технической реализации. Однако они представляют интерес не для испытательной техники, а для электроэнергетики.
Рис. 9.12. Электростатический генератор Ван де Граафа
Таким образом, имевшаяся в конденсаторе электрическая энергия может быть увеличена теоретически беспредельно. Путем многократного повторения этого процесса можно отбирать от устройства мощность.
Ленточный генератор Ван де Граафа.
На рис. 9.12 упрощенно продемонстрирован принцип работы этого генератора. Лента 2, приводимая в движение вращающимся металлическим валом, заряжается от источника возбуждения UE напряжением в несколько десятков киловольт. Зарядка производится в поле коронного заряда между острым электродом 3 (тонкой стальной пластинкой или заостренной шайбой) и противоположным электродом (заземленным приводным цилиндром или специальным плоским электродом). В коронном разряде в зависимости от полярности напряжения UE образуются положительно или отрицательно заряженные заряды, которые осаждаются на изоляционной ленте и транспортируются вовнутрь сферического электрода 1 высокого напряжения. На этом электроде с помощью аналогичной электродной системы 4 заряды снимаются с ленты, так как их плотность на ленте создает большую напряженность электрического поля. Можно электродную систему 4 дополнить источником напряжения противоположной полярности и перезарядить ленту (см., например, [9.17]) тем самым удвоить снимаемый с генератора ток.
Очевидно, что достижимая мощность зависит от скорости движения ленты и и ее ширины b, поверхностной плотности заряда σ и тангенциальной составляющей напряженности поля Е(х) на поверхности ленты. Эта напряженность зависит от координаты х в направлении скорости υ, если конструктивными мерами не обеспечено равномерное распределение поля.
На участке dx ленты содержится заряд
а на всю ленту действует сила
Для обеспечения движения ленты против сил электрического поля с постоянной скоростью v = dx/dt требуется мощность
откуда ясно, что затрачиваемая на перемещение механическая мощность P=IU.
Предельная токовая нагрузка I зависит от максимально возможной плотности поверхностного заряда σ, а также от поверхности ленты, проходящей под коронирующей системой в единицу времени, а напряжение U — от активной поверхности ленты и допустимой напряженности поля Е(х), зависящей от диэлектрических свойств окружающего ленту газа.
Таким образом, при большой мощности генераторов возникают механические и электроизоляционные проблемы. Электростатические ленточные генераторы, предназначенные для ускорения ионов (часто в виде тандемных генераторов с зарядкой обеих сторон ленты, см., например, [9.17]), работают при заполнении их элегазом, азотом или смесью азота и углекислого газа под давлением до 3 МПа. Подходящей формой экранов обеспечивается наилучшее распределение поля. В таких генераторах получают напряжения до 30 МВ, хотя и при малых токах (менее 1 мА).
Предельную нагрузку по току легко оценить по (9.16а). При допустимой напряженности Е на изоляционной ленте и зависящей от нее плотности заряда σ≈εΕ вряд ли удается для работающей в атмосферном воздухе коронирующей системы получить плотность выше 2-10-5 Кл/м2 (соответственно Е≈20 кВ/см), так как прочность воздуха не превышает 30 кВ/см. Если b=1 м, υ=30 м/с, то ток I=600 мкА. Таким образом, электростатические генераторы имеют малые предельные токи. На рис. 9.13 показан тандемный генератор Ван де Граафа, выполненный в баках с газом под давлением. Такие установки пригодны для исследования пробоя в газах, так как генератор заполняется исследуемым газом, а его предельное напряжение согласуется с прочностью газа [9.20]. Малые предельные токи затрудняют исследования при очень высоких напряжениях, так как соединительные электроды должны быть абсолютно свободными от ЧР, что достижимо лишь при очень высоких затратах.
Рис. 9.13. Тандемный ускоритель на напряжение 25 МВ для питания циклотрона в лаборатории Oak Ridge National (США). Изготовитель — фирма National Electrostatics:
1 — ионный источник
Рис. 9.14. Схема барабанного генератора с двумя парами полюсов
9.2.2.2.Роторные генераторы.
К ленточным генераторам предъявляются жесткие требования в отношении механической прочности ленты, так как при больших скоростях возможно возникновение вибраций. Как уже упоминалось, Фелиси, усовершенствовав дисковую электрофорную машину, разработал генератор, который также можно рассматривать в качестве одного из вариантов ленточного генератора, в котором лента заменена вращающимся барабаном из изоляционного материала.
На рис. 9.14 схематично показано устройство барабанного генератора с двумя парами полюсов. При изменении количества полюсов мощность остается неизменной, а ток пропорционален числу полюсов. Устройства для коронной зарядки 3 и съема заряда 4 представляют собой промежутки типа острый коронирующий электрод — плоскость (индукторный электрод). Индукторные электроды жестко закреплены на изоляционном статоре 1. Материал статора обладает электропроводностью, гарантирующий однородное распределение потенциала между заземленным и находящимся под высоким напряжением электродами индукторов. Подходящим материалом является обыкновенное хорошо обработанное стекло. Вокруг статора вращается ротор 2 из изоляционного материала, причем воздушный зазор между ротором и статором равен примерно 0,3 мм. Коронирующие электроды—пластины—неподвижны и закреплены в генераторах на изоляционном каркасе. Напряжение возбуждения UE регулируется устройством 5 в зависимости от значения выходного напряжения UH. Очевидно принципиальное отличие такого генератора от ленточного: механическая осесимметричная конструкция из прочных материалов позволяет получить высокую частоту вращения барабана (скорость до 45 м/с) без заметного износа деталей, и поэтому становится возможной длительная непрерывная работа. Барабан может иметь ширину в несколько десятков сантиметров, при этом с учетом большого числа полюсов получаются токи до 10 мА. Однако напряжение, зависящее от диаметра барабана и числа пар полюсов, ограничено, так как нельзя беспредельно увеличивать диаметр барабана. Таким образом, рабочий диапазон напряжений роторного генератора составляет от 50 до 750 кВ, причем верхняя граница достижима только при закрытом исполнении генератора с газом (в большинстве случаев N2) под давлением. Удельная мощность на единицу площади активной поверхности барабана может достигать нескольких ватт на один квадратный сантиметр.
Регулирование напряжения электростатических генераторов.
Электростатические генераторы при постоянных напряжениях возбуждения UE, частотах вращения барабана или скоростях движения ленты являются генераторами постоянного тока. Поэтому напряжение холостого хода Uh возрастает до тех пор, пока не установится равновесие генерируемого тока и тока утечки. Ток генератора ограничен и в принципе не зависит от напряжения. Это означает, что нагрузочная характеристика генераторов располагается в области, ограниченной осями координат и линиями, параллельными осям и соответствующим U=Umax и 1=1тах.
В генераторах малой мощности с не очень сильным коронированием регулирование напряжения (или тока) может быть осуществлено простейшим способом, например путем стабилизации коронирующего промежутка [9.17]. Во всех остальных случаях в настоящее время используется эффективное электронное регулирование, при котором пониженное с помощью делителя (см. § 10.6) выходное напряжение является входным параметром системы регулирования. Однако даже в случае очень качественного контура регулирования с отличными динамическими свойствами не устраняются полностью колебания напряжения, так как интервал времени, необходимый для транспортировки заряда от устройства зарядки до системы съема заряда, относительно велик. При быстрых колебаниях напряжения отношение пульсаций к среднему значению напряжения может быть менее 10-4. Возможна длительная стабильная работа с пульсациями менее 10-3. В этом случае отпадает необходимость в фильтрующих конденсаторах большой емкости, а электростатические генераторы являются источниками высокого напряжения с очень малой накопленной в них энергией.
Схема полярности в таких генераторах принципиально возможна, однако при быстром изменении полярности (в пределах нескольких минут) должны быть решены проблемы изоляции внутри генератора, особенно роторного. В более простом и не таком компактном устройстве ленточного генератора возникает гораздо меньше проблем, и с его помощью удается получить даже переменное напряжение низкой частоты (менее 1 Гц) [9.21].
