Для испытания материалов и для различного рода исследований необходимы напряжения порядка 500—2000 кВ при обычной промышленной частоте. Основным оборудованием для получения таких напряжений являются испытательные трансформаторы.* Первоначальные конструкции испытательных трансформаторов, мало чем отличавшиеся от конструкций обычных силовых трансформаторов, оказались неудовлетворительными. Поэтому были разработаны специальные конструкции испытательных трансформаторов, основывающиеся на следующих принципах:
- принудительное распределение высокого напряжения по всей высоковольтной схеме, благодаря чему фиксируются потенциалы отдельных узловых точек схемы относительно земли;
- дробление общего напряжения на несколько трансформаторов, соединяемых последовательно или в каскад;
- применение вспомогательных, так называемых изолирующих трансформаторов;
- применение конструкции обмотки высокого напряжения по типу конденсаторного изолятора.
* Для импульсных испытании с напряжением порядка от нескольких мегавольт до 10 Мв служат так называемые генераторы импульсов в виде специальных конденсаторных схем.
При этом испытательные трансформаторы могут быть как масляные, так и сухие.
Схемы, основанные на первом принципе, в настоящее время не имеют практического значения. Схемы, соответствующие второму принципу, показаны на рис. 23-16 и 23-17.
На рис. 23-16 трансформаторы I и II соединены последовательно и каждый из них рассчитан на половину U0/2 общего напряжения Un. Рнс. 23-16. Схема испытательного трансформатора с изолирующим трансформатором
Рис. 23-17. Схема каскадного испытательного трансформатора с возбуждением по принципу автотрансформатора
Трансформатор // поставлен на изоляторы, находящиеся под напряжением U0/2. Чтобы потенциал обмотки высокого напряжения ВН трансформатора II относительно сердечника этого же трансформатора был строго фиксирован, сердечник и бак (если трансформатор масляный) соединяют с нулевым концом обмотки ВН этого трансформатора. Возбуждение трансформатора II, у которого сердечник и бак находятся под потенциалом U0/2 относительно земли, можно осуществить с помощью так называемого изолирующего трансформатора (III — на рис. 23-16) с коэффициентом трансформации k=1/1 причем изоляция между обмотками изолирующего трансформатора рассчитана на напряжение U0/2. Трансформаторы / и /// получают возбуждение от генератора Г. По этому принципу была построена одна из первых установок на 1 Мв из трех трансформаторов, из которых один изолирующий.
Если число последовательно включаемых трансформаторов больше трех, то установка с применением изолирующих трансформаторов становится громоздкой; поэтому в настоящее время чаще применяется принцип каскадного возбуждения трансформаторов, в частности, путем соединения их по автотрансформаторной схеме (рис. 23-17). Возбуждение второго и соответственно третьего трансформаторов производится от части обмотки высшего напряжения предыдущего трансформатора (на рис. 23-17 эти части показаны жирными линиями). Для этого оба конца каждой из возбуждающих обмоток выведены через изолятор высокого напряжения к обмотке возбуждения последующего трансформатора. По этому принципу можно построить и сдвоенные каскады на напряжения до 2 Мв при заземленной средней точке при числе трансформаторов в сдвоенном каскаде от четырех до восьми.
Однако недостатки каскадов довольно значительны. Поскольку каждый последующий трансформатор получает энергию от предыдущего, мощность каждого из них различна. Если по схеме на рис. 23-17 мощность трансформатора III равна Р, то мощность трансформатора II должна быть равна Р+Р=2Р, а мощность трансформатора / равна Р + 2Р = ЗР; общая установленная мощность 6Р, тогда как мощность каскада — всего ЗР. Кроме того, с увеличением числа звеньев каскада сильно возрастает его общая индуктивность. Если, например, при одном трансформаторе она составляет 1,25%, то при двух — 4%, при трех — 9%, а при четырех — даже 16,4%. Третий недостаток каскадной схемы заключается в неравномерном распределении импульсных напряжений по отдельным звеньям каскада аналогично распределению таких напряжений вдоль обмотки одного трансформатора. Между тем обычная работа каскада (при разрядах и т. п.) как раз сопровождается импульсными перенапряжениями.
Рис. 23-18. Схема расположения обмоток испытательного трансформатора по комбинированной схеме
Поэтому все время делаются попытки создания испытательных трансформаторов на полное напряжение U0 в одной единице, и такие трансформаторы построены уже на напряжения до 1 Мв. Трансформатор конструируется наподобие изоляторов конденсаторного типа (рис. 23-18). Обмотка высокого напряжения из круглого провода наматывается в один слой на изолирующие цилиндры. Число цилиндров, а также их длина и диаметр подбираются так, чтобы при последовательном соединении конца обмотки первого цилиндра стержня I с началом обмотки первого цилиндра стержня II, конца обмотки первого цилиндра стержня II с началом обмотки второго цилиндра стержня I и т. д. нарастание потенциала по виткам, начиная от заземленного начала обмотки первого цилиндра стержня I, соответствовало распределению потенциала по емкости концентрических слоев обмотки.
Испытательный трансформатор в масляном исполнении относительно громоздок и тяжел, особенно при высоких напряжениях. Ясно, что, например, установка на рис. 23-17 нуждается в кране для монтажа и демонтажа каскада при осмотрах и ремонтах, и подобные работы являются в данном случае весьма трудоемкими.
Большое преимущество сухих испытательных трансформаторов заключается в отсутствии чрезвычайно громоздких и дорогих проходных изоляторов, а также в том, что, несмотря на довольно большие размеры сердечников и обмоток, масса сухих трансформаторов из-за отсутствия бака и масла получается значительно меньше массы таких же трансформаторов масляных. При надлежащем выполнении трансформатора по рис. 23-18 на него не оказывают вредного воздействия пыль и сырость и при ремонте его разборка относительно проста. Сухие испытательные трансформаторы конденсаторного типа могут быть выполнены на напряжение до 1 Мв в единице.
