Особенности эксплуатации

В современных испытательных установках при соблюдении рекомендаций по выбору их элементов резонансные явления маловероятны. Однако даже при отсутствии объекта испытаний ток первичной обмотки трансформатора опережает напряжение, так как ток намагничивания мал, а вторичная обмотка обладает значительной собственной емкостью. Объект испытаний представляет собой, как правило, конденсатор с высокой добротностью, и емкостная нагрузка трансформатора при подключении объекта, становится еще больше. Емкостный характер нагрузки принципиально приводит к повышению вторичного напряжения, так как сопротивление КЗ или рассеяния образует с емкостью нагрузки слабо демпфированный последовательный резонансный контур. В результате напряжение на объекте испытания становится больше первичного умноженного на коэффициент трансформации. Это явление необходимо учитывать при проведении испытаний, поскольку запас по электрической прочности обмоток ИТ не превышает 10-15%, а превышение напряжения по сравнению с напряжением, измеренным по стороне низкого напряжения и умноженным на коэффициент трансформации, может достигать 30% и в отсутствии резонанса. Отсутствие контроля на стороне высокого напряжения (U_ВН) недопустимо при проведении испытаний, а измерения по стороне низкого напряжения (U_НН) могут носить лишь ориентировочный характер. При одном и том же напряжении U_НН при различных объектах испытаний, ёмкость которых увеличивается, напряжение U_ВН будет возрастать. Еще большее возрастание напряжения произойдет в случае постоянной ёмкости объекта и увеличении частоты. Отношение вторичного напряжения U_ВН к первичному напряжению U_НН, умноженному на коэффициент трансформации определится следующим образом:

, (1‑0)

где X_k –индуктивность ИТ или каскада,  - частота питающего напряжения, С = C_i + C_ВН – суммарная ёмкость; C_i – трансформатора; C_ВН – ёмкость, подключенная к обмоткам высокого напряжения трансформатора. Тогда, обозначая за С_ном – номинальную ёмкость, U_ВН можно оценить по формуле:

(1‑0)

Оценка по формуле (1-5) носит только ориентировочный характер и неприменима для измерения напряжения U_ВН. При подготовке к экспериментам все параметры трансформатора и объектов испытаний должны быть проверены и оценены на отсутствие опасных перенапряжений. Для защиты ИТ от повреждений рекомендуется ставить на стороне ВН шаровой разрядник, настроенный на напряжение 1,1U_ном и служащий в качестве ограничителя перенапряжений.

Резонансные схемы

Как отмечалось в предыдущем параграфе, объекты испытаний представляют собой конденсаторы с высокой добротностью и при эксплуатации ИТ на стороне ВН возможно возникновение повышенного напряжения за счет приближения к резонансу даже без специальных настроек. Это явление может быть применено для получения высоких переменных напряжений промышленной частоты. Для получения ВН следует настроить в резонанс вторичную цепь, образующую последовательный резонансный контур и состоящую из индуктивности рассеивания трансформатора L_p и суммарной емкости вторичной цепи С. Преимущества использования резонансных схем перед обычными состоят в следующем:

1. для получения напряжения U_ВН достаточно малого зависящего от резонансной частоты переменного напряжения U_НН = U_ВН/(Qk), где k – коэффициент трансформации ИТ, а Q – добротность резонансного контура (как правило Q > 5);

2. поскольку резонанс наступает на основной частоте, то гармоники, содержащиеся в первичном напряжении, во вторичной цепи резко уменьшаются; требования к синусоидальности питающего напряжения в резонансных схемах существенно мягче и практически всегда удовлетворяется;

3. мощность, необходимая для возбуждения резонансного контура, очень мала, поскольку емкостная мощность объекта в резонансном контуре компенсируется индуктивной мощностью . Мощность источника возбуждения должна перекрывать лишь активные потери, составляющие обычно менее 5% емкостной мощности;

4. при пробое объекта изменяется суммарная ёмкость вторичной цепи С, что немедленно приводит к исчезновению резонанса и снижению напряжения на объекте испытаний. Повреждения объекта в месте пробоя сводятся к минимальным, поскольку в канал разряда не поступает никакой энергии, кроме накопленной в ёмкости объекта.

Резонансные схемы целесообразно использовать, прежде всего, при испытаниях объектов с большой емкостью (кабелей высокого напряжения, элегазовых устройств или шинопроводов). Настройка в резонанс осуществляется последовательным включением реактора во вторичную цепь ВН. Реакторы высокого напряжения имеют гораздо меньшие размеры и массы (примерно в три раза легче), чем испытательные трансформаторы такой же мощности. Такие установки удобно использовать в передвижных лабораториях и при проведении испытаний аппаратов высокого напряжения на месте монтажа. Однако для получения резонанса при любой ёмкости нагрузки необходимо иметь реактор с плавно регулируемой индуктивностью (рис.1-11б). На высоком напряжении это не тривиальная техническая проблема. В этом случае можно отказаться от использования испытательного трансформатора. Для снижения стоимости установки применяют также регулируемые реакторы на низком напряжении (рис.1-11а). В этом случае испытательный трансформатор разгружается лишь частично, но снижаются затраты на систему регулирования напряжения.

Другой возможностью достижения резонанса на ВН является регулировка частоты возбуждающего напряжения. В этом случае используются реакторы 7 (рис.1-11в) с постоянной индуктивностью L. Согласно выражениям (1-4) и (1-5) при постоянных L и C изменяя частоту можно регулировать напряжение на объекте испытаний. При высокой добротности колебательного контура напряжение возбуждения оказывается относительно небольшим. Для регулировки частоты можно использовать специальный преобразователь, созданный на базе силовой электроники, который должен покрывать активные потери в резонансном контуре. Работа этих устройств возможна в диапазоне частот от 30 Гц до 1 кГц. Резонансные устройства такого типа целесообразно применять, если не требуется строго поддерживать заданную частоту испытательного напряжения или если необходимо исследовать пробой при различных частотах.

Одной из самых старых, но по-прежнему использующихся резонансных схем являются трансформаторы Тесла, изобретенные Николой Тесла еще в 1891г. С их помощью создаются часто повторяющиеся колебательные затухающие импульсы частотой более 100 кГц и амплитудой выше 1 MB. Схема трансформатора содержит два колебательных контура со слабой взаимной магнитной связью. Индуктивности контуров образуются катушками без сердечника, имеющими сильно различающиеся числа витков, чтобы относительно низкое напряжение возбуждаемого первичного контура трансформировать в высокое напряжение вторичного контура. Такие трансформаторы в настоящее время используются лишь для испытаний тарельчатых фарфоровых изоляторов, во время которых с высокой чувствительностью устанавливается наличие высокочастотных скользящих разрядов в пустотах фарфора.