高压脉冲变压器结构工艺设计范文

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前言：

高压脉冲变压器广泛应用在雷达、高能物理、环保除尘、直线电子加速器等技术领域内，由于电压越来越高（一般从几十千伏到几百千伏），对波形的要求也越来越严，工程实施起来也就越来越难。成功研制高压脉冲变压器，设计计算保证是一方面，结构设计、工艺设计及加工过程中的工艺处理也至关重要。对高压脉冲变压器来说，细微处的尖角或毛刺就可以使变压器工作中击穿，损坏导致无法正常工作。下面就分别从结构和工艺方面分别介绍其在实施过程中需要考虑和注意到的问题。

一、结构设计

（一）绕组结构脉冲变压器的设计准则是要保证对负载具有最大的能量传输系数和最小的脉冲波形失真，因此需通过合理设计获得合适的漏感与分布电容参数。绕组的形式在很大程度上决定了脉冲变压器的分布参数（漏感和分布电容），常用的绕组结构有三种：圆柱形绕组、圆盘形绕组、环形绕组，具体选择哪一种结构，需要综合进行考虑。设计脉冲变压器的工程师都知道，漏感是脉冲变压器的重要参数之一，漏感的大小直接影响着输出脉冲波形的前沿特性。要减小漏感，除了减小初级匝数和绝缘距离外，增加初次级绕组交替绕制组数M也是比较有效的方法之一，但对于上百千伏的高压脉冲变压器而言，初次级绕组交替绕制对耐压绝缘处理很难实现，增加了变压器耐压击穿的风险。普通脉冲变压器绕组的层间绝缘厚度是不变的，一般来说，初级绕组绕制一层，次级绕组绕制一层或几层，而初次级间的绝缘距离由加在它们之间的最高电压决定。为满足脉冲高压电源对脉冲变压器低漏感及较高耐压的要求，需要对绕组进行了合理配置，我们一般采用圆柱形绕组，次级绕组采用不对称高压线圈结构，即次级线圈匝数平均分布绕制在磁芯的两个磁柱上，根据输出电压随次级匝数同比例增加的原理，第一个一半匝数的线圈（简称低压包）的绝缘距离Δ1可以设计高压包Δ2的一半，节省了磁芯窗口宽度尺寸及磁芯的成本，在保证绝缘耐压强度地同时也减小脉冲变压器漏感，不仅改善了输出波形，还提高了波形传输效率。不对称线圈结构如图1所示。另一种绕组结构形式是锥形绕组，锥形绕组是一种新颖结构，一般用在输出脉冲电压25OkV以上的场合。它利用脉冲变压器绕组间等电位梯度下降的特点，将主绝缘结构也按等梯度分配，这样可以在铁芯截面不变的情况下铁芯的磁路长度减小，铁芯体积也相应减少。并能减少绕组的平均匝长，与矩形窗口的绕组相比：漏感减小约1/2，分布电容增加不大，由于变比高，总电容(包括负载电容)只增加3.5%，而与前沿时间成正比的减小约23%。因此，采用锥形绕组结构设计可以得到体积小、重量轻输出脉冲波形良好的脉冲变压器。锥形绕组结构示意图详见图2。

（二）绝缘结构设计1.初级引出高压脉冲变压器一般次级输出脉冲电压在百千伏以上，变压器结构设计成上下压板用四根螺杆压紧，下压板预留安装孔固定。次级骨架需完全与初级绕组架空，骨架架空定位在上下压板的限位槽内，以保证与初级线圈的绝缘距离，从而提高变压器的绝缘可靠性。高压脉冲变压器初级电流很大，峰值电流一般有几千安培，引出必须采用厚铜排连接，为增大其与次级高压绕组距离，尽可能的分开引出，我们采用直插式铜排穿过上压板直接引出，在上压板上准确开细长形出线槽，既增大了初级引出与次级引出之间的距离，又便于脉冲电源装配时连线。2.绝缘材料脉冲变压器次级输出电压很高,再考虑设计余量及打火等异常状态，一般脉冲变压器的次级对初级及地的绝缘耐压按输出电压要求值的1.2~1.4倍设计，初次级线圈采用架空结构，主绝缘材料选用45#变压器油，初级与次级绕组间最高电压差处架空绝缘距离约5kV/mm。常规高压脉冲变压器次级骨架材料一般都采用3240环氧板拼接组合而成。骨架表面平整，线圈绕制时，匝间导线紧密相连，绕线工艺难度较高。我们选用EPGC201系列环氧板作为次级骨架材料，较常规3240环氧板，EPGC环氧板更致密，不易分层，在高压电场情况下绝缘性能更可靠。由于变压器输出电压高，导致变压器变比也大，即次级绕组的匝数也多，我们将次级骨架按匝数进行开槽，将次级每一匝都固定限位好，保证匝间的距离，最大程度地减小因生产操作造成的匝间耐压问题。为避免骨架和安装结构件尖角或毛刺可能引起的变压器击穿问题，我们要求所有的结构件边角处倒R处理,防止高压尖端放电和在绕线生产过程中对导线绝缘层的刮伤等。3.铁芯多点接地为了脉冲变压器在高压工作时更可靠，避免高压工作时铁芯悬浮带电，一般将铁芯进行单独接地处理，我们将铁芯多点接地后分别引出至安装的四根金属拉杆并用接地线连在一起，以保证所有金属件在同一个地上。

二、工艺设计

高压脉冲变压器大部分使用变压器油做主绝缘材料，理论上变压器油的耐压强度很高，可达55kV/2.5mm(一个标准油距)，但实际工程应用中，变压器油的耐压主要取决于其绝缘处理工艺和真空灌油工艺，下面分别介绍一下。

（一）变压器油绝缘处理工艺变压器油有25#和45#两种，其主要区别是低温凝点不一样，我们一般采用45#变压器油。变压器油处理应在每次使用前进行，随用随处理，处理的油击穿电压不小于50kV/2.5mm标准放电，检验合格后才能对高压脉冲变压器进行真空灌油。变压器油绝缘处理时需要注意的事项主要有：1.工作间应当清洁、干燥、无尘，通风良好。2.盛放变压器油的容器和处理油的设备（如压滤机、真空锅等）应当是清洁的、干燥的、密闭的。3.应注意防止将水滴，棉纱纤维或其他脏污杂质掉入变压器油中，不可对着变压器油讲话，以防唾沫溅入。4.变压器油在真空锅中真空干燥，加压加温，温度85±5℃，一般保持时间为12小时，保持时间的长短根据油样的击穿电压试验是否合格来确定。

（二）真空灌油工艺为保证生产出来的高压脉冲变压器达到设计要求的耐压强度，灌注变压器油需在真空环境下。进行一般不允许非真空灌油，因不抽真空就灌油线圈中的气泡不可能排除干净，这样将大大降低变压器的绝缘性能。1.干燥：清洗干净的变压器在110±5℃的鼓风恒温烘箱中干燥4～8小时（视元件的大小、重量而定）。2.绝缘电阻测试：不拿出烘箱，用1000伏兆欧表测量任一变压器的绕组间和绕组对外壳间的绝缘电阻应不小于100兆欧（注意温度应为110±5℃）。如绝缘电阻低于100兆欧，则应继续干燥到超过此值为止。3.真空灌油：真空干燥温度100～105℃，乘余压力<5毫米水银柱，时间6～10小时。抽气放入合格的变压器油，油面应盖过变压器约40毫米左右。

三、结束语

成功制作出一台高压脉冲变压器，不仅仅需要周密详细的理论设计保证其耐压强度，更需要在结构和工艺上进行详细策划，只有将制作过程中的工艺操作细节问题处理好了，耐压绝缘性能才能得以保证。因此，工艺问题至关重要，是每一个工程师都必须重视的。

作者：邹祖娇 单位：合肥华耀电子工业有限公司