高压脉冲变压器

Electronics 专门从事高压脉冲变压器的设计。美国皮尔森Pearson高压脉冲变压器采用开放式结构，旨在用于高压绝缘油。脉冲输出电压范围为 100kV 至 500kV，脉冲长度范围为 0.25 至 50 微秒。可以通过填写脉冲变压器要求表来查询脉冲变压器。

皮尔逊脉冲变压器在高电场区域具有最少的固体绝缘。这种类型的结构可防止由于油污或超过变压器内置的典型 50% 至 100% 安全系数的过电压而导致意外闪络对变压器造成损坏。有意的最薄弱区域位于高压电晕环和磁芯之间。这些是金属表面，它们之间的闪络对表面的影响可以忽略不计，即使是最高功率的线型脉冲发生器所涉及的能量也是如此。

尽管变压器内置了电压对峙安全系数，并且具有能够承受合理的闪络而不损坏的特点，但仍偶尔会出现变压器损坏的情况。在检查时，这些装置总是表明它们是在肮脏的油中运行的，或者存在巨大的过电压，对于额定值很小的装置来说，有时接近 100 万伏特。希望以下说明能帮助用户避免这些困难。

优质油的必要性被普遍接受，但通常不了解必要的具体预防措施。脉冲调制器故障通常不被认为是意外过电压的重要且常见的原因。事实上，它往往是麻烦的主要来源。过电压可能难以检测，原因也难以诊断。

绝缘油

各大油电公司供应的普通变压器绝缘油，对于高压脉冲使用基本来说是令人满意的。出现的问题通常是由于污垢、空气和水的污染造成的。最初安装的油的状况必须良好。一旦安装令人满意，就必须确保它保持良好状态。

安装过程中的污垢

加注前应做出合理的努力，确保变压器本身、油箱和油中的其他部件没有灰尘、棉绒、碎屑等。很难让所有部件都绝对干净。当油中漂浮穿过高电场区域时，油中最少量的污垢都可能成为闪络的潜在来源。此时通常指示过滤油。

安装后筛选

机油滤清器滤芯应为可过滤非常小颗粒的类型。能够过滤细小颗粒的“Fuller's Earth”过滤器或等效过滤器是必要的。如果过滤器装置是变压器油箱组件的一部分，则在运行前运行过滤器装置几个小时将清除大部分污垢颗粒。如果没有连续过滤装置，将泵和过滤器的入口和出口软管放置在油箱的对角线对角上，可以最快速地过滤油量。

防止污垢进入油中

油干净后，应采取以下几项预防措施：

1. 在水箱上盖上盖子并保持在那里。如有必要，仅短时间取出以进行初步检查。一旦设备运行顺利，应将盖子和垫圈用螺栓固定到位。

2. 请勿在未过滤油的情况下将手放入油中。即使是干净的手和手臂似乎也会使油变质。

3. 如果意外的过电压导致闪络，则油中将含有少量碳，从而削弱油。如果发生任何火花，进行筛选是明智的做法。

4. 如果油不经意间变得如此碳化，以至于它明显变暗，那么油就会减弱到可以在变压器绕组所在的固体绝缘层上建立电晕轨迹的程度。一旦建立了电晕轨迹，一旦石油严重弱化，这可能发生在低于额定电压的情况下，轨迹将扩大，直到完全击穿。

在运行的最初几个小时内偶尔出现火花放电 有时发现，尽管调制器的性能完美且油非常干净，但运行数小时后可能会出现火花放电。这可以通过存在一块单独的污垢来解释，也许是一块几乎看不见的棉绒，它在变压器油箱中缓慢漂浮。在进入高电场区域之前，它可能需要数小时的漂移。火花会破坏颗粒，由此产生的闪络污染物可能会分散，不会造成
进一步的麻烦。

连续过滤

在运行稳定的系统中，没有过电压，彻底清洁油，密封的油箱，并且油箱中一些尖锐的高压点没有未检测到的电晕，因此不需要连续过滤。但是，如果所有这些条件都不确定始终存在，则可以通过连续过滤在很大程度上避免停机费用和随之而来的混乱。

油品测试

标准的 60 Hz 油测试仪可用于检查脉冲变压器油。对于电极间距为 30 英寸的标准油杯，油的击穿点应至少为 0.1 kV rms。

油测试杯（以及用于浸油的任何其他容器）应使用干净的油冲洗，而不是被测油，以避免被测油可能受到污染。应从运行中使用的变压器油箱中取出油。应进行重复测试。最低读数是显着读数，因为污染物的密度可能很低。

空气污染

空气污染不像污垢那样经常成为麻烦的来源，但会引起问题。一定量的空气总是被油吸收，不会造成任何问题。油中处于高电场中的自由气泡肯定会导致击穿。气泡进入油中的一些方式如下：

1. 将油泵入变压器油箱时，油在撞击敞开的油表面或坚硬的表面时，会捕获气泡。这显着降低了油的击穿值。其中一些气泡会浮回表面并破裂。其他的则被吸收到油中。让油静置一天将使其恢复全面测试。一种有用的技术是让油几乎平行于油箱壁表面流动，这样水流就会扩散开来，而不会捕获气泡。然后，当油深足够时，软管降低到油面以下。

2. 在抽油开始时，泵送系统中通常会有一定量的空气被困。当泵送开始时，它会被搅成气泡。如果有备用油桶，可以在其中完成启动过程，然后将软管转移到变压器油箱中。

3. 如果循环泵是储罐组件的组成部分，则有时无法避免这种搅动。一个补偿功能是泵会与油一起吸走气泡并将其从油箱中取出。

4. 泵送系统负压侧的泄漏会吸入空气。它被打碎成气泡，最终进入变压器油箱。

5. 铁芯在高平均功率变压器运行期间预热。然后它可以释放被困在叠片中的空气。这些气泡可以通过变压器向上漂移并进入高电场区域。皮尔逊变压器铁芯在真空下浸渍油以去除这些空气。

水污染

与空气一样，油中含有少量水，在正常的实验室室温和湿度下，经过长时间的测试，这些水会达到通常不会对油造成伤害的平衡。但是，如果油在温度和湿度未控制在范围内的区域储存或使用，水会凝结并聚集在容器底部。在这种情况下，油分解值会受到影响。

水被广泛用于冷却。事故经常发生，水溅到油中，或者未被发现的小水泄漏将水滴入油中。如果这是一个因素，最好指定一个分体式油箱，以便可以密封变压器室以防止湿气进入。

如果变压器油箱或储油桶的底部存在水滴或水坑，并且抽水机会吸收一些水，它就会被油打碎并乳化。然后，水滴会粘在变压器表面。在这种情况下，高压运行将导致变压器的固体绝缘材料击穿。

如果容器底部有水，则应将油抽走，直到包括水在内的剩余部分可以扔掉。然后，长时间（天）浸入油中的加热器会逐渐去除水分。其他去除水分的方法（都需要特殊设备）是：

1. 吸水过滤器。
2. 蒸馏式炼油器。
3. 离心式炼油器。
4. 将加热的油喷入抽真空室。

意外过电压

脉冲调制器可能会发生故障，从而导致变压器以及其他重要组件（如 PFN 和开关）的过电压tage。一些可能的原因包括：

1. 负载电阻过低和 PFN 反向电荷去除电路不足的组合。
2. 在间歇期间自发触发的开关。
3. 开关的连续导通。
4. 负载电阻过高。
5. 上面列出的两个或多个问题的组合。

这个列表只是部分。毫无疑问，还有更多可能的麻烦来源。

电阻过低和放电电路不足的组合，无法去除反向电荷

这个问题在 MIT 辐射实验室系列、Glasoe 等中有所介绍（第 5 卷第 417 页 f.），并且是一个通常会受到关注的问题。一个可能的困难是反向充电放电电路不能足够快地去除反向电荷。即使在完全充电电压下完全负载短路，它也应该这样做。然后可能发生的情况是，在反向充电完全消除之前，充电周期可以很好地进行。

充电电压可能会发生连续的金字塔形。可能有助于显示该电路是否正常工作的简单测试是暂时短路负载。峰值充电电压不应升高。如果排除了此类全电压测试，则可以进行低电压测试。这将显示放电电路是否按适当比例分配。它不会显示放电二极管的电流能力是否足够。

Switch 在正常的间歇期间自发触发

这个问题是元件过电压的最严重原因之一。这也是一个难以避免和难以应对的问题。随着峰值和平均脉冲功率越来越高的趋势，确保完全足够的开关的问题变得越来越困难。此外，还必须将成本控制在一定范围内，因此在脉冲调制器的设计中并不总是理所当然地包含完全足够的仪表和保护电路。

如果脉冲开关在脉冲间期内有自发触发的趋势，并且没有专门针对这种故障的正向保护，那么脉冲变压器和其他组件肯定会过电压。

请考虑以下解释。如果开关在充电电流流过时闭合，负载上将出现正常或低于正常的脉冲电压。通常，开关将连续导通，正常的过流断路器保护必须运行，但不一定（见下文）存在过压。如果开关像往常一样在脉冲结束时清零，则开始新的充电周期。但这个新的充电周期从有限的电流开始。对于大于零的初始充电电流，下一个充电电压峰值将更高。然后，如果开关在正常时间再次闭合，则负载处会出现更大的电压脉冲。

当然，如果开关在正常充电电压下有自闭合的趋势，那么在高于正常充电电压时，它仍然更容易自闭合。如果这种情况继续下去，可能会产生巨大的电压。

另一方面，如果开关在充电周期完成后的某个时间里自发闭合，但在下一个正常脉冲之前，则会形成正常脉冲。然后将开始正常的充电周期。但是当这个循环正在进行时，正常触发发生，开关闭合，然后过压过程开始运行，因为现在充电周期开始，有限的充电电流已经流过。

变压器过压预防

一个有助于防止变压器（但不一定是其他元件）过电压的简单装置是一个快速过电压感应电路，如果充电电压上升到预定值以上，它将自动防止下一个和所有后续触发器应用于开关。这里需要一个提供忠实波形划分的分压器。用于耗尽 PFN 电荷的泄放电阻也应该是电路的一部分。同时自动关闭
电源也是谨慎的做法（参见连续导通部分）。

其他保护措施是可能的。一种是在初级上串联的火花隙和低电阻，间隙设置为在任意数量的过电压下触发。另一个是横跨初级的闸铁矿。这两者都本质上是不完美的，但总比没有好。

脉冲开关

显然，需要一个具有足够电压保持能力的开关，并且在设计过程中应尽一切努力确保这一点。开关的串联作是一种可能性，但通常应避免。串联开关遇到的问题之一是确保串联管之间的充电电压相等。这意味着电容和电阻必须相等，因为充电电压具有交流分量和直流分量。应在实际电路中测量电容，以确保杂散电容不会破坏平衡。建议单独触发所有串联开关，以便对单个串联开关进行正向合闸。使用适当的多次级触发变压器或单独的并联初级触发变压器，这相对简单。

开关的连续导通

另一个可能出现的困难是开关可能会连续导通。最初不会产生过电压。然而，充电电感和滤波电容会经历半个周期的振荡。在半周期结束时，电流被充电二极管停止。现在，滤波电容器上的电压是相反的。电流现在从电源
流出，为滤波电容器充电。但这种情况完全类似于对具有反向电荷的 PFN 进行谐振充电，只是电容元件现在是滤波电容器，而电感元件是电感。结果是滤波电容器的充电趋势是正常电源值的两倍以上。当然，所有后续的脉冲分量都会相应地过电压。显然，电源断路器和电流传感电路对于开关连续导通的情况应该是快速动作的。

负载电阻过高

正确的检测和校准在金钱和时间上都是昂贵的。有时，人们会对负载电阻做出假设。应在负载上使用分压器和脉冲电流互感器，以确保负载电阻在全工作电压下是正确的。应注意电阻随温度变化的虚拟负载。负载高压侧的不匹配会导致变压器电压过高，即使充电电压是一个合适的值。

问题组合

工程师或技术人员在试图在故障脉冲系统中定位故障时，一个常见的故障是倾向于假设只有一个系统故障。实际上，设备中同时存在几个问题是更常见的。在测试是否存在特定故障时，应该尽可能多地消除或用更简单的组件替换电路。一个例子是首先在全峰值和平均功率下将脉冲调制器作到电阻负载中。然后将变压器添加到电阻负载中，再次以全功率运行。然后二极管型负载可以代替电阻负载。当故障可能出在其他地方时，这个过程可以部分避免将故障分配给脉冲变压器或二极管负载，或避免它们对电路的反应。

检测过电压

检测过电压可能很困难。有时，我们所知道的只是脉冲变压器闪过来了。很容易得出结论，变压器有缺陷，因为这是唯一明显发生的事情。

首先检查是确保油品符合标准。然后应该注意大于正常的次级和初级脉冲。这可能很困难，因为故障可能会在人们将视线从瞄准镜上移开的那一刻发生。此外，在示波器迹线的正常触发扫描时间内，通常不会出现单个高脉冲。一种更好的方法是使用可靠的分压器监控
PFN 电压。可以更容易地检测到高充电周期。另一种不需要如此密切观察的可能性是定位 Normal Scope Trace，使其刚好远离 Scope 屏幕。通过将强度调得非常高并使用具有一定持久性的示波器屏幕（例如 P2），过电压将落在屏幕的可见部分，并且光斑的强度和屏幕的持久性将允许在事件发生后查看。

双线加热器电流保护

一个罕见但值得一提的问题是，携带加热器电流的双线变压器在双股的两条腿之间产生火花。脉冲电路中通常没有足够的电流来损坏变压器绕组。但高压火花之后是由加热器电源馈送的大电流电弧。如果熔断器或断路器保护不当，这种大电流电弧会烧穿变压器绕组，从而导致开路绕组。如果继续脉冲，绕组中的这种断裂将随着脉冲不断产生火花，迅速使油碳化并导致进一步的故障。