Hoch­spannungs-Impulstransformatoren

Definieren Sie zunächst die Betriebs-Impulsausgangsspannung, den Lastwiderstand bei dieser Spannung und die Lastkapazität, gemessen im tatsächlichen Dielektrikum und in der realen Einbauumgebung. Geben Sie anschließend die erforderliche Flat-Top-Dauer, die Anstiegszeit von 10 % auf 90 %, Überschwingen, Spannungsabfall und Wiederholrate sowie die Impulsspannung und -dauer bei dieser Rate an. Auch das Primär-/Sekundärverhältnis, die Quellenimpedanz oder der angepasste Impedanzzustand sowie die erforderliche Polaritätsbeziehung müssen festgelegt werden. Die Isolationsanforderungen an beiden Niederspannungsenden gegenüber Kern und Grundplatte sowie die Wahl einer monofilaren oder bifilaren Sekundärwicklung vervollständigen die elektrische Spezifikation. Mit diesen Werten lassen sich Magnetkreis- und Isolationsauslegung auf die reale Schaltung abstimmen, statt den Bereich von 100–500 kV als feste Konfiguration zu behandeln.

Der Transformator in offener Bauweise ist für den Betrieb in Hoch­spannungs-Isolieröl ausgelegt. Das Öl ist daher Teil des Isolationssystems und dient nicht nur als Kühlmedium. Es sollte in einer standardisierten Ölprüfzelle bei 60 Hz mit einem Elektrodenabstand von 0,1 Zoll eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 30 kV RMS erreichen; bei wiederholten Proben ist jeweils der niedrigste Messwert zugrunde zu legen. Schmutz, freie Luftblasen und Wasser können die dielektrische Festigkeit verringern und Überschläge oder Kriechströme auslösen. In der Praxis sollten Tank und Komponenten vor dem Befüllen gereinigt werden; nach der Installation und nach jedem Überschlag sollte das Öl gefiltert werden. Das Befüllverfahren sollte Lufteintrag minimieren, und der Tank sollte abgedichtet werden, sobald ein stabiler Betrieb erreicht ist.

Prüfen Sie zunächst, ob die geforderte Ausgangsspannung zwischen 100 und 500 kV liegt und die Impulsdauer im Bereich von 0,25 bis 50 µs. Diese beiden Werte allein reichen nicht aus, um die Eignung zu bestimmen, da Lastwiderstand, Lastkapazität, Anstiegszeit, Überschwingen, Spannungsabfall im Flat-Top und Wiederholrate die Transformatorauslegung ebenfalls beeinflussen. Eine kapazitive Last verändert den Energiebedarf und die Anforderungen an die Anstiegszeit, während die Wiederholrate die mittlere Erwärmung beeinflusst, auch wenn die Spitzenspannung unverändert bleibt. Auch die Quellenimpedanz und das Primär-/Sekundärverhältnis müssen als Teil des pulsformenden Netzwerks berücksichtigt werden. Die Auswahl sollte daher auf der vollständigen Betriebswellenform und den Lastkennwerten basieren, die in der vorgesehenen dielektrischen Umgebung gemessen wurden.

Setzen Sie auf ein mehrstufiges Schutzkonzept, das anormales Ladeverhalten erkennt, bevor wiederholte Impulse den Transformator belasten. Eine schnelle Überspannungserkennung kann den nächsten und alle folgenden Schaltimpulse sperren, wenn die Ladespannung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet; ein wellenformgetreuer Spannungsteiler, PFN-Entladewiderstände und das gleichzeitige Abschalten der Strom­versorgung sind dabei relevante Bestandteile dieses Konzepts. Eine primäre Funkenstrecke mit Serienwiderstand oder ein Thyrite-Element kann zusätzlichen Schutz durch Begrenzung bieten, diese Maßnahmen sind jedoch nachrangig und kein Ersatz für eine Fehlererkennung. Der Pulsschalter muss zudem über eine ausreichende Spannungsfestigkeit verfügen, und die Schutzschaltung sollte auch auf Dauerleitung ansprechen. Das ist wichtig, weil einige Modulatorfehler den Filterkondensator auf mehr als das Doppelte des normalen Versorgungswerts aufladen können.

Eine Fehlanpassung der Last kann die tatsächliche Sekundärspannung verändern, selbst wenn die Ladespannung korrekt erscheint. Ein höherer Lastwiderstand als vorgesehen kann dazu führen, dass die Ausgangsspannung des Transformators ansteigt, während ein sehr niedriger Widerstand in Verbindung mit einer unvollständigen Beseitigung der PFN-Rückladung zu einem schrittweisen Aufbau der Ladespannung führen kann. Der Widerstand sollte deshalb bei voller Betriebsspannung mit geeigneten Spannungs- und Pulsstrommessungen überprüft und nicht aus Niederspannungs- oder statischen Daten abgeleitet werden. Auch temperaturabhängige Ersatzlasten erfordern Aufmerksamkeit, da sich ihr Widerstand während des Betriebs verändern kann. Für die Auslegung sollten Sie den Lastwiderstand im Betrieb, die gemessene Kapazität und entweder die angepasste Quellen-/Lastimpedanz oder die tatsächliche primärseitige Quellenimpedanz angeben.

Die Wahl hängt von der Sekundärschaltung ab und davon, ob eine gepaarte Wicklung für den Heizstrom erforderlich ist. Bei einer bifilaren Ausführung müssen der zu erwartende Strom durch die Wicklungen und die Spannung zwischen ihnen angegeben werden, während eine monofilare Wicklung diese zusätzliche Beanspruchung zwischen den Wicklungen vermeidet. Kommt es bei einer bifilaren Wicklung, die Heizstrom führt, zwischen ihren beiden Leitern zu einem Überschlag, kann die Heizstrom­versorgung einen starken Folgelichtbogen speisen, obwohl die Impulsschaltung allein die Wicklung normalerweise nicht beschädigen würde. Daher sind in der Heizstromschaltung geeignete Sicherungen oder Schutzschalter erforderlich. Wenn ein bifilarer Betrieb erforderlich ist, sollte der Bedarf an einem zugehörigen Filamenttransformator zusammen mit Impulsspannung, Isolation und Polarität festgelegt werden.

Eine kontinuierliche Filtration ist in einem stabilen System mit sauberem Öl, abgedichtetem Tank, ohne Überspannungsereignisse und ohne unerkannte Korona an scharfen Hoch­spannungspunkten nicht automatisch erforderlich. Eine anfängliche Filtration bleibt jedoch wichtig, weil Staub, Flusen oder Späne, die bei der Montage eingebracht werden, in Bereiche mit hoher Feldstärke gelangen und verzögerte Überschläge verursachen können. Auch nach jedem Überschlag sollte gefiltert werden, da Kohlenstoffverunreinigungen die Ölqualität verschlechtern und zu Kriechströmen auf fester Isolation beitragen können. Wenn Sauberkeit, Abdichtung oder störungsfreier Betrieb nicht sichergestellt werden können, kann eine kontinuierliche Filtration das Risiko kontaminationsbedingter Ausfallzeiten reduzieren. Die Platzierung von Pumpe und Filter sollte die Zirkulation durch den Tank fördern, und das Befüllverfahren sollte das Eintragen freier Luftblasen vermeiden.

Nehmen Sie die gepulste Leistungskette schrittweise in Betrieb, damit sich Fehler eingrenzen lassen, bevor die endgültige Last angeschlossen wird. Beginnen Sie mit dem Impulsmodulator an einer ohmschen Last bei voller Spitzen- und Durchschnittsleistung, fügen Sie dann den Transformator mit ohmscher Last hinzu und schließen Sie erst danach die endgültige Dioden- oder Anwendungslast an. Prüfen Sie zunächst die Durchschlagsfestigkeit des Öls und überwachen Sie dann die Primär- und Sekundärimpulse sowie die PFN-Spannung mit geeigneten Teilern und Pulsstrommessung. Diese Vorgehensweise hilft, das Verhalten des Transformators von Lastwechselwirkungen, Schaltfehlern und Problemen mit Rückladung zu trennen. Tritt ein Überschlag auf, stoppen Sie den Pulsbetrieb, prüfen und filtern Sie das Öl, verifizieren Sie das Ansprechen der Schutzschaltung und untersuchen Sie mögliche Überspannungen, bevor Sie neu starten.