Transformateurs d’impulsions haute tension

Commencez par définir la tension de sortie impulsionnelle en fonctionnement, la résistance de charge à cette tension et la capacité de charge mesurée dans son diélectrique et son environnement réels. Indiquez ensuite la durée de palier requise, le temps de montée de 10 % à 90 %, le dépassement, l’affaissement et la fréquence de répétition, ainsi que la tension d’impulsion et sa durée à cette fréquence. Le rapport primaire/secondaire, l’impédance de source ou la condition d’adaptation d’impédance, ainsi que la relation de polarité requise, doivent également être définis. Les exigences d’isolation aux deux extrémités basses par rapport au noyau et à la plaque de base, ainsi que le choix d’un secondaire monofilaire ou bifilaire, complètent la définition électrique. Ces valeurs permettent d’adapter la conception magnétique et l’isolation au circuit réel, au lieu de considérer la plage 100–500 kV comme une configuration fixe.

Le transformateur à construction ouverte est conçu pour fonctionner dans une huile isolante haute tension ; l’huile fait donc partie du système d’isolation et ne sert pas uniquement de fluide de refroidissement. Elle doit présenter une tension de claquage d’au moins 30 kV RMS dans une coupelle d’essai d’huile standard à 60 Hz avec un espacement des électrodes de 0,1 pouce, et, pour des échantillons répétés, c’est le résultat le plus faible qui doit être retenu. La saleté, les bulles d’air libres et l’eau peuvent réduire la rigidité diélectrique et provoquer un amorçage ou un cheminement. En pratique, la cuve et les composants doivent être nettoyés avant le remplissage, puis l’huile doit être filtrée après l’installation et après tout amorçage. Les méthodes de remplissage doivent limiter l’aération, et la cuve doit être scellée une fois le fonctionnement stabilisé.

Vérifiez d’abord que la sortie requise se situe entre 100 et 500 kV et que la durée d’impulsion est comprise entre 0,25 et 50 µs. À elles seules, ces deux valeurs ne suffisent pas à établir l’adéquation, car la résistance de charge, la capacité de charge, le temps de montée, le dépassement, l’affaissement du palier et la fréquence de répétition influencent tous la conception du transformateur. Une charge capacitive modifie les exigences en énergie et en temps de montée, tandis que la fréquence de répétition influe sur l’échauffement moyen même lorsque la tension de crête reste inchangée. L’impédance de source et le rapport primaire/secondaire doivent également être pris en compte dans le réseau de formation d’impulsions. La sélection doit donc s’appuyer sur la forme d’onde complète en fonctionnement et sur les caractéristiques de charge mesurées dans l’environnement diélectrique prévu.

Utilisez une protection à plusieurs niveaux capable de détecter un comportement de charge anormal avant que des impulsions répétées ne sollicitent le transformateur. Un circuit rapide de détection de surtension peut inhiber le déclenchement suivant et les suivants lorsque la tension de charge dépasse un seuil prédéfini ; un diviseur de tension fidèle à la forme d’onde, une résistance de décharge du PFN et l’arrêt simultané de l’alimentation font partie des éléments pertinents de cette approche. Un éclateur primaire avec résistance en série ou un élément thyrite peut fournir un écrêtage supplémentaire, mais il s’agit de mesures secondaires et non de substituts à la détection de défaut. Le commutateur d’impulsions doit également présenter une tenue en tension adaptée, et la protection doit réagir en cas de conduction continue. C’est important, car certains défauts du modulateur peuvent charger le condensateur de filtrage à plus de deux fois la valeur normale d’alimentation.

Une mauvaise adaptation de la charge peut modifier la tension réelle au secondaire, même lorsque la tension de charge semble correcte. Une résistance de charge plus élevée que prévu peut entraîner une augmentation de la tension de sortie du transformateur, tandis qu’une résistance très faible combinée à une suppression incomplète de la charge inverse du PFN peut provoquer une accumulation successive de la tension de charge. La résistance doit donc être vérifiée à pleine tension de fonctionnement à l’aide de mesures adaptées de tension et de courant impulsionnel, plutôt que déduite de données statiques ou à basse tension. Les charges fictives dépendantes de la température nécessitent également une attention particulière, car leur résistance peut évoluer en cours de fonctionnement. Pour le choix de la conception, indiquez la résistance de charge en fonctionnement, la capacité mesurée et soit l’impédance source/charge adaptée, soit l’impédance réelle de la source primaire.

Le choix dépend du circuit secondaire et du fait qu’un enroulement couplé soit ou non nécessaire pour transporter le courant de chauffage. Une conception bifilaire impose de préciser le courant attendu dans les enroulements ainsi que la tension entre eux, tandis qu’un enroulement monofilaire évite cette contrainte supplémentaire entre enroulements. Si un enroulement bifilaire transportant le courant de chauffage amorce entre ses deux branches, l’alimentation de chauffage peut entretenir un arc important, même si le circuit d’impulsions seul n’endommagerait normalement pas l’enroulement. Une protection adaptée par fusible ou disjoncteur est donc nécessaire dans le circuit de chauffage. Lorsqu’un fonctionnement bifilaire est requis, l’exigence associée concernant le transformateur de filament doit être définie en même temps que la tension d’impulsion, l’isolation et la polarité.

Une filtration continue n’est pas automatiquement nécessaire dans un système stable avec une huile propre, une cuve étanche, aucun événement de surtension et aucune couronne non détectée due à des pointes haute tension vives. La filtration initiale reste importante, car la poussière, les fibres ou les copeaux introduits pendant l’assemblage peuvent migrer vers des zones à champ élevé et provoquer un amorçage différé. Une filtration doit également être effectuée après tout amorçage, car une contamination carbonée réduit la tenue de l’huile et peut contribuer au cheminement sur l’isolation solide. Si la propreté, l’étanchéité ou un fonctionnement sans défaut ne peuvent pas être garanties, une filtration continue peut réduire le risque d’arrêt lié à la contamination. Le positionnement de la pompe et du filtre doit favoriser la circulation dans la cuve, tandis que les méthodes de remplissage doivent éviter d’entraîner des bulles d’air libres.

Mettez progressivement en service la chaîne à puissance pulsée afin de pouvoir isoler les défauts avant l’introduction de la charge finale. Commencez avec le modulateur d’impulsions fonctionnant sur une charge résistive à pleine puissance de crête et puissance moyenne, ajoutez ensuite le transformateur avec une charge résistive, puis raccordez seulement après cela la charge finale de type diode ou la charge applicative. Vérifiez d’abord l’état de claquage de l’huile, puis surveillez les impulsions primaire et secondaire ainsi que la tension du PFN à l’aide de diviseurs adaptés et de mesures du courant impulsionnel. Cette séquence aide à dissocier le comportement du transformateur des interactions avec la charge, des défauts de commutation et des problèmes de charge inverse. En cas d’amorçage, arrêtez les impulsions, inspectez et filtrez l’huile, vérifiez la réponse des protections et recherchez une éventuelle surtension avant de redémarrer.