Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Доклад - Модель электрической прочности высоковольтного трансформатора рентгенодиагностического комплекса - файл Статья_мод_эл_прочн.doc


Доклад - Модель электрической прочности высоковольтного трансформатора рентгенодиагностического комплекса
скачать (4635.9 kb.)

Доступные файлы (3):

Доклад_мод_эл_прочн.doc43kb.01.02.2011 01:09скачать
Мод_эл_прочн.ppt7314kb.15.04.2008 03:14скачать
Статья_мод_эл_прочн.doc682kb.01.02.2011 01:43скачать

Статья_мод_эл_прочн.doc

УДК 621.386.1 : 621.3.027.7

С.И. Мирошниченко, Ю.А. Щиголев. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА. Электроника и связь. Тематический выпуск: Проблемы электрони-ки. – К: НТУ Украины КПИ, 2008. – Ч.1. – №1–2. – С. 142–144.

Проведены расчёты напряжённости электрического поля в многослойной изоляции трансформатора высокого напряжения (ТВН) рентгенодиагностического комплекса. Подобраны материалы и толщины изоляционных слоёв, обеспечивающих заданную электрическую прочность. Экспериментальная проверка электрической прочности подтвердила достоверность теоретических выводов. Разработанная конструкция изоляции ТВН применена в компактном высоковольтном блоке, который подключается к рентгеновскому излучателю без применения кабелей высокого напряжения.
This article represents the calculations of the electric field intensity, which is concentrated inside a multilayer isolation of a high-voltage transformer. To provide the specified electric strength, the compatible materials and thicknesses of the insulation layers are selected. The experimental check confirmed the certainty of the theoretical conclusions. The obtained isolation construction is implemented in the compact high-voltage tank, which is connected up to X-ray source without the high-voltage cables.
Введение. В настоящее время в практику медицинской рентгенологии интенсивно внедряются цифровые матричные приёмники изображения, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с методами, использующими рентгеновскую плёнку [1]. У цифровых систем время сбора данных об изображении и время подготовки к следующему кадру могут составлять несколько миллисекунд, что на два порядка меньше, чем при работе по традиционной плёночной технологии. Это качество предоставляет новые возможности в рентгенодиагностике, однако предъявляет более жёсткие требования к быстродействию высоковольтного генератора рентгенодиагностической системы. Одним из основных элементов такого генератора является трансформатор высокого напряжения (ТВН), который должен обеспечивать электрическую прочность от 70 до 100 кВ. Стремление гарантировать отсутствие пробоя при разработке ТВН зачастую приводит к завышенным изоляционным промежуткам в его конструкции. При этом возрастают индуктивность рассеяния трансформатора, длительность переходных процессов и соответственно снижается его КПД. Поэтому являются актуальными методики разработки, которые обеспечивают заданную электрическую прочность и в то же время предотвращают от необоснованного завышения изоляционных промежутков.

Построение и экспериментальная проверка модели электрической прочности ТВН, а также разработка рациональной конструкции главной изоляции на её основе являются содержанием настоящей работы.

^ Модель электрической прочности. Основные принципы построения источников постоянного высокого напряжения подробно описаны в работах [2, 3, 4]. Высокочастотные РПУ, получившие наибольшее распространение в настоящее время, выполнены по схеме каскадного генератора постоянного высокого напряжения на основе трансформатора стержневой конструкции, который содержит несколько одинаковых вторичных обмоток.

В данной работе рассматривается ТВН, у которого каждая из вторичных обмоток подключена к отдельному удвоителю напряжения. Выходы удвоителей соединены между собой последовательно. Достоинство такой архитектуры в том, что в области максимальной напряжённости электрического поля переменная составляющая этого поля оказывается меньше постоянной на величину, равную удвоенному количеству каскадов [2, 3]. Таким образом при расчётах изоляции можно пренебречь эффектами, связанными с переменным напряжением.

На рис. 1 показано взаимное расположение деталей рассматриваемой конструкции в области с максимальной напряжённостью электрического поля.

Цилиндрический барьер (ЦБ) и катушка со вторичной обмоткой (ВК) могут быть выполнены с удлинённым верхним ребром, что значительно увеличивает суммарную длину поверхностных участков в направлении стыка ЦБ и плоского барьера (ПБ). При этом можно не учитывать роль поверхности при возникновении пробоя, а изоляцию рассматривать как комбинацию объёмных участков.



^ Рис. 1. Детали конструкции ТВН в области с максимальной напряжённостью электрического поля: 1 – катушка с первичной обмоткой и заземлённым экраном; 2 – ярмо магнитопровода; 3 – плоский барьер; 4 – цилиндрический барьер; 5 – секционированная катушка со вторичной обмоткой; 6 – секции вторичной обмотки.

Если вдоль силовых линий электрического поля выбрать канал с поперечным сечением, в пределах которого напряжённость поля можно считать постоянной, то изоляция представляется как многослойная ёмкость [6, 7]. При этом эквивалентная электрическая схема изоляции будет представлять собой ёмкостный делитель напряжения. На рис. 1 показаны элементы эквивалентной схемы главной изоляции рассматриваемой конструкции:

  • удельные ёмкости жидкостных промежутков: Сж1, Сж2, Сж3, Сж4, Сж5;

  • удельные ёмкости деталей: ^ Спб – стенки ПБ, Срц – ребра ЦБ, Ср – верхнего ребра ВК, Ск – стенки ВК, Сцб – стенки ЦБ, Сэ – слоя изоляции экрана первичной обмотки.

На рис. 1 не показан элемент, который также должен быть учтён: ^ Сп – удельная ёмкость изоляции провода вторичной обмотки.

Изоляция выдержит генерируемое в секциях 6 (см. рис. 1) напряжение Umax , если к каждому из участков изоляции будет приложено напряжение, не превышающее его электри­ческую прочность. При пробое одного из звеньев последовательной цепочки (частичном разряде) возникает перегрузка по напряжению на другом звене, и как следствие может произойти сквозной пробой всей изоляции. Поэтому для надёжной работы изоляции необходимо обеспечить такое распределение напряжений по её элементам, которое бы согласовывалось с электрическими прочностями соответствующих участков.

Пусть к плоскому пакету из n слоёв различных диэлектриков приложено напряжение Umax . Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика j – го слоя описывается формулой [6, 7]:

, (1)

где dj – толщина j – го слоя, а εj – его относительная диэлектрическая проницаемость.

В случае, когда в j – м участке изоляции форма электродов отличается от плоской, Еj необходимо умножить на коэффициент неоднородности электрического поля . зависит от соотношения радиусов кривизны и расстояния между электродами j – го слоя. В элементе Сж5 (см. рис. 1) одним из электродов является ребро магнитопровода с радиусом закругления 1мм. В качестве второго электрода выступает плоскость ПБ, расстояние до которой равно 1мм. При таком соотношении [5].

Изоляция в направлении от вторичной обмотки к экрану представляет собой многослойный цилиндрический конденсатор. Для этого случая максимальная напряжённость электрического поля в j – м слое выражается формулой [6, 7]:

, (2)

где nколичество слоёв, ri , ri+1 – внутренний и внешний радиусы iго слоя соответственно, rn+1 – внешний радиус изоляции.

Расчёты напряжённости электрического поля. Пусть, для изготовления деталей конструкции, представленной на рис. 1, используются следующие материалы:

  • ВК, ЦБ – фторопласт (εф = 2,2);

  • слой изоляции экрана, ПБ – стеклотекстолит (εст = 4);

  • изоляционная жидкость – трансформаторное масло (εТМ = 2,3) или полиметилсилоксановая жидкость (εПМС = 2,6);

  • изоляция провода – полиэфирная эмаль (εП = 4).

Рассмотрим главную изоляцию в направлении от вторичной обмотки к экрану первичной (см. рис. 1) при кВ. Расчёты проводим по формуле (2) для цилиндрического многослойного конденсатора. На рис. 2 представлены результаты в виде графиков зависимости напряжённости электрического поля Е от радиуса кривизны соответствующего участка изоляции r .



Рис. 2. Зависимости напряжённости электрического поля Е от радиуса r в многослойном цилиндрическом конденсаторе: 1при использовании в качестве жидкого диэлектрика полиметилсилоксановой жидкости (ПМС), 2 – то же с применением трансформаторного масла (ТМ), 3 – максимально допустимая напряжённость в материале слоя.

Из графиков видно, что применение ПМС позволяет получить распределение напряжённости более согласованное с электрическими прочностями материалов, по сравнению со случаем ТМ. Несмотря на высокую электрическую прочность малоэффективным оказывается использование во многослойном пакете материалов с ε>3,5 (стеклотекстолит, капролон), так как они нагружены мене чем на 50% от их электрической прочности. Фторопласт реализует до 75% своих изоляционных свойств, а напряжённость ПМС близка к предельной. Наиболее нагруженным является жидкостный промежуток, прилегающий к слою с минимальным радиусом кривизны. Изоляция в целом должна выдерживать приложенное напряжение кВ.

В направлении от вторичной обмотки к ярму магнитопровода изоляция представляет собой плоский многослойный пакет (см. рис. 1). Электрические параметры участков изоляции при кВ, а также результаты расчётов по формуле (1) приведены в таблице 1. Напряжённость поля для элемента Сж5 рассчитывалась с учётом коэффициента неоднородности .

^ Таблица 1. Параметры участков изоляции в направлении к ярму магнитопровода при кВ.

Но­мер слоя j


Элемент эквива­лентной схемы

Тол­щина слоя dj, мм

Диэлек­трическая проницае­мость εj

Электриче­ская проч­ность,

Рассчитан­ная напря­жённость

1

Сп

0,05

4,0

25 – 30

6,4

2

Ср

1,5

2,2

20 – 24

11,6

3

Сж3

1,5

2,6

14 – 15

9,8

4

Срц

1,5

2,2

20 – 24

11,6

5

Сж4

1,5

2,6

14 – 15

9,8

6

Спб

1,0

4,0

30 – 35

6,4

7

Сж5

1,0

2,6

14 – 15

12,7


В этом направлении изоляция также должна выдержать приложенное напряжение.

^ Экспериментальная проверка. С целью проверить выводы, сделанные по результатам теоретических расчётов, рассматриваемая конструкция была практически реализована и испытана при выходном напряжении кВ. Было проделано несколько включений с временем выдержки 3мин. За всё время испытаний сквозной пробой изоляции не произошёл, а также не было замечено признаков разрядов в наиболее нагруженных промежутках. Результаты экспериментальных наблюдений свидетельствуют о достоверности применённой при расчётах электрической модели многослойной изоляции.

Разработанная конструкция главной изоляции ТВН была применена в компактном высоковольтном блоке, который подключается к рентгеновскому излучателю без использования кабелей высокого напряжения (см. рис. 3).



Рис. 3. Питающее устройство рентгенодиагностического комплекса: высоковольтный блок при снятом кожухе и установленные на рентгеновский излучатель блоки.

Выводы. Приведенная методика построения модели электрической прочности позволила провести расчёты рабочих напряжённостей электрических полей и разработать рациональную конфигурацию главной изоляции ТВН. Рассчитанная конфигурация реализована на практике, испытана с положительным результатом и применена в конструкции высоковольтного блока РПУ.
Список литературы

  1. Мирошниченко С.И. Цифровая бесплёночная рентгенография. Состояние и тенденции развития // Променева діагностика, променева терапія. – 2000. – №1.– с.67-70.

  2. Драбович Ю.И., Криштафович И.А., Пономарёв И.Г. Малогабаритные источники высо­кого постоянного напряжения. – К.: Препр. ИЭД АН УССР, 1983. – 34с.

  3. Драбович Ю.И., Криштафович И.А., Никитин И.Е. Модульные системы высоковольт­ного вторичного электропитания. – К.: Препр. ИЭД АН УССР, 1989. – 29с.

  4. Кондра Б.Н., Хоминич В.И. Высоковольтные испытательные и технологические уста­новки. – К.: УМК ВО, 1992. – 243с.

  5. Дмоховская Л.Ф., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. – М.: Энергия, 1976. – 488с.

  6. Дмитриевский В.С. Расчёт и конструирование электрической изоляции. – М.: Энергоиз­дат, 1981. – 392с.

  7. Бейер М., Бёк В., Мёллер К. Техника высоких напряжений: теоретические и практиче­ские основы применения. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 555с.









Скачать файл (4635.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации