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　　空芯變壓器工作原理電路空芯變壓器的原理電路如所示，其中：為初級儲能電容，充電電壓為U0；G為次級負(fù)載電容，輸出電壓為U2；1為初級繞組電感L為次級繞組電感M為互感；松Lk1為初級回路的附加電感；k2為次級回路的附加電感；1為初級回路電阻；2為次級回路電阻，P.T.為空芯變壓器。對于此電路，國內(nèi)外做了大量系統(tǒng)的研究16.忽略R1，仍，Lk1和Lk2等雜散參量，可以得到輸出電壓為耦合系數(shù)k），分別為初級和次級回路的角頻率；失諧系數(shù)a=基金項目：國家高技術(shù)發(fā)展計劃項目當(dāng)￡>0.8時，變壓器采用振幅充電，此時能量傳輸效率將隨耦合系數(shù)的減小而降低；對于k為0.6~0.8時，第二（或反向）峰值將大于峰值，此時充電的能量傳輸效率隨耦合系數(shù)的變化存在著佳值。

　　對于高變比型螺線空芯脈沖變壓器，將次級螺線繞組設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)可以確保高壓端獲得足夠的絕緣距離，但與螺旋帶空芯變壓器相比，該種結(jié)構(gòu)的變壓器耦合系數(shù)通常低于0. 8.為了獲得滿意的能量效率，通常將空芯變壓器的耦合系數(shù)設(shè)計為0.6或者接近0這樣可以利用第二振幅實(shí)現(xiàn)雙諧振充電。

　　2空芯變壓器設(shè)計2.1關(guān)鍵技術(shù)800kV空芯變壓器結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)計的空芯變壓器結(jié)構(gòu)如所示。空芯變壓器初級線圈采用紫銅皮沿絕緣外筒內(nèi)壁螺旋繞制三匝。次級繞組為錐形結(jié)構(gòu)，用漆包線沿錐型骨架的斜面緊密繞制，高壓端直接與繞組支撐金屬板（起均壓及支撐繞組的作用）相連，再通過一段空心金屬桿連接到形成線負(fù)載，并在空心金屬桿表面沿長度方向開槽以阻斷圓周上的渦流路徑。

　　設(shè)計中需要注意以下幾個關(guān)鍵問題：影響裝置電壓和能量效率的主要因素包括變壓器初級電路的附加電阻、附加電感和漏感等，它們將導(dǎo)致能量傳輸效率顯著下降。而本文采用的是高變比設(shè)計，次級回路的附加電阻、附加電感對效率的影響不大，因此，在設(shè)計中要優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)，主要是盡量減小初級回路的附加電阻及附加電感。

　　高壓繞組是絕緣設(shè)計中一個薄弱環(huán)節(jié)，多數(shù)脈沖變壓器發(fā)生的嚴(yán)重絕緣破壞都出現(xiàn)在高壓繞組或者跟它相關(guān)。可按照所述方法進(jìn)行設(shè)計，但因?yàn)榭招咀儔浩鞲邏豪@組中的高頻電壓振蕩比有鐵芯時嚴(yán)重89，故要適當(dāng)加大絕緣裕度。此外，可以在錐形繞組高壓端加均壓環(huán)，以改善高壓繞組的電壓分布。

　　諧振充電時間會隨耦合系數(shù)降低顯著增加，而高頻電壓振蕩會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿場強(qiáng)閾值降低，這往往對變壓器繞組的絕緣產(chǎn)生不利影響。而空芯變壓器的耦合系數(shù)很難大于0.8，因此，對于螺旋線型空芯脈沖變壓器，一般將耦合系數(shù)設(shè)計為0.6或者接近0.6.本文設(shè)計的空芯變壓器主要用于超寬帶系統(tǒng)中，而采用多匝數(shù)錐形高壓繞組會使次級電感過大，變壓器達(dá)到峰值（第二峰）的充電時間過長，不滿足超寬帶系統(tǒng)整體的絕緣要求。為此，應(yīng)通過適當(dāng)提高失諧系數(shù)，使峰大小與第二峰差別不大，從而使開關(guān)在峰處擊穿。另外，失諧系數(shù)還影響變壓器高壓繞組電壓分布特性，確定a值時需要充分考慮這一因素。

　　2.2參數(shù)設(shè)計次級繞組高壓端的絕緣距離為工作條件下變壓器油的擊穿場強(qiáng)E=120kV/cm，考慮到錐形繞組高壓端存在電壓非線性分布的問題，將不均勻系數(shù)m設(shè)為1.51101，取變壓器輸出電壓U為1 000kV.初級繞組設(shè)計為圓柱形結(jié)構(gòu)，單位長度的匝數(shù)為m，有效長度為L半徑為n，則初級繞組電感心可以表示為1111（r+rmax）/2，則次級繞組電感L2為初、次級繞組之間互感M為~（5）計算可得初級繞組電感L1=4.2MH，次級繞組電感L2=1.5H，互感M=1.68mH，耦合系數(shù)k=0.67.采用精密RLC儀測量得變壓器各電感參數(shù)為：1=4. 057.因此計算所得線圈的自感與測量值基本相符，初次級繞組間的互感值偏大，經(jīng)與測量值反復(fù)對比，可以乘以次級繞組的占空比的平方進(jìn)行修正。

　　初級電容為10個36沖/3kV的電容器并聯(lián)，采用所述方法測量，可得初級附加電感約為208. 3nH，初級回路總電阻約為42m.終設(shè)計的空芯變壓器的參數(shù)如所示，其中Rm為初級回路電阻和變壓器初級繞組的電阻之和，忽略次級回路附加電感。

　　2.3模擬計算Pspice模擬結(jié)果根據(jù)設(shè)計的參數(shù)，用Pspice軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，模擬電路如所示。初級電容G充電電壓為2kV.負(fù)載電容上輸出電壓波形如所示。由可知，輸出電壓峰的幅值為817.6kV，充電時間約為42.4第二峰（大值）的幅值可達(dá)855.8kV，充電時間約為104.9. 3安裝與調(diào)試空芯變壓器初級繞組的高低壓端引出頭直接接在與初級電容及可控硅相連的銅板上，初級電容和可控硅采用多組并聯(lián)方式，直接裝配在銅板上（如所示）這樣就可以大大減小初級附加電感及附加電阻，提高系統(tǒng)效率，使變壓器結(jié)構(gòu)緊湊。

　　800kV空芯變壓器裝置圖空芯變壓器負(fù)載電壓典型波形間約為96，與所示的波形基本一致。如前所述，變壓器達(dá)到峰值（第二峰）的充電時間過長，不適合超寬帶系統(tǒng)整體的絕緣要求。因此，控制開關(guān)的導(dǎo)通點(diǎn)在峰附件（約40Ms處）變壓器輸出波形如（b）所示，此時初級電容充電2.4kV時，變壓器輸出電壓約為900kV，充電時間約為32.6. 4結(jié)論采用高變比螺旋線結(jié)構(gòu)的錐形空芯變壓器作為超寬帶系統(tǒng)的高壓脈沖功率源是一條可行的技術(shù)途徑。該種脈沖功率電源利用市電經(jīng)高壓整流對初級儲能電容器進(jìn)行充電，極大地增強(qiáng)了裝置的實(shí)用性和機(jī)動性。本文在理論分析和模擬計算的基礎(chǔ)上研制了一臺800kV螺旋線型空芯變壓器，變壓器初級充電電壓2次級輸出電壓達(dá)900kV，充電時間為32.6Ms.