Испытательные установки высокого постоянного напряжения

Испытательные установки высокого постоянного напряжения применяют для испытания объектов, имеющих большую емкость, например силовых кабелей. При испытании кабелей высоким постоянным напряжением уменьшается необходимая реактивная мощность. Высокое напряжение получают, главным образом, путем выпрямления переменного напряжения. Простейшая выпрямительная установка включает в себя высоковольтный трансформатор Т и высоковольтный выпрямитель V (рис.10.5,а). Качество выпрямленного напряжения характеризуется величиной пульсаций DU и падением напряжения в элементах цепи DU (рис.10.5,б).

Рис.6.5. Однополупериодная схема выпрямления (а) и форма выпрямленного напряжения.

Однополупериодная схема выпрямления является простейшей схемой, недостаток ее – относительно большие пульсации напряжения. Однако за счет емкости объекта С_о и дополнительной емкости С_g можно значительно снизить пульсации выпрямленного напряжения. Для снижения пульсаций необходимо соблюдение условия:

,

где R_о – сопротивление объекта испытания,

f - частота питающей сети.

Значительно меньшие пульсации выпрямленного напряжения при тех же условиях в двухполупериодной (мостовой) схеме выпрямления (рис.10.6).

В однополупериодной схеме выпрямления используют трансформатор с одним выводом. При двухполупериодной схеме выпрямления используют высоковольтные трансформаторы с двумя выводами, причем оба вывода должны быть изолированы на полное напряжение относительно корпуса. Обмотка высокого напряжения выполняется из двух трапецеидальных секций. Основания секций имеют относительно стержня изоляцию на половину рабочего напряжения.

Рис.6.6. Двухполупериодная схема выпрямления (а) и форма выпрямленного напряжения (б).

В качестве полупроводниковых выпрямителей используются селеновые и кремниевые выпрямители. При последовательном включении кремниевых выпрямителей параллельно им ставят шунтирующие резисторы и конденсаторы.

Наиболее часто на испытательных стендах используют установку АИИ-70, которая при испытании переменным напряжением обеспечивает действующее значение напряжения до 50 кВ и при испытании постоянным напряжением амплитудное значение 70 кВ. Одноминутная выходная мощность высоковольтного трансформатора составляет 2,5 кВА. Установка снабжена защитным реле, отключающим установку от питающего напряжения при пробое испытуемого объекта.

Изготовление трансформаторов на высокое напряжение с последующим выпрямлением затруднительно. Поэтому для получения высокого постоянного напряжения применяют схемы выпрямителей с умножением напряжения или просто умножители напряжения. Умножение напряжения трансформатора (удвоение, утроение и т.д.) осуществляется с помощью конденсаторов и выпрямителей. Принцип работы умножителей напряжения основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий вентиль. По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно и их напряжения суммируются.

Рис.6.7. Симметричная схема выпрямления с удвоением напряжения.

На рис.6.7 представлена симметричная схема выпрямления с удвоением напряжения, в которой конденсаторы заряжаются поочередно в каждый полупериод. Знаки зарядов емкостей таковы, что напряжения их складываются и между точками 0 и I напряжение равно В реальных условиях (при нагрузке) это напряжение несколько меньше за счет разряда конденсаторов С₁ и С₂ на нагрузку. Пульсации выпрямленного напряжения имеют удвоенную частоту по отношению к частоте питающего напряжения. Обратное напряжение, которое должен выдерживать неработающий диод равно 2U_2М . Следует отметить, что потенциал точки 2 на вводе трансформатора изменяется от нуля до 2U₂ в то время как изоляция обмотки высокого напряжения трансформатора рассчитана только на напряжение U₂ . Поэтому такую схему применяют в тех случаях, когда можно заземлить точку 3. В противном случае нужно иметь специальный трансформатор с повышенными изоляционными расстояниями или включать обмотку низшего напряжения через изолирующий трансформатор и изолировать корпус от земли. Поэтому представляют практический интерес те схемы умножения напряжения, в которых обеспечивается на вводах трансформатора изменение потенциала от нуля до U₂ , т.е. до напряжения, на которое рассчитана его обмотка ВН.

Рис.6.8. Несимметричная схема удвоения напряжения

На рис.6.8. изображена несимметричная схема удвоения напряжения, удовлетворяющая выше сформулированному условию. Напряжение на выпрямителе DI пульсирует от нуля до 2U_2М . Оно используется для того, чтобы зарядить через выпрямитель D2 конденсатор С₂ до значения 2U_2М , если не учитывать разряд конденсатора С₂ на нагрузку. Работа выпрямителя в течение периода питающего напряжения делится на три стадии:

1) заряд конденсатора С₁ через диод DI до напряжения Е_2М = U_2М (полярность ЭДС трансформатора в этот полупериод показана пунктирной стрелкой).

2) заряд конденсатора C₂ через диод D2 до напряжения 2Е_2М = 2U_2М (полярность ЭДС на вторичной обмотке трансформатора в этот полупериод показана сплошной стрелкой). Двойное напряжение образуется за счет сложения ЭДС на вторичной отмотке трансформатора Е_2М и напряжения Е_2М на конденсаторе С₁ , т.к. они имеют одинаковые направления.

3) разряд конденсатора С₂ на нагрузку.

Обратные напряжения на вентилях при х.х. достигают значения удвоенной амплитуды ЭДС трансформатора на вторичной обмотке, т.е. 2Е_2М . Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте напряжения питающей сети. В схеме возможно заземление соединенных вместе вывода нагрузки и трансформатора, что является положительным свойством схемы.

Принцип заряда конденсаторов пульсирующим напряжением 0 – 2U_М дает возможность получить схемы многоступенчатого или многокаскадного умножителя напряжения (рис.10.9). Напряжение на выходе умножителя, имеющего n ступеней равно 2n U_2М . Диоды в каскадном умножителе выбираются на напряжение 2U_2М . При включении нагрузки в каскадном умножителе пульсации и падение напряжения резко возрастают (внешняя характеристика его крутопадающая). Поэтому умножители напряжения применяют для питания маломощных высоковольтных устройств, потребляющих незначительный ток (несколько миллиампер).

Рис.6.9 Многокаскадный умножитель напряжения..

Чтобы внешняя характеристика получалась более пологой, для умножителя, имеющего n ступеней рекомендуется выполнять неравенство:

С₁ > C₂ > C₃ … > C_n , т.е.

выбирать емкость конденсаторов из условия:

S² C_S = const ,

где S – порядковый номер конденсатора в схеме;

С_S – величина емкости конденсатора с порядковым номером S.

Следовательно, должно выполняться равенство:

С₁ = 2²С₂ = 3²С₃ = 4²С₄ и т.д. или

С₁ = 4С₂ = 9С₃ = 16С₄ и т.д.

Данное условие обеспечивает одинаковую энергию, накапливаемую во время работы схемы каждым из конденсаторов.