Генераторы импульсных напряжений

Генераторы импульсных напряжений (ГИН) служат для испытания изоляции электрооборудования грозовыми импульсами с целью координации электрической прочности изоляции с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями. Испытания проводятся полными стандартными импульсами 1,2/50 мкс, а также срезанными импульсами при предразрядном времени 2-3 мкс.

ГИН представляет собой батарею конденсаторов высокого напряжения, работающих в режиме заряд-разряд и обеспечивающих при разряде весьма высокие импульсные напряжения. Конденсаторы в зарядном режиме включены параллельно, а в разрядном – последовательно. Переключение конденсаторов осуществляется с помощью искровых разрядников (обычно шаровых). Кроме того ГИН включает в себя измерительное устройство и устройство для заземления и снятия остаточных зарядов с конденсаторов после окончания работы.

Рассмотрим схему многоступенчатого или многокаскадного ГИН (рис.10.10.). Работа ГИН, как уже отмечалось выше, складывается из двух стадий: заряда и разряда. Длительность разряда в несколько миллионов раз меньше длительности заряда, чем и достигается большая мощность испытательного импульса.

Рассмотрим подробнее обе стадии работы ГИН. В стадии заряда конденсаторы С заряжаются от выпрямительной установки через защитный резистор R_защ и зарядные резисторы R_з . Резистор R_защ предотвращает перегрузку трансформатора Т и вентиля В в первый момент, когда напряжения на конденсаторах равно нулю. Поскольку R_защ >> R_з , то конденсаторы С практически оказываются соединенными параллельно и одновременно заряжаются до одинаковых напряжений: U_о = 150-200 кВ. Полное время заряда ГИН достигает нескольких десятков секунд при сравнительно низких напряжениях и несколько минут у ГИН на очень высокие напряжения.

Рис.6.10. Принципиальная схема многоступенчатого генератора импульсных напряжений.

Если после заряда конденсаторов С на запальный разрядник ЗР подать от вспомогательной установки управляющий импульс напряжения пробоя U_упр , то произойдет пробой этого разрядника и вслед за ним и лавинный пробой всех остальных промежуточных разрядников ПР. Этот лавинный пробой происходит следующим образом. После пробоя запального разрядника ЗР точка 3 принимает потенциал точки 2, т.е. U_о , т.к. паразитная емкость С_п точки 3 на землю практически мгновенно заряжается через небольшое сопротивление демпфирующего (успокоительного) резистора R_д . Величина сопротивления R_д составляет несколько Ом или несколько десятков Ом (2-40 Ом). Потенциал точки 5 будет изменяться гораздо медленнее в силу того, что точка 5 отделена от точки 3 достаточно большим сопротивлением резистора R_з . Потенциал точки 4 после пробоя ЗР складывается из потенциала точки 3, равного U_о и напряжения на конденсаторе U_о , т.е. составит 2U_о . Следовательно, на первом промежуточном разряднике ПР₁ после пробоя запального разрядника ЗР создается разность потенциалов, равная 2U_о и промежуточный разрядник ПР₁ пробивается.

После пробоя ПР₁ точка 5 получает потенциал 2U_о , а в точке 6 потенциал повышается до значения 3U_о , что приводит к срабатыванию разрядника ПР₂ . Аналогично срабатывают промежуточные разрядники всех ступеней ГИН. Процесс поочередного автоматического срабатывания искровых разрядников обеспечивает быстрый автоматический переход заряженных конденсаторов с параллельного соединения на последовательное, в результате чего напряжение конденсаторов суммируется и становится близким к значениям nU_о (где n – число конденсаторов ГИН).

Под действием этого напряжения отсекающий разрядник ОР пробивается и на объекте испытания ОИ возникает импульс высокого напряжения в несколько сотен тысяч и даже миллионов вольт. Напряжение на объекте испытания будет постепенно возрастать от нуля до максимума, а затем спадает до нуля. Форма импульса напряжения была подробно рассмотрена в главе 4.

Величина напряжения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов U_о . При этом, естественно, подлежит регулированию также и расстояние между электродами искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно.

Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ЗР. Если промежуток ЗР установить на пробивное напряжение, равное заданному значению U_о , то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения U_о . Напряжение U₁ = nU_o называется суммарным зарядным напряжением ГИН.

Наибольшее суммарное зарядное напряжение, определяемое номинальным напряжением конденсаторов, является одной из паспортных величин ГИН ( nU_ном ). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасенной в ГИН энергии ( nCU²_ном/2 ).

Амплитуда импульса напряжения, создаваемого ГИН, определяется соотношением

,

где h - коэффициент использования ГИН, который лежит в пределах

0,75-0,85.

Длительность фронта и длительность импульса регулируют подбором фронтового резистора R_ф , разрядного резистора R_р и фронтовой емкости С_Ф .

Мощность зарядного трансформатора Т в первом приближении определяется средним значением удвоенной величины энергии, запасаемой в конденсаторах в единицу времени.

Анализ работы ГИН можно произвести с помощью упрощенной схемы замещения его при разряде без учета паразитных емкостей (рис.10.11). В этой схеме:

- емкость ГИН в разряде;

- суммарная емкость, равная сумме емкостей объекта С_о , соединительных проводов С_П и оборудования, подключенного параллельно объекту С_Ф .

R_Ф так называемое «фронтовое» сопротивление, включаемое для увеличения

длительности фронта импульса;

R_p – разрядное сопротивление (им может быть делитель напряжения).

После замыкания ключа S, соответствующего пробою искровых промежутков, в схеме возникает переходный процесс, в результате которого на выходе схемы появляется апериодический импульс напряжения u₂ .

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа для послекоммутационной схемы имеет вид:

(6.1)

Выразим токи i_p и i через u₂ :

; ;

и подставим эти значения во второе уравнение системы (10.1):

Продифференцируем это уравнение:

и приведем подобные члены:

Разделим все члены этого уравнения на R_ФС_х и получим приведенное дифференциальное уравнение второго порядка:

(6.2)

Решение дифференциального уравнения (10.2) будем искать, используя классический метод, в виде суммы установившейся и свободной составляющих:

Установившаяся составляющая, определяемая видом правой части уравнения (10.2), равна нулю, а свободная составляющая ищется в виде:

где А₁ и А₂ – постоянные интегрирования, определяемые из начальных

условий;

р₁ и р₂ – корни характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение дифференциального уравнения (10.2) имеет вид:

или:

Здесь:

.

Обозначим R_рС_Г = Т₁ и R_ФС_Х = Т₂ .

Используя соотношения для корней квадратного уравнения:

;

можно приближенно определить корни характеристического уравнения

.

Следовательно напряжение U₂ на выходе ГИН будет изменяться по закону:

. (6.3)

Постоянные интегрирования определим из начальных условий (НУ): t = 0, u₁ = nU_o , u₂ = 0.

Подставив НУ в уравнение (10.3), получим:

. (6.4)

Продифференцируем уравнение (10.3):

и подставим в него НУ:

. (6.5)

Решая уравнения (10.4) и (10.5), определим А₁ и А₂ :

; .

Следовательно выходное напряжение ГИН будет изменяться по закону:

. (6.6)

Кривая, построенная по уравнению (10.6) приведена на рис.6.12.

На основании проведенного анализа можно заключить, что скорость заряда емкости С_х через резистор R _Ф (или постоянная времени Т₂ = R_ФС_х ) определяет время нарастания напряжения u₂ , т.е. длительность фронта импульса t_Ф . Скорость же разряда емкости С_Г на сопротивление R_р (или постоянная времени Т₁ = R_рС_г ) определяет в основном длительность импульса t_u . Таким образом, время нарастания и длину импульса регулируют, подбирая С_Ф , R_Ф и R_р .

Длительность импульса и длительность фронта импульса связаны с параметрами схемы ГИН (при импульсах с крутым фронтом) соотношениями:

;

.

Отсюда следует, что стандартные грозовые импульсы генерируются при Т₁ = 71,5 мкс и Т₂ = 0,5 мкс.

Перед испытанием полным импульсом при напряжении, составляющем 50-60 % испытательного с помощью делителя напряжения и осциллографа проверяется форма импульса, а также производится градуировка измерительного устройства. Затем напряжение импульса доводят до нормированного значения с точностью ± 3 %. Испытательное напряжение устанавливают с учетом атмосферных условий во время испытаний.

Генераторы внутренних перенапряжений (ГВП) генерируют коммутационные импульсы напряжения. Для получения апериодических коммутационных импульсов с длительностью фронта до 1000 мкс применяются генераторы импульсных напряжений, рассмотренные в разделе 10.4. Увеличение длительности фронта достигается включением большого фронтового сопротивления и дополнительной емкости параллельно объекту испытания.

Для генерирования колебательных коммутационных импульсов может быть использована схема, показанная на рис.10.13. Испытательный трансформатор Т возбуждается от двух встречно включенных колебательных контуров. Для этого предварительно от выпрямительной установки заряжаются до одинакового напряжения батареи конденсаторов С₁ и С₂ .

Рис.6.13. Принципиальная схема генератора колебательных коммутационных импульсов.

Пуск схемы осуществляется управляющим импульсом напряжения U_y , вызывающим пробой шарового разрядника ШР. При этом начинается колебательный разряд в контурах С₁ – L₁ и C₂ – L₂ . Собственные частоты контуров выбираются существенно различными (f₂ = 3 – 5 f₁) и на обмотку низшего напряжения подается колебательный затухающий импульс, плавно нарастающий с нуля. Такой же формы импульс генерируется в обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора.

ГВП на основе высоковольтных трансформаторов могут генерировать напряжения сравнительно низких частот, лимитируемых индуктивностью трансформаторов. Более высокочастотные импульсы перенапряжений могут быть получены с помощью ГВП, в которых происходит наложение импульсов от двух встречно включенных ГИН, один из которых содержит реакторы L₁ , а другой резисторы R₁ (рис.10.14).

Заряд обоих ГИН от источника постоянного напряжения происходит одновременно. В момент перекрытия разрядного промежутка P₃ каскадно срабатывают промежутки Р₁ , Р₂ и Р₄ , Р₅ . Разряд конденсаторов С₁ на реакторы L₁ вызывает появление на них периодически изменяющегося затухающего напряжения с частотой . Это напряжение суммируется с апериодическим импульсом напряжения, возникающим на резисторах R₁ от разряда на них конденсаторов С₂ . В результате на выходе генератора получается импульс напряжения, форму которого можно регулировать, изменяя индуктивность L₁ и сопротивление R₁ . В связи с тем, что сопротивления R₁ , определяемые параметрами выходного импульса, могут быть не очень большими, для повышения четкости срабатывания искровых промежутков Р₄ и Р₅ их выполняют в виде триггеров, а в цепь конденсаторов С₂ включают реакторы L₂ небольшой индуктивности, которые обеспечивают появление в триггерах запального разряда.

Рис.6.14. Принципиальная схема генератора внутренних перенапряжений с использованием ГИН.