Лекция 6 генераторы импульсов высокого напряжения

6.1. Стандартные формы импульсов

В эксплуатации изоляция аппаратов высокого напряжения подвергается импульсным воздействиям, вызываемым грозовой деятельностью и коммутационными перенапряжениями. Испытания изоляции производятся стандартными грозовыми импульсами – полным и срезанным и стандартными коммутационными импульсами, регламентированы ГОСТом.

Полный грозовой импульс - это волна апериодического вида определенной полярности, которая имеет быстрый подъем до максимального значения и медленный спад до нуля. Математически наиболее просто полная волна описывается уравнением:

,

где  - коэффициент спада волны,

 - коэффициент нарастания фронта.

Если - положительное, и   , то форма волны имеет вид, приведенный на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Форма полной волны

Параметры волны, которые нормирует ГОСТ, следующие:

- полярность;

- амплитудное значение U_m;

- длительность спрямленного фронта _ф;

- длительность волны _и.

Способ определения этих параметров по осциллограмме приведен на рисунке 6.2.

Длительность спрямленного фронта волны _ф равна длительности интервала времени, в течение которого напряжение возрастает от 0,3U_m до 0,9U_m, умноженное на 1,67.

Длительность волны _и – интервал времени от условного начала волны до времени, когда напряжение спадает до половины амплитудного значения U_m.

В теоретических и экспериментальных исследованиях фронтом иногда принято считать время нарастания волны от 0 до максимума. Единицы измерений параметров волны при импульсных испытаниях: _ф – в мкс, _и – в мкс, U_m – в кВ.

Стандартной импульсной волной считается волна с параметрами:

_ф = 1,5 мкс, _и = 40 мкс, или пишут: волна 1,5/40 мкс.

Рис. 6.2. Стандартная форма импульса.

Допускаемые ГОСТом отклонения: _ф= 0,2 мкс, _и = Допускаются колебания на фронте, амплитуда которых на вершине при спрямлении волны не должны превышать 0,05U_m (рис. 6.3). Допустимые колебания на хвосте импульса указаны на рис. 6.4.

Рис. 6.3. Допустимые колебания на фронте импульса.

Рис. 6.4. Допустимые колебания на хвосте импульса.

При проведении испытаний делается ряд допущений.

а) Если испытываемое изделие имеет большую емкость, допускается увеличение _ф в два раза.

б) Если изделие имеет большую индуктивность (трансформаторы, реакторы), допускаются колебания на хвосте волны (переполюсовка), при этом амплитуда обратного пика не должна превосходить величины 0,5U_m (рис. 6.4), при этом длительность импульса должна оставаться _и = 40  4 мкс.

в) В виде исключения при испытаниях особо мощных трансформаторов (Р50 МВА) и реакторов допускается снижение _и до 20 мкс.

Срезанная волна импульсного испытательного напряжения представляет собой полную волну 1,5/40мкс, срезанную при определенном предразрядном времени _с (рис. 6.5). У срезанной волны ГОСТом регламентированы два параметра: _с и отношение U₁/U_c.

Выше рассмотрены стандартные формы импульсов, формируемые при испытаниях высоковольтных аппаратов электроэнергетики. В практике научных исследований, в различных видах электроимпульсных технологий, в военном деле применяются импульсы самой разнообразной формы и длительности. Во всех случаях в зависимости от решаемой задачи используются самые разнообразные генераторы высоковольтных импульсов. Ниже рассмотрен наиболее распространенный способ формирования высоковольтных импульсов любой формы, в том числе и стандартной.

Рис. 6.5. Формы срезанного импульса при срезе на спаде (А) и срезе на фронте (Б).

6.2. Принцип работы генераторов импульсного напряжения (ГИН) Аркадьева-Маркса.

ГИН представляет собой систему конденсаторов, которые длительно заряжаются при их параллельном соединении и затем, при достижении заданного уровня зарядного напряжения, переключаются в последовательное соединение и разряжаются на нагрузку. Схематично это представлено на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Коммутации цепей при заряде (А) и разряде (Б) конденсаторов ГИН.

Заряд конденсаторов, соединенных параллельно через коммутаторы К, производится от источника постоянного тока U₀ через зарядное сопротивление R_з, которое многократно больше сопротивления нагрузки R_н. На время заряда конденсаторов нагрузка R_н отключена (рис. 6 А). При достижении заданного напряжения на конденсаторах коммутаторами К производится переключение конденсаторов последовательно с одновременным подключением нагрузки (рис. 6.6 Б). Напряжение на нагрузке после коммутации равно:

,

где n – число последовательно включенных конденсаторов после их переключения.

Переключение конденсаторов ГИН на последовательную схему производится искровыми разрядниками, которые пробиваются при достижении напряжения пробоя.

Общая схема высоковольтной импульсной установки генерирования импульсов высокого напряжения приведена на рисунке 6.7.

От источника питания через зарядное сопротивление R_з и разделительные резисторы между ступенями ГИН R₀ производится заряд параллельно включенных конденсаторов С₀. При достижении заданного напряжения происходит пробой разрядников Р₁ – Р₄ , обеспечивающих последовательное включение конденсаторов, и импульс напряжения, равный умноженному на число ступеней ГИН зарядному напряжению, поступает на объект испытаний. R₁, R₂ и С₁ - формирующие элементы, обеспечивающие заданную форму импульса на нагрузке (объекте испытаний). При формировании на нагрузке срезанного импульса ключом К параллельно нагрузке может быть подключен срезающий разрядник Р₅.

Рассмотрим процессы заряда и разряда ГИН.

Рис. 6.7. Высоковольтная установка ГИН.