6.3. Заряд конденсаторов гин.

Заряд конденсаторов ГИН производится от зарядных устройств (ЗУ) – источников постоянного напряжения. Заряд конденсаторов должен быть произведен так, чтобы к моменту коммутации разрядников напряжение на конденсаторах всех ступеней было бы практически одинаковым. Этому требованию наилучшим способом отвечает схема, в которой конденсаторы каждый ступени ГИН заряжаются независимо (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Схема ГИН, обеспечивающая независимый одновременный заряд конденсаторов ступеней.

Если ЗУ – идеальный источник ( внутреннее сопротивление близко к нулю), время заряда конденсаторов ГИН до значения 0,98U₀ составит:

,

(6.1)

где n – число ступеней ГИН.

Недостатком такой схемы является то, что разделительные резисторы последних ступеней подвергаются воздействию напряжения, равного произведению номера ступени на U₀. На последний резистор воздействует напряжение ГИН относительно земли, равное , поэтому конструкции резисторов должны быть на это рассчитаны. Такие схемы используются при сравнительно низких импульсных напряжениях и при небольшом числе ступеней ГИН (до 100 кВ, n – не более 4).

Наибольшее распространение имеет схема ГИН, приведенная на рисунке 6.7. В такой схеме времена заряда конденсаторов ступеней ГИН составляют:

первая ступень:

вторая ступень:

третья ступень:

и т. д. в зависимости от числа ступеней. При этом все разделительные резисторы ступеней ГИН одинаковы и при коммутации ГИН к каждому из них прикладывается напряжение не превышающее зарядное U₀.

Добиться того, чтобы в этой схеме напряжение заряда на всех конденсаторах ГИН было практически одинаковым можно двумя способами:

1) выполняют  , в этом случае разница между конденсаторов 1-й и последней ступени будет незначительна;

2) коммутацию разрядников ГИН делают управляемой; в этом случае время заряда Т_з можно выбрать таким, что > последней ступени, при этом конденсаторы зарядятся практически одинаково.

6.4. Разряд гин.

Разряд ГИН характеризуется следующими параметрами:

1) емкость ГИН в ударе, равная емкости конденсатора ступени, деленной на число ступеней:

(6.2)

2) напряжение ГИН в ударе, равное произведению величины зарядного напряжения на число ступеней:

(6.3)

3) энергия ГИН в ударе, равная сумме энергий заряженных конденсаторов ступеней:

(6.4)

4) время разряда ГИН; если нагрузка активная и равна R_н, то время разряда:

(6.5)

Разряд ГИН происходит при одновременной коммутации всех разрядников. Из схемы ГИН видно, что после срабатывания разрядников, конденсаторы ступеней разряжаются также на разделительные резисторы ступеней (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Токи через разделительные резисторы R₀ после коммутации разрядников.

Для того, чтобы практически вся энергия ГИН выделялась в нагрузке, резисторы должны выбираться такими, чтобы время разряда ГИН на нагрузку было бы значительно меньше времени разряда на ( ):

>> , где , отсюда >>

Рассмотрим процесс коммутации разрядников ГИН. Если разделительные резисторы между ступенями ГИН значительно больше сопротивления нагрузки, их участие в процессе разряда ГИН можно не рассматривать. На рис. 6.10 приведена схема замещения разрядного контура ГИН (на примере 4-х ступенчатого ГИН).

Рис. 6.10. Схема замещения разрядного контура ГИН.

Здесь в схеме:

- паразитная индуктивность контура одной ступени ГИН;

- паразитные емкости ступеней ГИН на землю;

- паразитные емкости между ступенями ГИН;

- емкости искровых разрядников;

- сопротивление контура одной ступени ГИН; в него входит:

- сопротивление проводов контура;

- сопротивление искры при пробое разрядника;

- дополнительное сопротивление, предназначенное для сглаживания паразитных колебаний (его устанавливают в ступени ГИН, формирующих стандартные импульсы). Тогда:

.

Среднее значение сопротивления искры определяется эмпирической формулой Теплера: оно пропорционально длине искры и обратно пропорционально количеству электричества , прошедшего через промежуток с начала разряда:

(6.6)

где к – коэффициент пропорциональности.

Поскольку , где 30 кВ/см - пробивная напряженность воздушного промежутка в однородном поле, получим:

.

(6.7)

Данное выражение - величина удельного сопротивление искры, т. е. значение при = 1 см. Например, если = 0,4х10^-6 Ф (емкость стандартного импульсного конденсатора, применяемого в конструкциях ГИН), 1,5х10^-7, получим 0,0125 Ом/см.

Коммутация ГИН начинается с пробоя первого разрядника Р₁, промежуток которого меньше последующих разрядников Р₂, Р₃, Р₄. До пробоя Р₁ все искровые промежутки находятся в равных условиях – под одинаковым напряжением. После пробоя Р₁ пробой последующих промежутков вызывается перенапряжениями, величина и длительность которых зависит от соотношения величин паразитных емкостей конденсаторных ступеней на землю и паразитными емкостями между ступенями. Эти емкости приведены на схеме замещения (рисунок 6.10). Рассмотрим процесс возникновения перенапряжения на втором и последующих разрядниках после срабатывания разрядника Р₁. На рисунке 6.11(А) приведена схема замещения второй ступени ГИН, разрядник которой Р₂ должен сработать вслед за Р₁. После коммутации Р₁ в точке 2 появляется напряжение U_0.

Примем следующие допущения: , ,поскольку по сравнению с паразитными емкостями: >> . Тогда схема рисунка 6.11А значительно упрощается (рис. 6.11Б). Преобразованная схем приведена на рис. 6.11В. Перенапряжение, которое развивается на разряднике второй ступени Р₂ фактически равно перенапряжению на конденсаторе С и зависит от соотношения емкостей С и С₃. Величина перенапряжения равна:

(6.8)

и ко второму коммутатору прикладывается напряжение

Время существования перенапряжения: . Коэффициент 0,5 обусловлен тем, что разряд С происходит на оба резистора R₀ ступени.

А Б В

Рис. 6.11. Схема замещения второй ступени ГИН (А) и упрощенная схема замещения второй ступени ГИН (Б, В).

Эти выражения позволяют сделать грубую оценку перенапряжений на второй и последующих ступенях ГИН. Очевидно, что перенапряжения тем больше, чем больше паразитные емкости ступеней ГИН на землю (С₂, С₃, и т. д.) и чем меньше паразитные емкости между ступенями. У горизонтально-платформенных ГИН С₂=С₃=С₄=….=С_n. Такие ГИН хорошо коммутируют. У ГИН башенно-вертикальной конструкции С₂₃С₃₄… С_n-1,n, но С₂>С₃>С₄>….>С_n , т. е. условия коммутации от ступени к ступени ухудшаются, т. к. снижается величина перенапряжения U. Опытно определено, что при n > 50 полная коммутация невозможна. С целью улучшения коммутации применяют специальные меры, в частности схемно-конструкционные для увеличения емкости ступеней на землю, а также принимают меры по улучшению коммутации разрядников. В частности, при конструировании ГИН искровые разрядники располагают так, чтобы ультрафиолетовое излучение от искры первых промежутков попадало на последующие промежутки и за счет ионизации обеспечивало их пробой. В настоящее время для этих целей используются лазеры.