Лабораторна робота №1 Імпульсні випробування ізоляції вн

Мета роботи - вивчити принципи роботи генератора імпульсних напруг, системи автоматичного керування роботою генератора, пристрою зрізу імпульсної напруги у наперед заданий момент часу; ознайомитися із синхронізацією роботи ГІН і осцилографів; випробувати ізолятори ПЛЕП імпульсами стандартної форми.

Теоретичні положення

Аналізуючи форми імпульсної напруги, грозової та комутаційної, можна дійти висновку, що вони відтворюються накладаннями двох згасаючих експоненціальних функцій різних полярностей. Це означає, що схема для одержання цих імпульсів повинна мати принаймні два нагромаджувача енергії, щоб забезпечити двоекспоненціальну форму кривої.

Об’єкт для випробування звичайно являє собою ємнісне навантаження, тому ГІН - це схема з ємнісним нагромаджувачем енергії.

Для одержання дуже високих напруг використовують, як правило, багатоступінчасті схеми. Роботу таких генераторів краще пояснити за допомогою принципової схеми, зображеної на рис.1.1.

Накопичувальний конденсатор С_S повільно заряджається від джерела до U₀, а потім через комутатор SF розряджається на ємність навантаження С_в. Опори R_d i R_e необхідні для одержання потрібної форми імпульсу. При U₀ > 10кВ за комутатор SF може правити звичайний кульовий розрядник. Рівень потрібної напруги регулюється відстанню S між кулями.

Час комутації такого найпростішого іскрового проміжку не перевищує 0,1мкс, тому процес комутації майже не впливає на зміну напруги U(t). Сам елемент SF можна розглядати як ідеальний комутатор при одержанні грозових імпульсів (мале падіння напруги у провідному стані).

Навантаження С_в складається насамперед із ємності об’єкта, що випробовується С_P, ввімкненої паралельно йому вимірювальної апаратури C_м і всіх з'єднуючих проводів на стороні високої напруги. При компактному виконанні випробувальної схеми величиною С_L можна знехтувати.

Через те, що параметри цих ємностей можуть змінюватись у більш або менш широких межах запроваджується ще один елемент схеми - додатковий конденсатор C_вд високої напруги ємністю від 0,5 до 2 нФ. Тому не має потреби змінювати резистори R_d і R_e при зміні ємності навантаження (С_м , С_p , С_L) і одержанні нормованої форми імпульсу. Таким чином, ємність навантаження

(1.1)

має заряджатися через демпфуючий опір R_d .

Мала тривалість фронту T₁ імпульсу u(t) забезпечується завдяки опору R_d. Тривалість імпульсу T₂ забезпечується при повільному розряді ємностей крізь опір R_e. Імпульс можна відобразити за допомогою сталих часу T₁ , T₂ i коефіцієнта використання за напругою.

Розрахунок напруги u(t) (див. рис.1.1.) Схема описується диференціальним рівнянням

(1.2)

Розв’язок цього однорідного диференціального рівняння можна дістати в експоненціальному вигляді. 3 урахуванням початкових умов (на момент вмикання t=0 С_S заряджена до напруги U₀, а С_в розряджена) розв’язок, що шукається, має вигляд:

, (1.3)

де (1.4)

У цьому випадку і - величини, обернені сталим часу:

(1.5)

(1.6)

Згідно з (1.2) імпульс напруги є сумою двох експонент з великою 1/α₁ , і малою 1/α₂ сталими часу. Коефіцієнт використання за напругою

, (1.7)

де U_m - максимальна напруга на виході генератора; U₀ - зарядна напруга генератора.

Інший спосіб розрахунку η: знайти момент часу t_m максимуму напруги виходячи з умови du /dt = 0, або

, (1.8)

звідки

. (1.9)

Якщо підставити (1.9) у (1.2), то згідно з (1.7) отримаємо коефіцієнт використання схеми (рис.1.1) за напругою:

. (1.10)

Для заданої форми імпульсу і мають досить конкретні значення, тому η залежить від коефіцієнта.

Звичайно С_в < C_S, а α₂ >> α₁, (тривалий імпульс з коротким фронтом), тому другий член виразу під коренем багато менший від одиниці. Тоді, використавши приблизну рівність , отримаємо

. (1.12)

Якщо (1.12) підставити в (1.10), отримаємо

. (1.13)

Для практичних оцінок при α₂ >> α₁ вираз (І.ІЗ) можна ще більше спростити:

(1.14)

Принцип роботи багатоступеневого ГІН стане зрозумілішим, якщо припустити, що всі іскрові розрядники пробилися одночасно після досягнення пробивної напруги розрядника першого ступеня. При цьому спочатку ємності С_ś (рис.1.2) повільно заряджаються крізь зарядні (R_Lo, Ĺ_L) і розрядні (R_é, R_ά) опори від джерела постійної напруги U_0. При незмінній напрузі U₀ зарядні напруги конденсаторів С_s усіх ступенів U₀́ приблизно однакові, якщо виконується умова R_Lo>R_Ĺ>>R_e>R_α. Відстань між електродами розрядників має бути такою, щоб пробій виник при напрузі U₀́. Якщо всі проміжки пробиваються одночасно, то всі заряджені конденсатори С_ś стають з’єднаними послідовно і до навантаження C_в прикладається відповідно підвищена напруга. Нормативна форма імпульсу на навантаженні забезпечується за допомогою опорів R_é і R_ά.

Рис.1.2. Схема ГІН із множенням напруги

У ГІН із n ступенями і однаковими значеннями C_ś, R_é, R_ά одержують такі параметри еквівалентної одноступеневої схеми:

На виході ГІН формується хвиля напруги, полярність якої збігається за знаком із полярністю зарядного пристрою, зібраного на базі напівперіодного випрямлювача. Основна вимога до ГІН полягає у тому, щоб на об’єкті, який випробується, забезпечується стандартний за формою та амплітудою імпульс при великому значенні коефіцієнта використання генератора.

Аналіз схеми ГІН дає можливість дійти висновку, що тривалість фронту

імпульсу

, (1.15)

а тривалість самого імпульсу

.

Розрахунки параметрів імпульсів не дають підстави відмовлятись від експериментального визначення кривої напруги, яка може відрізнятись від теоретичної. Наприклад, при грозових імпульсах, одержаних за допомогою великих ГІН, не можна нехтувати впливом індуктивності L розрядного контуру. Вплив індуктивності може зробити напругу на виході ГІН коливною, з”являються також коливання на вершині імпульсу. Тоді не гарантується аперіодичний задемпфований режим контуру C_s - R_α - C_в. Аперіодичний режим спостерігатиметься, якщо виконується нерівність

(1.16)

Крім того, причиною викривлення форми імпульсу може бути нелінійність опорів і навантаження (за рахунок часткових розрядів), а в багатоступеневому ГІН - розкид моментів спрацювання розрядників.

Коефіцієнт використання ГІН залежить від параметрів і схемних рішень зарядного та розрядного контурів, форми хвилі напруги і може бути представлений у вигляді добутку коефіцієнтів використання зарядного контуру, форми імпульсної хвилі та схеми:

. (1.17)

Коефіцієнт використання зарядного контуру

, (1.18)

де U_k - напруга ГІН в ударі при відсутності навантаження; у розрахунках приймають ŋ_з = 0,9...0,95 внаслідок неповного заряду конденсаторів ступенів, що віддалені від зарядного пристрою.

Коефіцієнт використання форми імпульсної хвилі для стандартного імпульсу напруги І,2/50 мкс ŋ_в =0,97, а взагалі залежить від відношення сталих часу α=T₂/T₁ експонент, що відтворюють імпульс напруги ГІН:

(1.19)

Коефіцієнт ŋ_в знижується по мірі збільшення відношення T_ф/T_н , тому що за час формування фронту імпульсу конденсатори ГІН встигають трохи розрядитися на розрядний опір R_е.

Коефіцієнт використання схеми

(1.20)

Експериментальна установка і методика виконання роботи

ГІН зібрано на чотирьох ступенях з конденсаторів С = 0,135мкФ; U_н = 125кВ. Керування генератором та синхронізація його сумісної роботи з осцилографом здійснюються за допомогою генератора синхроімпульсів ГСІ та генератора підпалення ПІ.

На рис. І.3 зображено схему з'єднання ГІН з трьохфазною мережею високовольтного залу ТФВН університету.

Керований на відстані регулятор напруги вмикається в мережу за допомогою рубильника S1, захисного автомата SF2 і контактора K₁. Останній увімкнеться тільки в тому випадку, коли електричне блокування дверей огорожі випробувального поля буде замкненим. Крім того, в електричне коло електромагніту контактора увімкнено контакти теплового реле S8.

Між регулятором напруги і первинною обмоткою випробувального високовольтного трансформатора T3 увімкнені контакти контактора K2 та котушка індуктивності L. Після замикання контактів K2 контакти заземлювача S3 розімкнуться, що забезпечить можливість зарядження конденсаторів ГІН. Якщо зникає напруга, або натискується червона кнопка негайного вимкнення ГІН, K2 розмикаються, а пружинний привід підіймає стержньовий електрод заземлювача S3. При цьому ГІН розряджається і заземляється.

Блок випрямляча зібрано за схемою подвоєння напруги. Він складається із трансформатора Т3, напівпровідникових вентилів VD1, VD2 та конденсаторів

C₁, C_2.

Обмотки трансформатора розміщено на двостержневому магнітопроводі: на нижньому - обмотки НН і вирівнювальна ВО, на верхньому - ВО і ВН. Номінальна напруга обмоток U_НН = U_ВО = 380 В; U_ВН= 60 кВ.

Із конденсатора С2 на магнітопровід і вирівнювальні обмотки подається постійна напруга 60 кВ. На таку саму напругу ізолюється обмотка НН.

Вирівнювальні обмотки, що призначені для зниження розсіювання, виконані на напругу 380 В і не потребують ізоляції від магнітопровода. Ізоляція між обмотками НН - ВН забезпечується маслом і бар'єрами.

Зарядна напруга ГІН контролюється за допомогою вольтметра kV, який увімкнено на низьковольтне плече омічного подільника напруги, зібраного на резисторах R1, R2. Вольтметр розміщено на пульті управління і градуйовано в кіловольтах.

ГІН зібрано за прямою схемою з розподілом по конструкції розрядних опорів. Полярність імпульсу змінюється при перемиканні діодів VD1 і VD2.

Високовольтне плече подільника напруги зібране на конденсаторах С3, С4 і резисторах R3, R4. Сумарна ємність подільника напруги 0,0015 мкФ, сумарний опір - 9 кОм. Коефіцієнт поділу становить 300. Напруга низьковольтного плеча подільника за допомогою екранованого кабелю подається на вертикально відхиляючі пластини осцилографа.

Зміна відстані між іскровими проміжками FS1 ÷ FS4 ГІН і між кулями розрядника зрізу здійснюється дистанційно з пульта управління.

Завдання

1. Змінюючи амплітуду імпульсу на виході ГІН, забезпечити перекриття ізолятора ШФ-20 В, ШСС-І0; кількох ізоляторів ПФ. Іскровим вольтметром виміряти напругу перекриття цих ізоляторів.

2. Виконати вимоги п.1 для другої полярності зарядної напруги ГІН.

3. Визначити коефіцієнт відношення напруг перекриття ізоляторів при-від’ємній і позитивній полярностях імпульсів.

4. Зняти осцилограму імпульсу напруги й обробити її.

Контрольні запитання

І. Які види перенапруг можна отримати за допомогою ГІН?

2. Як регулюється амплітуда імпульсу напруги?

3. Як змінюється полярність імпульсу на виході ГІН?

4. Пояснити ефект полярності при перекритті ізоляторів імпульсною напругою.

5. Пояснити дію загострювача імпульсів напруги.

6. У чому виявляється порушення координації ізоляції?