2.4. Методи і пристрої одержання високовольтних імпульсів напруги
Імпульсна висока
напруга використовується для імітації грозових і комутаційних перенапруг при
випробуванні ізоляції електроустаткування в прискорювальній техніці,
рентгенографії, в електроразрядних і пучково-плазмових технологіях.
При грозових розрядах в елементи енергосистем на лінійній ізоляції виникає
аперіодичний імпульс напруги. На електроустаткуванні підстанцій, що захищається
розрядниками, можлива поява імпульсу «зрізаного» після максимуму напруги.
Виходячи з імовірності появи перенапруги тієї або іншої форми, стандартизований
грозовий аперіодичний імпульс напруги. Повний імпульс має параметри tФ = 1,2 (±0,36) мкс і tі = 50 (±10) мкс (рис. 2.12, а).
Зрізаний імпульс характеризується часом зрізу tпорівн = (2...5…5)мкс.
Комутаційні перенапруги обумовлені плановими або аварійними перемиканнями в
енергосистемах. Параметри форми імпульсу комутаційних перенапруг є випадковими
величинами і змінюються в широких межах. Для енергосистем з напругою понад 220
кВ комутаційні перенапруги є більш критичними для ізоляції, чим грозові, через
значну величину максимальних значень і тривалості впливу. Ця обставина пояснює
використання для випробувань і досліджень ізоляції як аперіодичних, так і
коливальних імпульсів. У якості основного випробувального імпульсу
рекомендований аперіодичний імпульс із tп = 250 (±50) мкс і tі = 2500 (±1500) мкс (рис. 2.12, б). Іншими
рекомендованими імпульсами є аперіодичні з параметрами 100/2500; 500/2500;
1000/5000 мкс і коливальні з параметрами (4000 ± 1000)/(7500 ± 2500), 100/1000 й 50/500 мкс (рис. 2.12, в, г) [4, 13, 14].
Випробуванням
комутаційними імпульсами останнім часом надається велике значення, оскільки
можливе їхнє застосування замість тривалих випробувань напругою промислової
частоти.
Для одержання
аперіодичних імпульсів напруги використовують генератори імпульсів (ГІН),
засновані на принципі, запропонованому В.К. Аркадьєвим і Е. Марксом. Група конденсаторів
заряджається в паралельній схемі з'єднання до певної напруги, а потім за
допомогою високовольтних комутаторів конденсатори перемикаються в послідовну
схему включення. У результаті напруга між початком і кінцем цього ланцюжка
конденсаторів підсумується, досягаючи величини NU0, де N –
число конденсаторів і U0 –
напруга, до якої вони були заряджені. У якості комутуючих високовольтних
пристроїв використовують звичайно газові розрядники F (рис. 2.13, а).
У цей час існує
велика кількість різних схем і конструкцій генераторів, опис яких можна знайти
в літературі, наприклад [1–5]. Роботу ГІН
пояснимо на прикладі схеми з однобічної однопівперіодною зарядкою (рис. 2.13, а). Конденсатори ступенів С
заряджаються від джерела випрямленої напруги через захисний опір Rз і розділові опори R0.
Для забезпечення практично однакової зарядки всіх конденсаторів необхідно
дотримувати умову: Rз
>> . До кінця зарядки потенціали точок 0, 2, 4, …
дорівнюють нулю, а потенціали точок 1, 3, …
рівні +U0. Відстань
між кульовими електродами F1,
F2, …, Fn установлюються так, щоб
при напрузі U0 пробивався тільки F1. Після пробою проміжку F1 точка 1 з'єднується через опір іскри з «землею».
У результаті потенціал точки 1 стане рівний 0, а потенціал точки 2 стане
рівним –U0, тому що паразитна ємність Сп практично миттєво через
малий опір зарядиться до напруги, близької до U0.
Потенціал точки 3 протягом деякого часу зберігається рівним приблизно +U0, тому що ця точка
відділена від точки 1 більшим опором R0.
У результаті іскровий проміжок F2
виявиться під напругою, близькою до значення, рівному 2U0, що викличе її пробій,
після чого потенціал точки 3 стане рівним –U0,
а точки 4 – рівним –2U0. Проміжок F3 виявиться під напругою, близькою до 3U0. Провівши аналогічні
міркування, можна переконатися, що відбудеться практично миттєвий пробій
послідовно всіх проміжків ГІН. Після пробою проміжку Fn+1, що виключає подачу напруги на об'єкт у
процесі зарядки генератора, вивід ГІН (точка
n) підключається до елементів RФ, CФ і RР,
що забезпечують формування імпульсу з необхідними параметрами.
Формування фронту імпульсу здійснюється зміною RФ і CФ, а тривалість імпульсу – RР. Зміна амплітуди імпульсу
регулюється зміною відстані між кульовими електродами F1, F2,
…, Fn... При цьому для одержання максимального коефіцієнта використання ГІН
необхідно дотримувати умови: RР
>> RФ, Сг >> СФ, де Сг = С/N.
У генераторах з
кульовими розрядниками при зміні напруги на виході в широкому діапазоні
потрібна перебудова розрядників. Для цього використовують механічні ізоляційні
системи, що дозволяють одночасно у всіх щаблях змінювати відстань між кульовими
електродами. Все це ускладнює конструкцію генератора.
У сучасних
генераторах для досягнення стабільності роботи в широкому діапазоні напруг і
виключення механічного настроювання розрядників при переході до іншої випробної
напруги використовуються керовані, у тому числі багатозазорні розрядники.
Керовані розрядники встановлюються в декількох або у всіх щаблях ГІН.
Розглянуті схеми забезпечують випробування ізоляції аперіодичними
імпульсами, у тому числі й комутаційними рис. 2.12, а і б).
Більш повну
відповідність формі комутаційних перенапруг мають коливальні імпульси (рис.
2.12, у і г). Такі імпульси найчастіше одержують на базі випробувальних
трансформаторів або каскадів трансформаторів (рис. 2.13, б і в). Однак частота
коливань імпульсу в цьому випадку залежить від індуктивності трансформатора і
ємності об'єкта і змінюється у вузьких межах.
Великий діапазон
коливальних імпульсів за формою і частотою коливань можна одержати на базі ГІН
із двосторонньою зарядкою.
У цьому
режимі замість розрядних опорів включаються індуктивні дроселі, а іноді ще й
міняють полярність зарядки верхньої частини ГІН [13].
Діапазон імпульсних
напруг досить широкий - від десятків до декількох тисяч кіловольт. Максимальною
напругою і типом використовуваних конденсаторів визначається і конструкція
генератора. Конструктивно ГІН бувають сходового, етажерочного, баштового і
колонного типів.
Більш докладну
інформацію про ГІН можна одержати в спеціальній навчальній і науковій
літературі, наприклад (1-5, 11, 12].