Генераторы импульсных напряжений и токов
На оборудование линий электропередач высоких напряжений воздействуют, кроме рабочего, также кратковременные напряжения, возникающие либо в результате коммутации, либо за счет воздействия молнии. Эти импульсные напряжения по амплитуде намного превышают наибольшее рабочее напряжение, и поэтому их называют перенапряжениями и разделяют на грозовые и коммутационные в соответствии с причиной их возникновения. Перенапряжения длительностью менее 1 мс воздействуют на изоляцию, и в большинстве случаев именно они определяют уровень изоляции электрооборудования. Изоляция оборудования высокого напряжения подвергается испытаниям кратковременным напряжением, которое имитирует возникающие при эксплуатации перенапряжения. Испытания производятся после изготовления типового образца, а также частично и выпускаемой продукции.
Грозовые перенапряжения определяются как током молнии, имеющим большой статистический разброс, так и процессами отражений и затуханий волн в линиях. Коммутационные перенапряжения, их изменение во времени зависят от структуры сети и вида коммутации. Если нужно провести качественное испытание изоляции, то необходимо воспроизвести нормированное изменение во времени испытательного напряжения.
Формы импульса должна быть относительно простой, чтобы ее можно было воспроизводить при очень высоких напряжениях с приемлемыми затратами на испытательное оборудование. Импульсы сравнительно простой формы, используемые для испытания на электрическую прочность изоляции, называются испытательными импульсами. Они делятся на грозовые для имитации грозовых перенапряжений и коммутационные, воспроизводящие напряжения, возникающие при коммутациях.
1.2.1. Генераторы импульсных напряжений
Рассматривая оба импульса напряжений – грозовой и коммутационный, можно установить, что они воспроизводятся наложением двух затухающих экспоненциальных функций разных полярностей. Это означает, что схема для получения этих импульсов должна содержать, по крайней мере, два накопителя энергии, чтобы обеспечить требуемую двухэкспоненциальную форму кривой. Так как индуктивный накопитель с большой накапливаемой энергией не пригоден для быстрого разряда в микросекундном диапазоне, а испытуемый объект чаще всего представляет собой емкостную нагрузку, в качестве генераторов используются схемы с емкостным накопителем энергии, а индуктивностью в схемах генератора пренебрегают, так как она мала вследствие конструктивных решений.
Для получения очень высоких напряжений используются, как правило, многоступенчатые схемы.
Схема одноступенчатого генератора импульсных напряжений. При напряжении меньше 100 кВ применяются схемы, приведенные на рис. 3.1. Накопительный конденсатор Сs медленно, за время > 5 с, заряжается от любого источника до Uо и затем через коммутатор SF разряжается на емкость нагрузки Сb. Сопротивления Rd и Re служат для получения требуемой формы импульса. При Uо > 10 кВ в качестве коммутатора SF может быть использован простейший шаровой разрядник, работающий в атмосферном воздухе и срабатывающий без дополнительной системы управления при малых разбросах напряжения пробоя. Уровень требуемого напряжения регулируется расстоянием S между шарами. Время коммутационного точного простейшего шарового промежутка при больших напряжениях меньше 0,1 мкс, и поэтому процесс коммутации незначительно влияет на изменение u(t).Сам элемент SF можно рассматривать как идеальный коммутатор при получении грозовых импульсов (малое падение напряжения в проводящем состоянии).
Рис. 3.1. Схемы одноступенчатого генератора импульсных напряжений
Следует отметить, что в качестве коммутаторов применяются также разрядники с регулируемым давлением газа, в которых используется закон пробоя, для регулирования напряжения пробоя, а также разрядники с системой управления.
Нагрузка Сb состоит прежде всего из емкостей испытуемого объекта Ср, включенной параллельно ему измерительной аппаратуры См и всех соединительных проводов на стороне высокого напряжения СL. При компактном исполнении испытательной схемы величиной СL можно пренебречь. Так как параметры этих емкостей могут изменяться достаточно широко, то предусматривается еще один элемент схемы – дополнительный конденсатор Сbd высокого напряжения емкостью от 0,5 до 2 нФ. Поэтому отпадает необходимость в замене резисторов Rd и Re при изменении емкости нагрузки (Ср, См, СL) и получении нормированной формы импульса. Таким образом, емкость нагрузки Сb = Сbd + + Ср + См + СL должна заряжаться через демпферное сопротивление Rd.
Принцип работы. Малая длительность фронта Т1 импульса u(t) может быть обеспечена за счет сопротивления Rd, а требуемая длительность импульса Т2 получается за счет медленного разряда емкостей через сопротивление Re. Максимальное значение выходного напряжения регулируется за счет напряжения пробоя коммутатора SF. В простых разрядниках, работающих в атмосферном воздухе и пробивающихся при зарядном напряжении, равном пробивному, необходима бесступенчатая регулировка расстояния между электродами. Если используются управляемые разрядники, то нужно измерять зарядное напряжение Uо и по достижении требуемого значения напряжения подавать сигнал на запуск разрядников. При необходимости работы генератора в режиме повторяющихся импульсов с постоянной амплитудой нельзя воспользоваться напряжением пробоя разрядников, так как на его значение влияют предшествующие разряды. В этом случае следует поддерживать постоянное время зарядки емкости СS.
Важнейшей характеристикой генератора является накопленная в конденсаторе СS энергия, кДж, при максимальном рабочем напряжении Uо:
. (3.2)
Энергия W определяет также и стоимость генератора. При напряжении больше 250 - 300 кВ одноступенчатые схемы не применяются, так как затраты на создание источника высокого зарядного напряжения оказываются чрезмерно большими, а значительные размеры элементов приводят к большим габаритным размерам генератора.
Компактные и экономичные конструкции можно получить, используя схему умножения напряжения.
1.2.2. Генераторы импульсных токов
Разряд осуществляется с помощью быстродействующего, как правило, управляемого коммутатора SF. Так как необходимо коммутировать токи до 100 кА и больше, в качестве коммутаторов используются в основном тригатроны. Ток i(t) измеряется с помощью низкоомного шунта, сопротивление которого Rs<<R.
Объектом Р часто является низкоомный элемент (искровой канал или плазма, металлические проводники), однако нельзя пренебрегать активным и индуктивным падениями напряжения на объекте. В связи с тем, что активное сопротивление часто является нелинейным, например у резистивных элементов вентильного разрядника, то Uо необходимо выбирать достаточно большим, чтобы можно было поддерживать требуемую форму импульса тока. Индуктивность L обычно представляет собой не специальную катушку, а сумму распределенных паразитных индуктивностей конденсаторов, соединительных проводов, резистора R и разрядника SF.
Рис. 3.2. Принципиальная схема генератора токов экспоненциальной формы
Считая параметры объекта Р линейными, а L и R суммарными индуктивностью и сопротивлением всех элементов разрядного контура, может быть записано интегродифференциальное уравнение тока разряда i(t) для RLC-контура в виде
. (3.3)
Решение этого уравнения характеризует колебательное (0 < R < Rкр) и апериодическое (R > Rкр) изменения тока во времени, при чем при R = Rкр имеет место критический режим.
Для измерений на высоком напряжении необходимо разрабатывать специальные методы измерений, сильно отличающиеся от традиционных методов электрических измерений.