1. Вступ

Генератор імпульсної напруги – це високо{0}}апарат напруги, який виробляє імпульсні сигнали, такі як імпульсна напруга блискавки та імпульсна напруга перемикання. Це основна частина обладнання в -випробувальних лабораторіях високої напруги. Його основне використання полягає в проведенні випробувань імпульсної напруги на електричному енергетичному обладнанні-включно з повними хвилями імпульсу блискавки, зрізаними хвилями імпульсу блискавки та імпульсними хвилями перемикання-для перевірки ефективності ізоляції. Перш ніж-електричне обладнання високої напруги в енергосистемах буде введено в експлуатацію, зазвичай необхідно провести випробування імпульсною напругою, щоб оцінити поведінку його ізоляції в умовах перенапруги.

З безперервним підвищенням рівнів напруги в енергосистемі та швидким розвитком обладнання для відновлюваної енергетики важливість генераторів імпульсної напруги для забезпечення безпечної та надійної роботи електромережі стала більш помітною.

2. Принцип дії

У генераторах імпульсної напруги зазвичай використовується схема Маркса (запропонована Ервіном Отто Марксом у 1924 році), основною концепцією якої є паралельне заряджання та послідовне розряджання кількох каскадів конденсатора.

Основний робочий процес полягає в наступному: кожен каскадний конденсатор підключається паралельно через зарядні резистори та заряджається до заданої напруги через схему випрямляча. У цей час захисний резистор, як правило, приблизно в десять разів більший, ніж зарядний резистор, який одночасно захищає обладнання випрямляча та забезпечує відносно рівномірний заряд кожного конденсатора каскаду. Коли іскровий проміжок першого-ступеню запускається імпульсом запалювання, проміжні іскрові проміжки в інших ступенях послідовно ламаються через перенапругу та випромінювання іскри. Після того, як усі іскрові розрядники спрацювали, конденсатори каскаду з’єднуються послідовно через передні (хвильові-фронтові) резистори та розряджаються в конденсаторі навантаження. Загальна послідовна ємність стає C/n, а загальна напруга стає nV (де n – кількість ступенів). Оскільки ємність навантаження є відносно невеликою, вона швидко заряджається, а потім розряджається разом із каскадними конденсаторами через хвостові (хвильові-хвостові) резистори. Таким чином на конденсаторі навантаження генерується короткочасний-високий{10}}імпульс напруги.

Форму імпульсної напруги можна регулювати, змінюючи значення переднього- та кінцевого-резисторів; амплітуда контролюється зарядною напругою, а полярність можна змінити, помінявши місцями з’єднання стека випрямляча.

В останні роки завдяки прогресу в силовій електроніці повністю-твердотільний-генератор Маркса став важливим напрямком досліджень. На відміну від звичайних газових{3}}іскрових-перемикачів, усі-твердотільні-генератори використовують напівпровідникові пристрої, такі як МОП-транзистори, як основні перемикачі, організовані за модульною багаторівневою топологією Маркса з точним керуванням, що забезпечується FPGA. Такі нові генератори можуть значно зменшити розмір і вагу, одночасно покращуючи частоту повторення розрядів і гнучкість форми сигналу.

3. Склад системи

Повна випробувальна система генератора імпульсної напруги зазвичай складається з таких компонентів:

Зарядний пристрій– містить зарядний трансформатор, високовольтний кремнієвий випрямляч, захисний резистор, резистивний дільник напруги постійного струму та пристрій автоматичного заземлення. Зарядний трансформатор підвищує напругу частоти мережі, яка потім випрямляється до постійного струму для зарядки конденсаторів каскаду.
Основний корпус генератора– містить кілька імпульсних конденсаторів, іскрові розрядники, передні резистори, хвостові резистори, зарядні резистори та ізоляційні опори. Основний корпус побудований у формі вежі або колони з конденсаторами каскаду, з’єднаними послідовно для досягнення високої вихідної напруги. Залежно від використання, його можна класифікувати як зовнішній тип, внутрішній фіксований тип або внутрішній рухомий тип.
Контрольне обладнання– сучасні системи керування зазвичай зосереджені навколо PLC (програмованого логічного контролера) з цифровою системою вимірювання та керування. Вони забезпечують такі функції, як автоматичне керування постійним-струмом заряджання, моніторинг напруги та струму, автоматичне регулювання-відстані іскрового проміжку, ініціювання запалювання та захист від перевантаження по струму/перенапруги.
Вимірювальна система– складається з демпфованого ємнісного дільника напруги, вимірювальних кабелів, цифрового записуючого пристрою або осцилографа тощо, які використовуються для точного запису та аналізу форми імпульсної напруги.

4. Стандартні сигнали та технічні вимоги

Стандартні форми імпульсної напруги для випробування ізоляції визначено в міжнародних та національних стандартах для методів випробування високою{0}}напругою:

Повна хвиля імпульсу блискавки: час фронту T₁=1.2 мкс (з дозволеним відхиленням ±30%), час до половинного значення T₂=50 мкс (±20%).
Імпульсна хвиля перемикання: час фронту Tcr=250 мкс, час до половинного значення T₂=2500 мкс.
Розрізана хвиля імпульсу блискавки: розрізана в діапазоні від 2 до 6 мкс.
Крута-передня хвиля: надзвичайно короткий час фронту з крутизною до 1000 кВ/мкс або більше.

Виробництво та перевірка генераторів імпульсної напруги в основному відповідають таким стандартам:

DL/T 848.5 – Загальні технічні специфікації для високовольтних випробувальних пристроїв – Частина 5: Генератори імпульсної напруги (застосовується до номінальної напруги від 300 кВ до 4800 кВ і номінальної енергії від 5 кДж до 480 кДж).
GB/T 16927.1/.2 – Серія методів випробування високою-напругою.
IEC 60060 – Стандарти Міжнародної електротехнічної комісії щодо-метод випробування високою напругою.
GB 311.1 – Координація ізоляції для-високовольтного передавального та трансформаційного обладнання.

5. Сфери застосування

Генератори імпульсної напруги широко застосовуються в наступних сферах:

Типові випробування та звичайні випробування енергетичного обладнання. Трансформатори, вимірювальні трансформатори, прохідні вводи, ізолятори, розрядники перенапруг, ГІС та інше обладнання для передачі та розподілу, як правило, вимагають випробувань блискавкою та комутаційною імпульсною напругою. До них належать випробування на повну-імпульсну стійкість і випробування на -часті хвилеві імпульси, які використовуються для перевірки здатності ізоляції витримувати удари блискавки та комутаційні перенапруги.
Дослідження ізоляції – Використовується для вивчення характеристик ізоляції енергетичного обладнання, яке піддається впливу атмосферних перенапруг (блискавка) і комутаційних перенапруг.
Тестування обладнання для відновлюваних джерел енергії. Завдяки інтеграції енергії вітру, фотоелектричних та інших відновлюваних джерел велика кількість підвищувальних трансформаторів і розподільних пристроїв потребує суворих випробувань імпульсної напруги.
Наукові дослідження – також широко застосовуються в таких сферах, як дослідження електромагнітної сумісності, дослідження механізму розряду та технології імпульсного живлення.

6. Тенденції розвитку

Оскільки системи живлення рухаються до над-високої напруги та більшого інтелекту, промисловість генераторів імпульсної напруги демонструє такі тенденції:

Інтелектуальність і автоматизація. Сучасні генератори імпульсної напруги, як правило, оснащені системами автоматичного керування на основі ПЛК-, які забезпечують автоматичне налаштування параметрів, автоматичний запуск, а також автоматичний запис і аналіз даних тестування. Послідовність випробувань можна запрограмувати через інтерфейси сенсорного екрана, щоб досягти значною мірою автоматизованої роботи. Деякі системи почали інтегрувати допоміжні діагностичні функції для виявлення та вказівки на потенційні відхилення тесту.
Компактність і повністю-твердотільний-– нові генератори на основі твердотільних-перемикачів можуть значно зменшити об’єм і вагу, покращити частоту повторення розрядів і підвищити гнучкість форми сигналу. Усі-твердотільні-генератори Маркса, які використовують силові електронні пристрої замість традиційних іскрових розрядників, стали важливим напрямком розвитку.
Цифровізація та підключення – сучасні генератори використовують цифрові записуючі пристрої та високо-плати збору даних із високою точністю замість традиційних світлових{1}}осцилографів, що забезпечує автоматичний аналіз форми сигналу та створення звітів. Деякі пристрої можуть взаємодіяти з лабораторними системами керування інформацією через мережеві з’єднання для обміну даними.
Висока точність і висока надійність – Завдяки вдосконаленій технології датчиків і алгоритмам обробки сигналів точність і повторюваність вимірювань постійно підвищуються. В даний час нестабільність зарядної напруги типового обладнання можна контролювати в межах ±1%.
Багатофункціональність – один генератор може виробляти різні стандартні та не-стандартні форми сигналів, у тому числі повні хвилі блискавки, зрізані хвилі, хвилі перемикання, коливальні хвилі та круті-фронтові хвилі, щоб відповідати різним сценаріям застосування.

7. Висновок

Технічний рівень генератора імпульсної напруги як основного пристрою в області випробувань високою-напругою безпосередньо впливає на точність і надійність перевірки ефективності ізоляції енергетичного обладнання. Від традиційної схеми Маркса до сучасних-твердотільних-топологій і від ручного керування до інтелектуального автоматичного керування технологія генератора імпульсної напруги зазнає значних змін. З постійним розвитком електромереж над-високої-напруги, зростанням установок для відновлюваних джерел енергії та прогресом цифрової трансформації генератори імпульсної напруги продовжують відігравати важливу роль у забезпеченні безпечної та надійної роботи енергосистем.