Какие параметры гин определяют длительность импульса

Импульсные испытательные установки

Для исследования электрической прочности изоляции при ипульсных напряжениях, имитирующих грозовые перенапряжения, применяются генераторы импульсных напряжений (ГИН).

По ГОСТ 1516.2-97 длительность фронта импульса Т_ф (рис. 3.4), определяемая как время, превышающее в 1,67 раза интервал времени T между моментами, когда напряжение составляет 30 и 90 % своего максимального значения, должна равняться 1,2±0,36 мкс, а длительность импульса Т_и,. определяемая как интервал времени между условным началом импульса О₁ и моментом когда напряжение понизилось до половины максимального значения, должна быть 50 ±10 мкс.

Для исследования электрической прочности продольной изоляции трансформаторов, реакторов, электрических машин применяют стандартный срезанный грозовой импульс с предразрядным временем

Рис. 3.4.Полный (а) и срезанный (б) грозовой импульс

Полный и срезанный импульс напряженияможно получить на установке, схема которой приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Принципиальная схема многоступенчатого генератора импульсных

Конденсаторы С₁, С₂ и С_З ГИН в процессе заряда через зарядные резисторы R₁−R₆ (по несколько десятков килоом каждый) подключаются параллельно к выпрямительной установке, содержащей вентиль В и трансформатор Т.

Разряд ГИН начинается в тот момент, когда зарядное напряжение в точке адостигает величины U, равной пробивному напряжению запального разрядника Р₁. После пробоя разрядника Р₁ разрядник Р₂ оказывается под действием разности потенциалов 2U и мгновенно пробивается. В результате разрядник Р_З оказывается под действием разности потенциалов 3U, пробивается, и все три конденсатора ГИН соединяются последовательно. Под действием напряжения ЗU срабатывает отсекающий разрядник Р_О, и конденсаторы С₁, С₂, С₃ подключаются к выходной цепи С_ф, R_p, и R_ф, определяющей форму импульса. Демпфирующие сопротивления r_д необходимы для того, чтобы исключить возможность возникновения высокочастотных колебаний в разрядном контуре ГИН. Для получения срезанного импульса и измерения выходного импульса ГИН применяется шаровой разрядник Р_и. R_Ф

В нашей стране имеется несколько ГИН на напряжение 5−8 МВ.

В США был построен ГИН на 18 МВ. На кафедре ЭсПП в высоковольтной лаборатории имеется ГИН на 1МВ (рис. 3.6а).

Рис. 3.6. ГИН−1МВ кафедры ЭсПП (а) и шаровой разрядник (б)

высоковольтной лаборатории кафедры ЭсПП

ГИН, генерирующий стандартные грозовые полные и срезанные импульсы, используется для испытания изоляции высоковольтной аппаратуры. Испытания внутренней изоляции проводятся приложением трех полных и трех срезанных импульсов заданных значений напряжения. Срез импульса выполняется шаровым разрядником Р_и.

Генераторы импульсных напряжений

Генераторы импульсных напряжений (ГИН) служат для испытания изоляции электрооборудования грозовыми импульсами с целью координации электрической прочности изоляции с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями. Испытания проводятся полными стандартными импульсами 1,2/50 мкс, а также срезанными импульсами при предразрядном времени 2-3 мкс.

ГИН представляет собой батарею конденсаторов высокого напряжения, работающих в режиме заряд-разряд и обеспечивающих при разряде весьма высокие импульсные напряжения. Конденсаторы в зарядном режиме включены параллельно, а в разрядном – последовательно. Переключение конденсаторов осуществляется с помощью искровых разрядников (обычно шаровых). Кроме того ГИН включает в себя измерительное устройство и устройство для заземления и снятия остаточных зарядов с конденсаторов после окончания работы.

Рассмотрим схему многоступенчатого или многокаскадного ГИН (рис.10.10.). Работа ГИН, как уже отмечалось выше, складывается из двух стадий: заряда и разряда. Длительность разряда в несколько миллионов раз меньше длительности заряда, чем и достигается большая мощность испытательного импульса.

Рассмотрим подробнее обе стадии работы ГИН. В стадии заряда конденсаторы С заряжаются от выпрямительной установки через защитный резистор R_защ и зарядные резисторы R_з . Резистор R_защ предотвращает перегрузку трансформатора Т и вентиля В в первый момент, когда напряжения на конденсаторах равно нулю. Поскольку R_защ >> R_з , то конденсаторы С практически оказываются соединенными параллельно и одновременно заряжаются до одинаковых напряжений: U_о = 150-200 кВ. Полное время заряда ГИН достигает нескольких десятков секунд при сравнительно низких напряжениях и несколько минут у ГИН на очень высокие напряжения.

Если после заряда конденсаторов С на запальный разрядник ЗР подать от вспомогательной установки управляющий импульс напряжения пробоя U_упр , то произойдет пробой этого разрядника и вслед за ним и лавинный пробой всех остальных промежуточных разрядников ПР. Этот лавинный пробой происходит следующим образом. После пробоя запального разрядника ЗР точка 3 принимает потенциал точки 2, т.е. U_о , т.к. паразитная емкость С_п точки 3 на землю практически мгновенно заряжается через небольшое сопротивление демпфирующего (успокоительного) резистора R_д . Величина сопротивления R_д составляет несколько Ом или несколько десятков Ом (2-40 Ом). Потенциал точки 5 будет изменяться гораздо медленнее в силу того, что точка 5 отделена от точки 3 достаточно большим сопротивлением резистора R_з . Потенциал точки 4 после пробоя ЗР складывается из потенциала точки 3, равного U_о и напряжения на конденсаторе U_о , т.е. составит 2U_о . Следовательно, на первом промежуточном разряднике ПР₁ после пробоя запального разрядника ЗР создается разность потенциалов, равная 2U_о и промежуточный разрядник ПР₁ пробивается.

После пробоя ПР₁ точка 5 получает потенциал 2U_о , а в точке 6 потенциал повышается до значения 3U_о , что приводит к срабатыванию разрядника ПР₂ . Аналогично срабатывают промежуточные разрядники всех ступеней ГИН. Процесс поочередного автоматического срабатывания искровых разрядников обеспечивает быстрый автоматический переход заряженных конденсаторов с параллельного соединения на последовательное, в результате чего напряжение конденсаторов суммируется и становится близким к значениям nU_о (где n – число конденсаторов ГИН).

Под действием этого напряжения отсекающий разрядник ОР пробивается и на объекте испытания ОИ возникает импульс высокого напряжения в несколько сотен тысяч и даже миллионов вольт. Напряжение на объекте испытания будет постепенно возрастать от нуля до максимума, а затем спадает до нуля. Форма импульса напряжения была подробно рассмотрена в главе 4.

Величина напряжения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов U_о . При этом, естественно, подлежит регулированию также и расстояние между электродами искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно.

Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ЗР. Если промежуток ЗР установить на пробивное напряжение, равное заданному значению U_о , то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения U_о . Напряжение U₁ = nU_o называется суммарным зарядным напряжением ГИН.

Наибольшее суммарное зарядное напряжение, определяемое номинальным напряжением конденсаторов, является одной из паспортных величин ГИН ( nU_ном ). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасенной в ГИН энергии ( nCU 2 _ном/2 ).

Амплитуда импульса напряжения, создаваемого ГИН, определяется соотношением

где h — коэффициент использования ГИН, который лежит в пределах

Длительность фронта и длительность импульса регулируют подбором фронтового резистора R_ф , разрядного резистора R_р и фронтовой емкости С_Ф .

Мощность зарядного трансформатора Т в первом приближении определяется средним значением удвоенной величины энергии, запасаемой в конденсаторах в единицу времени.

Анализ работы ГИН можно произвести с помощью упрощенной схемы замещения его при разряде без учета паразитных емкостей (рис.10.11). В этой схеме:

— емкость ГИН в разряде;

— суммарная емкость, равная сумме емкостей объекта С_о , соединительных проводов С_П и оборудования, подключенного параллельно объекту С_Ф .

R_Ф так называемое «фронтовое» сопротивление, включаемое для увеличения

длительности фронта импульса;

R_p – разрядное сопротивление (им может быть делитель напряжения).

После замыкания ключа S, соответствующего пробою искровых промежутков, в схеме возникает переходный процесс, в результате которого на выходе схемы появляется апериодический импульс напряжения u₂ .

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа для послекоммутационной схемы имеет вид:

Выразим токи i_p и i через u₂ :

и подставим эти значения во второе уравнение системы (10.1):

Продифференцируем это уравнение:

и приведем подобные члены:

Разделим все члены этого уравнения на R_ФС_х и получим приведенное дифференциальное уравнение второго порядка:

Решение дифференциального уравнения (10.2) будем искать, используя классический метод, в виде суммы установившейся и свободной составляющих:

Установившаяся составляющая, определяемая видом правой части уравнения (10.2), равна нулю, а свободная составляющая ищется в виде:

где А₁ и А₂ – постоянные интегрирования, определяемые из начальных

р₁ и р₂ – корни характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение дифференциального уравнения (10.2) имеет вид:

Используя соотношения для корней квадратного уравнения:

можно приближенно определить корни характеристического уравнения

Следовательно напряжение U₂ на выходе ГИН будет изменяться по закону:

Постоянные интегрирования определим из начальных условий (НУ): t = 0, u₁ = nU_o , u₂ = 0.

Подставив НУ в уравнение (10.3), получим:

Продифференцируем уравнение (10.3):

и подставим в него НУ:

Решая уравнения (10.4) и (10.5), определим А₁ и А₂ :

Следовательно выходное напряжение ГИН будет изменяться по закону:

Кривая, построенная по уравнению (10.6) приведена на рис.6.12.

На основании проведенного анализа можно заключить, что скорость заряда емкости С_х через резистор R _Ф (или постоянная времени Т₂ = R_ФС_х ) определяет время нарастания напряжения u₂ , т.е. длительность фронта импульса t_Ф . Скорость же разряда емкости С_Г на сопротивление R_р (или постоянная времени Т₁ = R_рС_г ) определяет в основном длительность импульса t_u . Таким образом, время нарастания и длину импульса регулируют, подбирая С_Ф , R_Ф и R_р .

Длительность импульса и длительность фронта импульса связаны с параметрами схемы ГИН (при импульсах с крутым фронтом) соотношениями:

Отсюда следует, что стандартные грозовые импульсы генерируются при Т₁ = 71,5 мкс и Т₂ = 0,5 мкс.

Перед испытанием полным импульсом при напряжении, составляющем 50-60 % испытательного с помощью делителя напряжения и осциллографа проверяется форма импульса, а также производится градуировка измерительного устройства. Затем напряжение импульса доводят до нормированного значения с точностью ± 3 %. Испытательное напряжение устанавливают с учетом атмосферных условий во время испытаний.

Генераторы внутренних перенапряжений (ГВП) генерируют коммутационные импульсы напряжения. Для получения апериодических коммутационных импульсов с длительностью фронта до 1000 мкс применяются генераторы импульсных напряжений, рассмотренные в разделе 10.4. Увеличение длительности фронта достигается включением большого фронтового сопротивления и дополнительной емкости параллельно объекту испытания.

Для генерирования колебательных коммутационных импульсов может быть использована схема, показанная на рис.10.13. Испытательный трансформатор Т возбуждается от двух встречно включенных колебательных контуров. Для этого предварительно от выпрямительной установки заряжаются до одинакового напряжения батареи конденсаторов С₁ и С₂ .

Пуск схемы осуществляется управляющим импульсом напряжения U_y , вызывающим пробой шарового разрядника ШР. При этом начинается колебательный разряд в контурах С₁ – L₁ и C₂ – L₂ . Собственные частоты контуров выбираются существенно различными (f₂ = 3 – 5 f₁) и на обмотку низшего напряжения подается колебательный затухающий импульс, плавно нарастающий с нуля. Такой же формы импульс генерируется в обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора.

ГВП на основе высоковольтных трансформаторов могут генерировать напряжения сравнительно низких частот, лимитируемых индуктивностью трансформаторов. Более высокочастотные импульсы перенапряжений могут быть получены с помощью ГВП, в которых происходит наложение импульсов от двух встречно включенных ГИН, один из которых содержит реакторы L₁ , а другой резисторы R₁ (рис.10.14).

Заряд обоих ГИН от источника постоянного напряжения происходит одновременно. В момент перекрытия разрядного промежутка P₃ каскадно срабатывают промежутки Р₁ , Р₂ и Р₄ , Р₅ . Разряд конденсаторов С₁ на реакторы L₁ вызывает появление на них периодически изменяющегося затухающего напряжения с частотой . Это напряжение суммируется с апериодическим импульсом напряжения, возникающим на резисторах R₁ от разряда на них конденсаторов С₂ . В результате на выходе генератора получается импульс напряжения, форму которого можно регулировать, изменяя индуктивность L₁ и сопротивление R₁ . В связи с тем, что сопротивления R₁ , определяемые параметрами выходного импульса, могут быть не очень большими, для повышения четкости срабатывания искровых промежутков Р₄ и Р₅ их выполняют в виде триггеров, а в цепь конденсаторов С₂ включают реакторы L₂ небольшой индуктивности, которые обеспечивают появление в триггерах запального разряда.

7.2.1. Генераторы импульсного напряжения

Импульсные установки должны обеспечить генерацию апериодических импульсов напряжения (тока). Основными параметрами импульса (рис. 7.1) являются: амплитуда U_max,длительность фронта импульса_ф,длительность импульса_и.

Рис. 7.1 Основные параметры импульса ГИН.

Стандартные импульсы, имитирующие атмосферные перенапряжения, имеют _ф=1,2 мкс,_и=50 мкс. Импульсы, имитирующие внутренние перенапряжения, имеют_ф=250 мкс,_и=2500 мкс.

Схема ГИН, представленная на рис. 7.2, состоит из двух блоков – зарядного устройства 1 (ЗУ) и умножителя напряжения 2 (УН).

Рис. 7.2. Схема ГИН.

Зарядное устройство 1 включает регулировочный автотрансформатор Т1, повышающий трансформатор Т2 и высоковольтный выпрямитель VD, то есть ЗУ представляет однополупериодный, высоковольтный, регулируемый выпрямитель. В качестве вентиля VD на напряжение 100 кВ используют выпрямительные столбики на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения 2 включает конденсаторы С, резисторы R_защ, R₃, R_д, R_фи разрядные промежутки FV1, FV2. На рис. 7.2 приведена схема удвоения напряжения.

Принцип работы ГИНа заключается в следующем: на первой стадии, в режиме заряда конденсаторы С соединены параллельно и заряжаются от ЗУ через резисторы R_защ, R₃с полярностью, указанной на схеме (рис. 7.2). Защитный резистор R_защ= 3·10 6 Ом предназначен для ограничения тока заряда в момент включения, т.е. защищает вентиль VD и трансформатор Т2 от перегрузки.

Величина напряжения, до которого заряжаются конденсаторы С определяется электрической прочностью искрового промежутка FV1но не должна превышать амплитуду выпрямленного напряжения U_2m.

Когда напряжение в точке 1 превысит электрическую прочность промежутка FV1, происходит пробой этого промежутка и конденсаторы С соединяются последовательно, — точка 2 будет соединена с точкой 1 через демпфирующий резистор R_ди сопротивление искрового промежутка FV1.

Благодаря тому, что сопротивление резистора R₃ велико (R₃=510 4 Ом), а сопротивление резистора R_фмало (R_ф=10-20 Ом), конденсаторы не успевают разрядиться, потенциал точки 2 повышается до потенциала точки 1, а потенциал точки 3 увеличивается, примерно, в два раза.

При переключении конденсаторов С с параллельной схемы на последовательную происходит пробой разрядного промежутка FV2, так как его электрическая прочность ниже величины удвоенного напряжения умножителя, выходное напряжение умножителя будет приложено к объекту испытания С_фи разрядному резистору R_р.

Скорость нарастания напряжения на объекте (длина фронта импульса) будет определяться постоянной времени заряда конденсатора С_ф, т.е.

(7.1)

Когда напряжение на объекте (С_ф) достигнет предельного значения, конденсаторы С и С_фначнут разряжаться через главный разрядный резистор R_р(спад импульса). При этом длительность волны импульса приблизительно в данной схеме будет равна

(7.2)

Как видно из выражений (7.1) и (7.2) параметры напряжения на объекте (длительность фронта и длительность импульса) в основном определяются величиной сопротивления фронтового резистора R_фи разрядного резистора R_р. Поэтому чтобы получить импульс с заданными значениями_ф и_и необходимо определить значения R_фи R_рпо выражениям (7.1), (7.2). Плавное регулирование амплитуды импульса осуществляется за счет изменения расстояния искрового промежутка FV1.

Современные ГИНы на напряжение несколько миллионов вольт могут иметь несколько десятков каскадов. Таким образом, используя метод умножения напряжения, можно получить высокое значение испытательного напряжения при относительно низком значении напряжения зарядного устройства (порядка 100 – 200 кВ).

Расчет напряжения при испытаниях грозовыми импульсами — Влияние параметров разрядной цепи ГИН на параметры импульса

Расчет выходного импульса ГИИ проводится как при исследовании процессов в его разрядной цепи (т. е. при анализе ГИН), так и при нахождении численных значений всех параметров разрядной цепи, которые обеспечивают стандартные параметры этого импульса (т. е. при синтезе ГИН). Согласно ГОСТ 1516.2—76, стандартными параметрами импульса являются длительность фронта и длительность полного импульса, а также максимальное значение напряжения (или максимальные и минимальные значения при колебательных импульсах).
Указанные параметры определяются по-разному в зависимости от формы импульса. Существенно, что амплитуда и форма импульса напряжения на испытываемом электрооборудовании определяются всеми элементами разрядной цепи ГИН, в том числе и самого объекта испытания. Поэтому в общем случае невозможно установить в аналитической форме зависимости параметров выходного импульса от параметров разрядной цепи ГИН.
При решении задачи синтеза ГИН приходится выполнять многократные расчеты по полученным выше формулам, подбирая требуемые параметры разрядной цепи путем последовательных приближений. С целью сокращения числа последовательных приближений проанализируем влияние параметров разрядной цепи ГИН на параметры импульса. Такой анализ позволит определить, как следует изменять каждый из параметров разрядной цепи для обеспечения изменения параметров импульса в нужном направлении. Эта информация необходима для построения оптимального алгоритма синтеза ГИН.

Рассмотрим физические процессы в наиболее общей эквивалентной схеме замещения шестого порядка (рис. 5, б). При испытаниях электрооборудования грозовыми импульсами обычно выполнены соотношения [9, 17]
(3.1)

Примем допущение
(3.2)
которое существенно упрощает анализ, не внося в него принципиальных изменений. При этом можно считать, что напряжение на ударной емкости Ск практически не меняется при подключении к ней емкостей Сп и Со.
На первом этапе анализа рассмотрим физические процессы в разрядной цепи ГИН, соответствующей приведенной на рис. 5, б схеме без учета активных сопротивлений, т. е. при
(3.3)
В начальный момент времени заряжена только ударная емкость Ск до напряжения Uкн, токи во всех элементах схемы отсутствуют. Поскольку паразитная емкость Сп наименьшая, то после срабатывания ГИН в первую очередь возникнет незатухающий колебательный процесс заряда и разряда этой емкости через индуктивность LK. При этом напряжение иП будет колебаться от нуля до 2 Uкн возле средней величины Uкн.

Затем разовьется колебательный процесс заряда и разряда емкости объекта испытаний Сo через индуктивности Lк и Lф. Поскольку период этих колебаний значительно больше периода колебаний напряжения ип, то можно считать, что заряд емкости происходит под воздействием средней величины ип, которая вследствие принятых допущений равна Uкн. Следовательно, напряжение на объекте испытания будет также колебаться от нуля до 2 Uкн возле средней величины Uкн. При этом длительность фронта импульса определяется периодом колебаний, который растет с увеличением емкости Со и индуктивностей Lк, Ζф. Индуктивность объекта испытаний U на несколько порядков превышает остальные индуктивности. Поэтому длительность полного импульса определяется индуктивностью Lо и емкостями Ск, Со и Сп.
На втором этапе анализа рассмотрим, как влияют на физические процессы в разрядной цепи ГИН активные сопротивления rд, rf и rф, которые практически всегда не равны нулю. В отличие от (3.3), ограничимся допущением R = ∞, Rп =∞ , Rо=∞.
Сопротивления rд, rf и rф замедляют процессы заряда и разряда емкостей Сп, Со и Ск, увеличивая длительности фронта и полного импульса. В результате рассеивания энергии на активных сопротивлениях процессы заряда и разряда емкостей могут быть либо затухающими колебательными, либо апериодическими. В первом случае напряжения ип и и колеблются с убывающей во времени амплитудой возле напряжения Uкн, а во втором случае асимптотически стремятся к этому напряжению.
Роль индуктивности объекта испытания Lо проявляется после завершения заряда емкостей Сп и Со, когда начинается сравнительно медленный разряд всех емкостей Ск, Со, Сп на эту индуктивность. Сопротивления rд, rf и rф невелики, поэтому разряд обычно имеет затухающий колебательный характер, и напряжение на объекте испытаний колеблется возле нулевого значения.
На третьем этапе анализа рассмотрим роль активных сопротивлений R, Rп и Rо. Они включены параллельно емкостям Ск, Сп, Со и индуктивности L0. Поэтому их уменьшение ускоряет процесс разряда емкостей и сокращает длительность импульса. Кроме того, при колебательном разряде емкостей на индуктивность и уменьшение сопротивлений R, Rn и Rо усиливает затухания колебаний и снижает амплитуду отрицательной части импульса.

При соизмеримых сопротивлениях rд и R роль разрядного сопротивления R проявляется сразу после срабатывания ГИН. Сопротивления rд и R включены последовательно и образуют делитель напряжения. Поэтому напряжение на объекте испытаний не может превышать величины
(3.4)
Сопротивления R, Rn шунтируют паразитную емкость С„ и ускоряют затухание колебаний напряжения ип. Анализ физических процессов в разрядной цепи ГИН шестого порядка при допущении (3.2) позволяет сделать некоторые выводы о связи амплитуды и формы выходного импульса с параметрами разрядной цепи. Эти выводы кратко сформулированы в табл. 1.
Таблица 1