1. Въведение

Генераторът на импулсно напрежение е апарат с високо-напрежение, който произвежда импулсни вълни, като импулсни напрежения на мълния и импулсни напрежения при превключване. Това е основна част от оборудването в -лабораториите за изпитване на високо напрежение. Основната му употреба е да извършва тестове за импулсно напрежение на електрическо захранващо оборудване-включително пълни вълни с импулс на мълния, накъсани вълни с импулс на мълния и импулс на превключване-за проверка на изолационните характеристики. Преди -електрическото оборудване с високо напрежение в енергийните системи да бъде пуснато в експлоатация, обикновено се изискват тестове за импулсно напрежение, за да се оцени поведението на изолацията му при условия на пренапрежение.

С непрекъснатото увеличаване на нивата на напрежение в електроенергийната система и бързото развитие на оборудването за възобновяема енергия, значението на генераторите на импулсно напрежение за осигуряване на безопасна и надеждна работа на електрическата мрежа става все по-видно.

2. Принцип на работа

Генераторите на импулсно напрежение обикновено използват веригата на Маркс (предложена от Ервин Ото Маркс през 1924 г.), чиято основна концепция е паралелно зареждане и последователно разреждане на множество кондензаторни етапи.

Основният работен процес е както следва: всеки етапен кондензатор е свързан паралелно чрез зареждащи резистори и се зарежда до предварително зададено напрежение чрез токоизправителна верига. По това време защитният резистор обикновено е около десет пъти по-голям от зареждащия резистор, който едновременно защитава токоизправителното оборудване и осигурява относително равномерно зареждане на всеки етапен кондензатор. Когато първият-етап на възпламеняване на искровата междина се задейства от импулс на запалване, междинните искрови междини в останалите етапи последователно се разпадат поради пренапрежение и излъчване на искра. След като всички искрови междини са задействани, стъпаловидите кондензатори се свързват последователно през предните (вълнови-предни) резистори и се разреждат в кондензатора за натоварване. Общият сериен капацитет става C/n, а общото напрежение става nV (където n е броят на етапите). Тъй като товарният капацитет е сравнително малък, той се зарежда бързо и след това се разрежда заедно с кондензаторите на етапа през резисторите на опашката (wave-tail). По този начин се генерира импулсна вълна с кратко-продължителност-напрежение в товарния кондензатор.

Формата на вълната на импулсното напрежение може да се регулира чрез промяна на стойностите на предните- и опашните-резистори; амплитудата се контролира от напрежението на зареждане, а полярността може да бъде обърната чрез размяна на връзките на стека на токоизправителя.

През последните години, с напредъка в силовата електроника, изцяло-твърдотелният-генератор на Маркс се превърна във важна изследователска насока. За разлика от конвенционалните превключватели с газови-искрови-процепи, всички-солид-генератори използват полупроводникови устройства като MOSFET като основни превключватели, подредени в модулна многостепенна топология на Маркс с прецизен контрол, осигурен от FPGA. Такива нови генератори могат значително да намалят размера и теглото, като същевременно подобряват честотата на повторение на разряда и гъвкавостта на формата на вълната.

3. Състав на системата

Пълна тестова система за генератор на импулсно напрежение обикновено се състои от следните компоненти:

Устройство за зареждане– включва зареждащ трансформатор, -силициев токоизправител за високо напрежение, защитен резистор, резистивен делител на постоянно напрежение и автоматично заземително устройство. Трансформаторът за зареждане повишава честотното напрежение на мрежата, което след това се коригира до DC, за да зареди кондензаторите на етапа.
Основно тяло на генератора– включва множество импулсни кондензатори, запалващи искрови междини, предни резистори, опашни резистори, зареждащи резистори и изолационни опори. Основното тяло е конструирано в структура на кула или колона, като етапните кондензатори са свързани последователно, за да се постигне високо изходно напрежение. В зависимост от употребата, той може да бъде класифициран като външен тип, вътрешен фиксиран тип или вътрешен подвижен тип.
Контролно оборудване– съвременните системи за управление обикновено са съсредоточени около PLC (Програмируем логически контролер) с цифрова система за измерване и управление. Те позволяват функции като автоматично управление на постоянен-ток на зареждане, наблюдение на напрежението и тока, автоматично регулиране на-разстоянието на искра, задействане на запалването и защита от свръхток/пренапрежение.
Измервателна система– състои се от демпфиран капацитивен делител на напрежение, кабели за измерване, цифров рекордер или осцилоскоп и т.н., използвани за точно записване и анализ на формата на вълната на импулсното напрежение.

4. Стандартни вълнови форми и технически изисквания

Стандартните вълнови форми на импулсно напрежение за изпитване на изолация са посочени в международни и национални стандарти за техники за изпитване на високо{0}}напрежение:

Пълна вълна на импулс на мълния: предно време T₁=1.2 μs (с разрешено отклонение от ±30%), време до половината стойност T₂=50 μs (±20%).
Превключваща импулсна вълна: предно време Tcr=250 μs, време до половината стойност T₂=2500 μs.
Накъсана вълна на импулс на мълния: накъсана в диапазона от 2 до 6 μs.
Стръмна{0}}предна вълна: изключително кратко време на фронта, със стръмност до 1000 kV/μs или повече.

Производството и проверката на генераторите на импулсно напрежение следват основно следните стандарти:

DL/T 848.5 – Общи технически спецификации за -устройства за изпитване на високо напрежение – Част 5: Генератори на импулсно напрежение (приложимо за номинални напрежения от 300 kV до 4800 kV и номинални енергии от 5 kJ до 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Серия от-техники за изпитване на високо напрежение.
IEC 60060 – Стандарти на Международната електротехническа комисия за-техники за изпитване на високо напрежение.
GB 311.1 – Координиране на изолацията за-оборудване за пренос и трансформация на високо напрежение.

5. Области на приложение

Генераторите на импулсно напрежение се използват широко в следните области:

Типови тестове и рутинни тестове на енергийно оборудване – Трансформатори, измервателни трансформатори, проходни втулки, изолатори, ограничители на пренапрежение, GIS и друго оборудване за предаване и разпределение обикновено изискват тестове за мълния и комутационно импулсно напрежение. Те включват тестове за издръжливост на импулс с пълна-вълна и тестове за импулс с накъсана-вълна, използвани за проверка на способността за издръжливост на изолацията на оборудване при мълния и комутационни пренапрежения.
Изследване на изолацията – Използва се за изследване на изолационните характеристики на силово оборудване, подложено на атмосферни пренапрежения (мълния) и комутационни пренапрежения.
Тестване на оборудване за възобновяема енергия – С интегрирането на вятърна енергия, фотоволтаични и други възобновяеми източници, голям брой повишаващи{0}}трансформатори и разпределителни уреди изискват строги тестове за импулсно напрежение.
Научни изследвания – Също така широко прилагани в области като изследване на електромагнитната съвместимост, изследвания на разрядни механизми и технология за импулсна мощност.

6. Тенденции на развитие

Докато енергийните системи се придвижват към ултра-високи напрежения и по-голяма интелигентност, индустрията за генериране на импулсно напрежение показва следните тенденции:

Интелигентност и автоматизация – Съвременните генератори на импулсно напрежение обикновено са оборудвани със системи за автоматично управление, базирани на PLC-, позволяващи автоматично регулиране на параметрите, автоматично задействане и автоматично записване и анализ на данните от теста. Тестовата последователност може да бъде програмирана чрез интерфейси на сензорен екран, за да се постигне до голяма степен автоматизирана операция. Някои системи са започнали да интегрират помощни диагностични функции за идентифициране и посочване на потенциални отклонения на теста.
Компактност и изцяло-твърдо-състояние – Новите генератори, базирани на полупроводникови-превключватели, могат значително да намалят обема и теглото, да подобрят честотата на повторение на разреждането и да увеличат гъвкавостта на формата на вълната. Всички-твърдотелни-генератори на Маркс, използващи силови електронни устройства вместо традиционните искрови междини, се превърнаха във важна посока на развитие.
Цифровизиране и свързаност – Съвременните генератори използват цифрови записващи устройства и високо{0}}карти за събиране на данни вместо традиционните светлинни{1}}осцилоскопи, което позволява автоматичен анализ на формата на вълната и генериране на отчети. Някои устройства могат да се свързват със системи за управление на лабораторна информация чрез мрежови връзки за обмен на данни.
Висока прецизност и висока надеждност – Чрез подобрена сензорна технология и алгоритми за обработка на сигнали, точността и повторяемостта на измерванията непрекъснато се подобряват. В момента нестабилността на зарядното напрежение на типично оборудване може да се контролира в рамките на ±1%.
Мултифункционалност – Един генератор може да произвежда различни стандартни и не-стандартни вълнови форми, включително светкавични пълни вълни, нарязани вълни, превключващи вълни, осцилиращи вълни и стръмни-предни вълни, за да отговарят на различни сценарии на приложение.

7. Заключение

Като основно основно устройство в -областта на изпитване на високо напрежение, техническото ниво на генератора на импулсно напрежение влияе пряко върху точността и надеждността на проверката на ефективността на изолацията за енергийно оборудване. От традиционната схема на Маркс до съвременните изцяло-солид{3}}топологии и от ръчно управление до интелигентно автоматично управление, технологията за генериране на импулсно напрежение претърпява значителна трансформация. С продължаващото развитие на електропреносни мрежи с ултра-високо-напрежение, нарастването на инсталациите за възобновяема енергия и напредъка на цифровата трансформация, генераторите на импулсно напрежение продължават да играят важна роля в осигуряването на безопасна и надеждна работа на енергийните системи.