1. Introducere

Un generator de tensiune de impuls este un aparat de-tensiune înaltă care produce forme de undă în impulsuri, cum ar fi tensiuni de impuls de fulger și tensiuni de impuls de comutare. Este un echipament fundamental în laboratoarele de-înaltă tensiune. Utilizarea sa principală este de a efectua teste de tensiune de impuls pe echipamentele electrice-inclusiv undele pline de impuls de fulger, undele de impuls de fulger tăiate și undele de impuls de comutare-pentru a verifica performanța izolației. Înainte ca echipamentele electrice de înaltă-tensiune din sistemele de alimentare să fie puse în funcțiune, testele de tensiune de impuls sunt, în general, necesare pentru a evalua comportamentul izolației sale în condiții de supratensiune.

Odată cu creșterea continuă a nivelurilor de tensiune ale sistemului de alimentare și dezvoltarea rapidă a echipamentelor de energie regenerabilă, importanța generatoarelor de tensiune de impuls în asigurarea funcționării sigure și fiabile a rețelei de energie a devenit mai proeminentă.

2. Principiul de funcționare

Generatoarele de tensiune de impuls utilizează în mod obișnuit circuitul Marx (propus de Erwin Otto Marx în 1924), al cărui concept de bază este încărcarea paralelă și descărcarea în serie a mai multor trepte de condensator.

Procesul de funcționare de bază este următorul: fiecare condensator de treaptă este conectat în paralel prin rezistențe de încărcare și încărcat la o tensiune prestabilită printr-un circuit redresor. În acest moment, rezistența de protecție este în general de aproximativ zece ori mai mare decât rezistența de încărcare, ceea ce protejează echipamentul redresor și asigură încărcare relativ uniformă a fiecărei etape condensatoare. Când prima-etapă de declanșare a eclatorului este declanșată de un impuls de aprindere, eclatoarele intermediare din etapele rămase se descompun succesiv din cauza supratensiunii și iradierii cu scântei. După ce au funcționat toate eclatoarele, condensatoarele de treaptă sunt conectate în serie prin rezistențele frontale (de undă-frontale) și se descarcă în condensatorul de sarcină. Capacitatea totală a seriei devine C/n și tensiunea totală devine nV (unde n este numărul de trepte). Deoarece capacitatea de sarcină este relativ mică, se încarcă rapid și apoi se descarcă împreună cu condensatoarele de etapă prin rezistențele de coadă (undă-coadă). În acest fel, este generată o formă de undă de impuls-înaltă de scurtă durată-pentru condensatorul de sarcină.

Forma de undă a tensiunii de impuls poate fi ajustată prin modificarea valorilor rezistențelor frontale- și din coadă-; amplitudinea este controlată de tensiunea de încărcare, iar polaritatea poate fi inversată prin schimbarea conexiunilor stivei redresorului.

În ultimii ani, odată cu progresele în electronica de putere, generatorul Marx complet-solid-a devenit o direcție importantă de cercetare. Spre deosebire de comutatoarele convenționale cu gaz-spark-gap, toate generatoarele-solid-utiliză dispozitive semiconductoare precum MOSFET-urile ca întrerupătoare principale, dispuse într-o topologie Marx modulară pe mai multe niveluri, cu control precis oferit de FPGA. Astfel de generatoare noi pot reduce semnificativ dimensiunea și greutatea, îmbunătățind în același timp ratele de repetiție a descărcărilor și flexibilitatea formei de undă.

3. Compoziția sistemului

Un sistem complet de testare a generatorului de tensiune de impuls constă de obicei din următoarele componente:

1. Dispozitiv de încărcare– include transformatorul de încărcare, redresorul de-siliciu de înaltă tensiune, rezistența de protecție, divizorul de tensiune rezistiv DC și dispozitivul automat de împământare. Transformatorul de încărcare crește tensiunea de frecvență a rețelei, care este apoi rectificată la DC pentru a încărca condensatorii de etapă.
2. Corpul principal al generatorului– cuprinde mai multe condensatoare de impuls, eclatoare de aprindere, rezistențe frontale, rezistențe de coadă, rezistențe de încărcare și suporturi izolatoare. Corpul principal este construit într-o structură de turn sau coloană, cu condensatorii de etapă conectați în serie pentru a obține o tensiune de ieșire ridicată. În funcție de utilizare, poate fi clasificat ca tip exterior, tip fix interior sau tip mobil interior.
3. Echipamente de control– sistemele moderne de control sunt de obicei centrate în jurul unui PLC (controller logic programabil) cu un sistem digital de măsurare și control. Acestea permit funcții precum controlul automat al încărcării cu curent constant-, monitorizarea tensiunii și a curentului, reglarea automată a distanței-scânteii, declanșarea declanșării și protecția la supracurent/supratensiune.
4. Sistem de măsurare– constă dintr-un divizor de tensiune capacitiv amortizat, cabluri de măsurare, un înregistrator digital sau un osciloscop etc., utilizat pentru înregistrarea și analizarea cu precizie a formei de undă a tensiunii de impuls.

4. Forme de undă standard și cerințe tehnice

Formele de undă standard ale tensiunii de impuls pentru testarea izolației sunt specificate în standardele internaționale și naționale pentru tehnicile de testare de -înaltă tensiune:

• Unda completă a impulsului fulgerului: timp frontal T₁=1.2 μs (cu abaterea permisă de ±30%), timpul până la jumătatea valorii T₂=50 μs (±20%).
• Unda de impuls de comutare: timp frontal Tcr=250 μs, timp până la jumătatea valorii T₂=2500 μs.
• Undă tăiată cu impuls de fulger: tăiată în intervalul de la 2 la 6 μs.
• Undă frontală abruptă-: timp frontal extrem de scurt, cu abrupte de până la 1000 kV/μs sau mai mult.

Fabricarea și verificarea generatoarelor de tensiune de impuls urmează în primul rând următoarele standarde:

• DL/T 848.5 – Specificații tehnice generale pentru dispozitive de testare-de înaltă tensiune – Partea 5: Generatoare de tensiune de impuls (aplicabile tensiunilor nominale de la 300 kV la 4800 kV și energiilor nominale de la 5 kJ la 480 kJ).
• GB/T 16927.1/.2 – Seria de tehnici de testare de înaltă-tensiune.
• IEC 60060 – Standardele Comisiei Electrotehnice Internaționale privind tehnicile de testare la-înaltă tensiune.
• GB 311.1 – Coordonarea izolației pentru echipamente de transmisie și transformare de înaltă tensiune-.

5. Domenii de aplicare

Generatoarele de tensiune de impuls sunt utilizate pe scară largă în următoarele domenii:

1. Testele de tip și testele de rutină asupra echipamentelor de alimentare – Transformatoare, transformatoare de instrumente, bucșe, izolatoare, descărcătoare de supratensiune, GIS și alte echipamente de transmisie și distribuție necesită în mod obișnuit teste de trăsnet și tensiune de impuls de comutare. Acestea includ testele de rezistență la impuls de-undă completă și teste de impuls de-undă tăiată, utilizate pentru a verifica capacitatea de rezistență a izolației echipamentelor la trăsnet și la supratensiuni de comutare.
2. Cercetarea izolației – Folosit pentru studiul performanței de izolație a echipamentelor de putere supuse supratensiunilor atmosferice (fulger) și supratensiunilor de comutare.
3. Testarea echipamentelor de energie regenerabilă – Odată cu integrarea energiei eoliene, a energiei fotovoltaice și a altor surse regenerabile, un număr mare de transformatoare step-up-și comutatoare necesită teste riguroase de tensiune de impuls.
4. Cercetare științifică – De asemenea, aplicată pe scară largă în domenii precum cercetarea compatibilității electromagnetice, studiile mecanismelor de descărcare și tehnologia de putere în impulsuri.

6. Tendințe de dezvoltare

Pe măsură ce sistemele de alimentare se îndreaptă către tensiuni ultra-înalte și o inteligență mai mare, industria generatoarelor de tensiune de impuls arată următoarele tendințe:

1. Inteligență și automatizare – Generatoarele moderne de tensiune de impuls sunt în general echipate cu sisteme de control automat bazate pe PLC-, permițând ajustarea automată a parametrilor, declanșarea automată și înregistrarea și analiza automată a datelor de testare. Secvența de testare poate fi programată prin interfețe cu ecran tactil pentru a obține o operațiune în mare măsură automatizată. Unele sisteme au început să integreze funcții auxiliare de diagnosticare pentru a identifica și a indica potențialele abateri ale testului.
2. Compactitate și toată-starea-solidă – Noile generatoare bazate pe comutatoare cu stare solidă- pot reduce semnificativ volumul și greutatea, pot îmbunătăți ratele de repetiție a descărcărilor și pot crește flexibilitatea formei de undă. Toate generatoarele-solide-Marx, care utilizează dispozitive electronice de putere în loc de eclatoarele tradiționale, au devenit o direcție importantă de dezvoltare.
3. Digitalizare și conectivitate – Generatoarele moderne folosesc înregistratoare digitale și carduri de achiziție de{0}}înaltă precizie în locul osciloscoapelor tradiționale cu fascicul luminos-, permițând analiza automată a formei de undă și generarea de rapoarte. Unele dispozitive pot interfața cu sistemele de gestionare a informațiilor de laborator prin conexiuni de rețea pentru schimbul de date.
4. Precizie ridicată și fiabilitate ridicată – Prin tehnologia îmbunătățită a senzorilor și algoritmii de procesare a semnalului, precizia măsurării și repetabilitate au fost îmbunătățite în mod continuu. În prezent, instabilitatea tensiunii de încărcare a echipamentelor tipice poate fi controlată cu ±1%.
5. Multifuncționalitate – Un singur generator poate produce diverse forme de undă standard și non{0}}standard, inclusiv unde pline de fulger, unde tăiate, unde comutatoare, unde oscilante și unde frontale abrupte-, pentru a se potrivi diferitelor scenarii de aplicație.

7. Concluzie

Fiind un dispozitiv fundamental de bază în domeniul testării de-înaltă tensiune, nivelul tehnic al generatorului de tensiune de impuls afectează în mod direct acuratețea și fiabilitatea verificării performanței izolației pentru echipamentele de alimentare. De la circuitul tradițional Marx la topologiile moderne toate-solide-și de la operarea manuală la controlul automat inteligent, tehnologia generatorului de tensiune de impuls este în curs de transformare semnificativă. Odată cu dezvoltarea continuă a rețelelor electrice de ultra--tensiune, creșterea instalațiilor de energie regenerabilă și progresul transformării digitale, generatoarele de tensiune de impuls continuă să joace un rol important în asigurarea funcționării sigure și fiabile a sistemelor de alimentare.