Генераторы импульсных напряжений типа «Гроза»

Генераторы импульсных напряжений
типа «Гроза»

Импульсами напряжения называют волны напряжения длительностью от долей микросекунд до нескольких миллисекунд. Генераторы таких напряжений предназначаются для испытаний различных видов изоляций (линейной, аппаратной, трансформаторной), определения вольтносекундных характеристик разрядников, исследования защитного действия молниеотводов, изучения физики высоковольтного разряда и т.д.

Генератор импульсных напряжений (ГИН) является важнейшей составляющей испытательных лабораторий заводов, выпускающих оборудование для передачи электрической энергии.

Основной частью импульсного генератора являются конденсаторы, заряжаемые параллельно и разряжаемые на нагрузку при последовательном соединении с помощью коммутирующих разрядников. Таким путем при наличии в составе ГИН n конденсаторов, заряжаемых до напряжения U, можно получить на выходе ГИН номинальное напряжение nU. Это напряжение прикладывается к объекту испытаний и должно имитировать воздействие грозового импульса с фронтом 1,2 микросекунды и длительностью на полувысоте 50 микросекунд на элемент высоковольтной линии передачи или изоляцию аппарата, установленного на подстанции.

При коммутациях высоковольтных цепей возникают также импульсы перенапряжений, имеющих время нарастания до 1000 микросекунд и длительность порядка нескольких миллисекунд. Современные генераторы импульсных напряжений позволяют путем простой замены определенных элементов создавать подобные импульсы, имитирующие коммутационные перенапряжения. Осциллограммы грозового и коммутационного импульсов приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Осциллограммы грозового и коммутационного импульсов.

Существенным параметром генератора импульсных напряжений является его высота, а точнее, отношение номинального напряжения ГИНа к высоте его конструкции. Для современных генераторов, выпускаемых лучшими фирмами мира, он составляет примерно 300 кВ/м. Этот параметр определяет высоту потолка испытательного зала лаборатории и, в значительной степени, стоимость всей испытательной лаборатории, т.к. стоимость здания является основной ее составляющей.

По этому параметру генераторы импульсных напряжений типа «Гроза» фирмы ООО «Русская технологическая группа 2» обладают лучшими характеристиками, чем генераторы зарубежных фирм. Для генераторов «Гроза» этот параметр составляет 400 кВ/м, что позволяет экономить до 30% капитальных затрат на строительство здания высоковольтной испытательной лаборатории или размещать генераторы с более высоким выходным напряжением в существующих зданиях при модернизации оборудования.

ООО «Русская технологическая группа 2» предлагает типоразмерный ряд генераторов типа «Гроза» с широким диапазоном выходных импульсных напряжений и запасаемой энергии. Внешний вид генератора типа «Гроза» с выходным напряжением 4,8 МВ и запасаемой энергией 240 кДж приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид ГИН типа «Гроза» с выходным напряжением 4,8 МВ.

ГИН содержит 48 ступеней, состоящих из двух параллельно соединенных конденсаторов КПИ-100-0,5 с максимальным зарядным напряжением 100 кВ и емкостью 0,5 мкФ каждый. Для удобства ГИН скомпонован из 6 этажей. На каждом этаже предусмотрены специальные платформы для обслуживания. Зарядное устройство мощностью 50 кВт заряжает ГИН за 15 сек.

Технические характеристики и, в конечном счете, качество ГИН определяются качеством его элементной базы: конденсаторов, разрядников, зарядных устройств, системы измерения, регистрации и обработки данных. В генераторах типа «Гроза» используются лучшие в России импульсные высоковольтные конденсаторы в пластмассовых корпусах типа КПИ, имеющие отличные характеристики по удельной запасаемой энергии, собственной индуктивности, ресурсу и надежности работы. Пластмассовые корпуса позволяют использовать конденсаторы без дополнительных изоляторов, т.к. сами корпуса являются изоляторами.

Это позволило увеличить максимальную энергию, запасаемую в единице объема ГИН, до (10 ÷ 15) кДж/м³, в зависимости от выходного напряжения ГИН, что на 10 ÷ 15% выше, чем в генераторах зарубежных фирм. Малая индуктивность обеспечивает хорошее качество «грозового» импульса с максимальной амплитудой колебаний на его вершине не более 1,5%, что является показателем высокого качества ГИН. Внешний вид применяемых конденсаторов показан на рисунке 3.

Рис. 3. Внешний вид конденсатора типа КПИ.

В ГИН применяются современные малошумные герметичные разрядники в металлокерамических корпусах. Разрядники, без дополнительной настройки, позволяют менять значения выходного напряжения ГИН в пределах (0,4 ÷ 1,0) от номинального напряжения. Внешний вид разрядника представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Разрядник типа РГУ-1-100-100.

Разрядники управляются специальным устройством управления, представляющим собой электрическую схему с высоковольтным трансформатором, формирующим импульс напряжения амплитудой 50 кВ и током 50 А. Принципиальная схема устройства управления показана на рисунке 5.

Рис. 5. Принципиальная схема устройства управления.

Внешний вид устройства управления приведен на рисунке 6.

Рис. 6. Внешний вид устройства управления.

Разрядники и устройства управления запущены в серийное производство в 2004 году. К настоящему времени в различных электрофизических установках без замечаний работает около 300 штук разрядников и устройств управления.

В качестве зарядного устройства в ГИН используются зарядные устройства типа ИВН. Например, ИВН-5 имеет регулируемое выходное напряжение в диапазоне (35 ÷ 100) кВ и максимальный средний выпрямленный ток 500 мА. Зарядное устройство позволяет заряжать ГИН с запасаемой энергией 1 МДж примерно за 60 секунд.

Для регистрации выходного сигнала ГИН применяется высоковольтный делитель напряжения, сигнал от которого поступает на измерительный комплекс, включающий в себя современный осциллограф, соединенный с компьютером для обработки и хранения информации.

В таблице 1 приведены параметры выпускаемых ГИН типа «Гроза».

Выходное напряжение (кВ)	Максимальная энергия ГИНа (кДж)								Высота (м)
350-800	20	40	60	80	100	120	140	160	2,2
700-1600	40	80	120	160	200	240	280	320	4,2
1000-2400	60	120	180	240	300	360	420	480	6,2
1400-3200	80	160	240	320	400	480	560	640	8,2
1600-4000	100	200	300	400	500	600	700	800	10,2
2000-4800	120	240	360	480	600	720	840	960	12,2
2400-5600	140	280	420	560	700	840	980	1020	14,2
2800-6400	160	320	480	640	800	960	1120	1280	16,2
3200-7200	180	360	540	720	900	1080	1260	1440	18,2
3600-8000	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	20,2
4000-8800	220	440	660	880	1200	1320	1540	1760	22,2
4400-9600	240	480	720	960	1400	1440	1680	1820	24,2

Наши
разработки

Импульсные конденсаторы

Наша компания создала уникальную серию пленочных импульсных конденсаторов с удельной энергией 0,1; 0,2; 0,3 Дж/г, малоиндуктивных сильноточных конденсаторов и малоиндуктивных высокочастотных высоковольтных конденсаторов для лазерных технологий.

Газовые разрядники

Газовые управляемые разрядники типа РГУ предназначены для коммутации тока и напряжения в процессе высоковольтных импульсных испытаний. Разрядники могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях.

Малоиндуктивные диодные блоки

Конструкция и технологические решения, заложенные в диодный блок, позволяют легко и просто без применения дополнительных элементов собирать путем параллельного и последовательного соединения диодных блоков в устройство на требуемый ток и напряжение.

Наши
разработки

Импульсные высоковольтные конденсаторы высокой удельной энергиии

В последние годы определенное развитие получили новые электротехнологии, основанные на свойствах сильноточного импульсного разряда, протекающего через катушку индуктивности, газовую или жидкую среды. К указанным выше технологиям можно отнести магнитную штамповку, дробление породы, очистку металлических отливок и пр. Все большее развитие получают лазерные технологии, которые используются как в промышленности, так и в медицине.

В этих технологиях в качестве одного из основных элементов оборудования применяются импульсные высоковольтные конденсаторы, к характеристикам которых предъявляются все более высокие требования, заключающиеся в увеличении удельной энергии, ресурса, рабочей частоты конденсаторов, снижении tgδ, собственной индуктивности и внутреннего сопротивления. Удовлетворить эти требования полностью, применяя традиционную для импульсных конденсаторов бумажно-масляную изоляцию, не представляется возможным из-за сравнительно высоких диэлектрических потерь.

Высоковольтные газовые управляемые разрядники

Газовые управляемые разрядники типа РГУ предназначены для коммутации тока и напряжения в процессе высоковольтных импульсных испытаний, в электротехнологических установках (магнитная штамповка, дробление пород) в лазерной технике и пр. Разрядники могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях. Разрядник работает под давлением воздуха до 3,0 кгс/кв. см с продувкой или без продувки рабочего объема.

Предельный ресурс разрядника ограничивается износом поджигающего электрода. Продлить срок службы разрядника вдвое и больше можно путем замены изношенного управляющего электрода, представляющего собой тонкое (2 мм) медное кольцо с центральным отверстием, и в случае необходимости замены съемных катода и анода разрядника.

Зарядные устройства

Серия источников высокого напряжения ИВН разработана для зарядки конденсаторных батарей. Однако эти приборы могут также использоваться и при работе на активную нагрузку в качестве источников постоянного высокого напряжения. Отличительной особенностью источников является высокая стабильность поддержания заданного напряжения. Источники снабжены системами регулирования по заданному уровню напряжения и тока. При зарядке конденсаторов это позволяет получать практически линейный рост напряжения на конденсаторной батарее от времени до момента достижения заданного напряжения.

Приборы серии ИВН, за исключением ИВН-4, выполнены компактно, имеют заземленный корпус и могут использоваться персоналом без дополнительной защиты от электрического напряжения и тока. Вывод напряжения осуществляется коаксиальным кабелем. Источники серии ИВН могут работать на любую нагрузку от холостого хода до короткого замыкания и имеют возможности местного (с панели) и дистанционного (с пульта) управления. Источники выдают на выходной разъём аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению и току.