1. Bevezetés

Az impulzusfeszültség-generátor egy nagyfeszültségű{0}}berendezés, amely impulzushullámokat, például villám- és kapcsolóimpulzus-feszültségeket állít elő. A nagyfeszültségű-tesztlaboratóriumok alapvető felszerelése. Elsődleges felhasználása az elektromos berendezések impulzusfeszültség-tesztjei,{4}}beleértve a villámimpulzus teljes hullámait, a villámimpulzus-szaggatott hullámokat és a kapcsolási impulzushullámokat- a szigetelés teljesítményének ellenőrzésére. Az energiaellátó rendszerekben lévő nagyfeszültségű elektromos berendezések üzembe helyezése előtt általában impulzusfeszültség-tesztekre van szükség, hogy felmérjék a túlfeszültség alatti szigetelési viselkedést.

A villamosenergia-rendszeri feszültségszintek folyamatos emelkedésével és a megújuló energiát hasznosító berendezések rohamos fejlődésével egyre inkább előtérbe került az impulzusfeszültség-generátorok jelentősége a biztonságos és megbízható hálózati működés biztosításában.

2. Működési elv

Az impulzusfeszültség-generátorok általában a Marx-áramkört használják (Erwin Otto Marx javasolta 1924-ben), amelynek alapkoncepciója több kondenzátorfokozat párhuzamos töltése és soros kisütése.

Az alapvető működési folyamat a következő: minden fokozati kondenzátor töltőellenállásokon keresztül párhuzamosan van csatlakoztatva, és egy egyenirányító áramkörön keresztül előre beállított feszültségre töltődik. Ekkor a védőellenállás általában körülbelül tízszer nagyobb, mint a töltőellenállás, amely egyrészt védi az egyenirányító berendezést, másrészt biztosítja az egyes fokozati kondenzátorok viszonylag egyenletes töltését. Amikor az első -fokozatú tüzelési szikraközt egy gyújtási impulzus váltja ki, a többi fokozatban a közbenső szikraközök egymás után felbomlanak a túlfeszültség és a szikrasugárzás miatt. Az összes szikraköz működése után a fokozatkondenzátorok sorba vannak kötve az elülső (hullám-elülső) ellenállásokon keresztül, és kisülnek a terhelőkondenzátorba. A teljes soros kapacitás C/n lesz, a teljes feszültség pedig nV lesz (ahol n a fokozatok száma). Mivel a terhelési kapacitás viszonylag kicsi, gyorsan töltődik, majd a fokozati kondenzátorokkal együtt kisül a végellenállásokon (wave{7}}tail) keresztül. Ily módon rövid-időtartamú, nagyfeszültségű-impulzus-hullámforma jön létre a terhelőkondenzátoron keresztül.

Az impulzusfeszültség hullámalakja az elülső- és a hátsó-ellenállások értékének változtatásával állítható be; az amplitúdót a töltési feszültség szabályozza, a polaritást pedig az egyenirányító verem csatlakozásainak felcserélésével lehet megfordítani.

Az elmúlt években a teljesítményelektronika fejlődésével a teljes{0}}szilárdtest-Marx-generátor fontos kutatási irányzattá vált. A hagyományos gáz-szikra-réskapcsolókkal ellentétben az összes-szilárdtest-generátor félvezető eszközöket, például MOSFET-eket használ főkapcsolóként, amelyek egy moduláris, többszintű Marx-topológiában vannak elrendezve, az FPGA-k által biztosított precíz vezérléssel. Az ilyen új generátorok jelentősen csökkenthetik a méretet és a súlyt, miközben javítják a kisülési ismétlési arányt és a hullámforma rugalmasságát.

3. A rendszer összetétele

A teljes impulzusfeszültség generátor tesztrendszer általában a következő összetevőkből áll:

1. Töltő készülék– tartalmazza a töltőtranszformátort, a nagy{0}}feszültségű szilícium egyenirányítót, a védőellenállást, az egyenáramú ellenállásos feszültségosztót és az automatikus földelőt. A töltőtranszformátor megnöveli a hálózati frekvenciafeszültséget, amelyet ezután egyenáramra egyenirányítanak, hogy feltöltsék a fokozati kondenzátorokat.
2. Generátor fő teste– több impulzuskondenzátorból, tüzelési szikraközből, elülső ellenállásokból, végellenállásokból, töltőellenállásokból és szigetelő támasztékokból áll. A főtest torony- vagy oszlopszerkezetben épül fel, a színpadi kondenzátorok sorba kapcsolva magas kimeneti feszültség elérése érdekében. Felhasználástól függően kültéri, beltéri fix vagy beltéri mozgatható típusba sorolható.
3. Vezérlő berendezés– A modern vezérlőrendszerek jellemzően egy PLC (Programozható Logikai Vezérlő) köré összpontosulnak digitális mérő- és vezérlőrendszerrel. Lehetővé teszik az olyan funkciókat, mint az automatikus állandó-áram töltésszabályozása, a feszültség- és áramfigyelés, az automatikus szikratávolság-beállítás, a gyújtásindítás, valamint a túláram/túlfeszültség elleni védelem.
4. Mérőrendszer– csillapított kapacitív feszültségosztóból, mérőkábelekből, digitális rögzítőből vagy oszcilloszkópból stb. áll, amelyek az impulzusfeszültség hullámformájának pontos rögzítésére és elemzésére szolgálnak.

4. Szabványos hullámformák és műszaki követelmények

A szabványos impulzusfeszültség hullámformáit a szigetelésvizsgálathoz a nagyfeszültségű{0}}vizsgálati technikák nemzetközi és nemzeti szabványai határozzák meg:

• Villámimpulzus teljes hullám: frontidő T₁=1.2 μs (±30%-os megengedett eltéréssel), T₂=50 μs (±20%) felezési idő.
• Kapcsolási impulzushullám: frontidő Tcr=250 μs, idő felezési idő T₂=2500 μs.
• Villámimpulzus vágott hullám: 2 és 6 μs közötti tartományban vágva.
• Meredek{0}}elülső hullám: rendkívül rövid frontidő, akár 1000 kV/μs vagy nagyobb meredekséggel.

Az impulzusfeszültség generátorok gyártása és ellenőrzése elsősorban az alábbi szabványokat követi:

• DL/T 848.5 – Általános műszaki előírások a nagyfeszültségű vizsgálóeszközökhöz – 5. rész: Impulzusfeszültség-generátorok (300 kV és 4800 kV közötti névleges feszültségekre és 5 kJ és 480 kJ közötti névleges energiákra vonatkozik).
• GB/T 16927.1/.2 – Magas-feszültségű vizsgálati technikák sorozata.
• IEC 60060 – Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság szabványok a nagyfeszültségű vizsgálati technikákra vonatkozóan.
• GB 311.1 – Szigetelés koordinációja nagyfeszültségű átviteli és transzformációs berendezésekhez.

5. Alkalmazási területek

Az impulzusfeszültség generátorokat széles körben használják a következő területeken:

1. Az erősáramú berendezések típusvizsgálatai és rutinvizsgálatai – A transzformátorok, műszertranszformátorok, perselyek, szigetelők, túlfeszültség-levezetők, GIS és egyéb átviteli és elosztó berendezések általában villám- és kapcsolóimpulzus-teszteket igényelnek. Ide tartoznak a teljes-hullámimpulzus-ellenállási tesztek és a vágott-hullámimpulzus-tesztek, amelyek a berendezés villámcsapás és kapcsolási túlfeszültség alatti szigetelési képességének ellenőrzésére szolgálnak.
2. Szigeteléskutatás – A légköri túlfeszültségnek (villámlás) és kapcsolási túlfeszültségnek kitett erősáramú berendezések szigetelési teljesítményének vizsgálatára szolgál.
3. Megújuló energiát használó berendezések tesztelése – A szélenergia, a fotovoltaikus és más megújuló források integrálásával számos lépcsőzetes-transzformátor és kapcsolóberendezés szigorú impulzusfeszültség-teszteket igényel.
4. Tudományos kutatás – Széles körben alkalmazzák olyan területeken is, mint az elektromágneses kompatibilitási kutatás, a kisülési mechanizmusok tanulmányozása és az impulzusos energiatechnológia.

6. Fejlesztési trendek

Ahogy az energiarendszerek az ultra{0}}nagy feszültségek és a nagyobb intelligencia felé haladnak, az impulzusfeszültség-generátorok iparága a következő tendenciákat mutatja:

1. Intelligencia és automatizálás – A modern impulzusfeszültség-generátorok általában PLC{0}}alapú automatikus vezérlőrendszerekkel vannak felszerelve, amelyek lehetővé teszik az automatikus paraméterbeállítást, az automatikus triggerelést, valamint a tesztadatok automatikus rögzítését és elemzését. A tesztsorozat az érintőképernyős interfészeken keresztül programozható a nagyrészt automatizált működés érdekében. Egyes rendszerek megkezdték a kiegészítő diagnosztikai funkciók integrálását a lehetséges vizsgálati eltérések azonosítására és jelzésére.
2. Kompaktság és minden -szilárdtest- – Az új, félvezetős- kapcsolókon alapuló generátorok jelentősen csökkenthetik a térfogatot és a súlyt, javíthatják a kisülési ismétlési arányt, és növelhetik a hullámforma rugalmasságát. A hagyományos szikraközök helyett erősáramú elektronikai eszközöket használó összes-szilárd-Marx-generátor a fejlődés fontos irányává vált.
3. Digitalizálás és csatlakoztathatóság – A modern generátorok digitális rögzítőket és nagy{0}}precíziós adatgyűjtő kártyákat alkalmaznak a hagyományos fény-oszcilloszkópok helyett, lehetővé téve az automatikus hullámforma-elemzést és jelentéskészítést. Egyes eszközök hálózati kapcsolatokon keresztül kapcsolódhatnak a laboratóriumi információkezelő rendszerekhez adatcsere céljából.
4. Nagy pontosság és nagy megbízhatóság – A továbbfejlesztett szenzortechnológia és jelfeldolgozó algoritmusok révén a mérési pontosság és ismételhetőség folyamatosan javult. Jelenleg a tipikus berendezések töltőfeszültség-instabilitása ±1%-on belül szabályozható.
5. Többfunkciós – Egy generátor különféle szabványos és nem{0}}szabványos hullámformákat állíthat elő, beleértve a villámteljes hullámokat, a szaggatott hullámokat, a kapcsolóhullámokat, az oszcilláló hullámokat és a meredek{1}}elülső hullámokat, hogy megfeleljenek a különböző alkalmazási forgatókönyveknek.

7. Következtetés

Az impulzusfeszültség-generátor műszaki szintje, mint a nagyfeszültségű{0}}tesztelés területén alapvető alapvető eszköz, közvetlenül befolyásolja az erősáramú berendezések szigetelési teljesítményének ellenőrzésének pontosságát és megbízhatóságát. A hagyományos Marx-áramkörtől a modern összes-szilárdtest-topológiákig, és a kézi működtetéstől az intelligens automatikus vezérlésig az impulzusfeszültség-generátor technológia jelentős átalakuláson megy keresztül. Az ultra-nagyfeszültségű-áramhálózatok folyamatos fejlesztése, a megújuló energiaforrások számának növekedése és a digitális átalakulás előrehaladása miatt az impulzusfeszültség-generátorok továbbra is fontos szerepet játszanak az energiarendszerek biztonságos és megbízható működésének biztosításában.