1. Wprowadzenie

Generator napięcia impulsowego to urządzenie-wysokonapięciowe, które wytwarza impulsowe kształty fal, takie jak napięcia w postaci impulsów piorunowych i napięcia impulsów przełączających. Jest to podstawowy element wyposażenia laboratoriów testujących-wysokie napięcie. Jego głównym zastosowaniem jest wykonywanie testów napięcia impulsowego urządzeń elektroenergetycznych,-w tym pełnych impulsów piorunowych, fal przerywanych impulsów piorunowych i impulsów przełączających-w celu sprawdzenia działania izolacji. Przed oddaniem do użytku sprzętu elektrycznego-wysokonapięciowego w systemach elektroenergetycznych zazwyczaj wymagane są testy napięcia impulsowego, aby ocenić zachowanie jego izolacji w warunkach przepięcia.

Wraz ze stałym wzrostem poziomów napięć w systemach elektroenergetycznych oraz szybkim rozwojem urządzeń wykorzystujących odnawialne źródła energii, znaczenie generatorów napięcia impulsowego w zapewnieniu bezpiecznej i niezawodnej pracy sieci elektroenergetycznej stało się coraz bardziej widoczne.

2. Zasada działania

Generatory napięcia impulsowego powszechnie wykorzystują obwód Marxa (zaproponowany przez Erwina Otto Marxa w 1924 r.), którego podstawową koncepcją jest równoległe ładowanie i szeregowe rozładowywanie wielu stopni kondensatora.

Podstawowy proces działania jest następujący: kondensator każdego stopnia jest podłączony równolegle poprzez rezystory ładujące i ładowany do zadanego napięcia przez obwód prostownika. W tym momencie rezystor ochronny jest na ogół około dziesięciokrotnie większy niż rezystor ładujący, co zarówno chroni sprzęt prostowniczy, jak i zapewnia stosunkowo równomierne ładowanie kondensatora każdego stopnia. Kiedy iskiernik zapalający pierwszy-stopień zostanie wyzwolony przez impuls zapłonowy, iskierniki pośrednie w pozostałych stopniach sukcesywnie ulegają zniszczeniu z powodu przepięcia i promieniowania iskrowego. Po zadziałaniu wszystkich iskierników kondensatory stopnia są połączone szeregowo przez rezystory przednie (-czoło fali) i rozładowywane do kondensatora obciążeniowego. Całkowita pojemność szeregowa wynosi C/n, a całkowite napięcie wynosi nV (gdzie n to liczba stopni). Ponieważ pojemność obciążenia jest stosunkowo mała, ładuje się szybko, a następnie rozładowuje wraz z kondensatorami stopnia przez rezystory końcowe (-ogonowe). W ten sposób na kondensatorze obciążeniowym generowany jest krótkotrwały-okres-wysokiego napięcia.

Kształt fali napięcia impulsowego można regulować, zmieniając wartości rezystorów przedniego- i tylnego-; amplituda jest kontrolowana przez napięcie ładowania, a polaryzację można odwrócić, zamieniając połączenia stosu prostownika.

W ostatnich latach, wraz z postępem w energoelektronice, ważnym kierunkiem badań stały się generatory Marksa w całości-półprzewodnikowe-. W przeciwieństwie do konwencjonalnych przełączników-iskiernika-wszystkie-generatory półprzewodnikowe- wykorzystują jako główne przełączniki urządzenia półprzewodnikowe, takie jak tranzystory MOSFET, rozmieszczone w modułowej, wielopoziomowej topologii Marxa z precyzyjnym sterowaniem zapewnianym przez układy FPGA. Takie nowe generatory mogą znacznie zmniejszyć rozmiar i wagę, poprawiając jednocześnie częstotliwość powtarzania wyładowań i elastyczność kształtu fali.

3. Skład systemu

Kompletny system testowy generatora napięcia impulsowego zazwyczaj składa się z następujących elementów:

Urządzenie ładujące– obejmuje transformator ładujący, prostownik krzemowy-wysokonapięciowego, rezystor ochronny, rezystancyjny dzielnik napięcia prądu stałego i automatyczne urządzenie uziemiające. Transformator ładujący zwiększa napięcie sieciowe, które jest następnie prostowane na prąd stały w celu naładowania kondensatorów stopnia.
Główny korpus generatora– zawiera wiele kondensatorów impulsowych, iskierniki zapłonowe, rezystory przednie, rezystory tylne, rezystory ładujące i wsporniki izolacyjne. Korpus główny ma konstrukcję wieżową lub kolumnową, z kondensatorami stopnia połączonymi szeregowo w celu uzyskania wysokiego napięcia wyjściowego. W zależności od zastosowania można go sklasyfikować jako typu zewnętrznego, stałego typu wewnętrznego lub typu ruchomego wewnętrznego.
Sprzęt kontrolny– nowoczesne systemy sterowania zazwyczaj skupiają się wokół sterownika PLC (Programmable Logic Controller) z cyfrowym systemem pomiaru i sterowania. Umożliwiają takie funkcje, jak automatyczna kontrola ładowania-prądem stałym, monitorowanie napięcia i prądu, automatyczna regulacja odległości-przerwy iskrowej, wyzwalanie zapłonu oraz zabezpieczenie nadprądowe/przepięciowe.
Układ pomiarowy– składa się z tłumionego pojemnościowego dzielnika napięcia, przewodów pomiarowych, rejestratora cyfrowego lub oscyloskopu itp., służących do dokładnego rejestracji i analizy przebiegu napięcia impulsowego.

4. Przebiegi standardowe i wymagania techniczne

Standardowe przebiegi napięcia impulsowego do testowania izolacji są określone w międzynarodowych i krajowych normach dotyczących technik testowania-wysokonapięciowego:

Pełna fala impulsu piorunowego: czas czoła T₁=1.2 μs (z dopuszczalną odchyłką ±30%), czas do połowy wartości T₂=50 μs (±20%).
Przełączanie fali impulsowej: czas czoła Tcr=250 μs, czas do połowy wartości T₂=2500 μs.
Fala cięta impulsem piorunowym: przerywana w zakresie od 2 do 6 μs.
Stroma-fala czołowa: wyjątkowo krótki czas trwania frontu, ze stromością do 1000 kV/μs lub więcej.

Produkcja i weryfikacja generatorów napięcia impulsowego odbywa się przede wszystkim zgodnie z następującymi normami:

DL/T 848.5 – Ogólne specyfikacje techniczne urządzeń testowych-wysokonapięciowych – Część 5: Generatory napięcia impulsowego (dotyczy napięć znamionowych od 300 kV do 4800 kV i energii znamionowych od 5 kJ do 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Seria technik testowania-wysokonapięciowego.
IEC 60060 – Normy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej dotyczące technik testowania-wysokonapięciowego.
GB 311.1 – Koordynacja izolacji-sprzętu do przesyłu i transformacji wysokiego napięcia.

5. Obszary zastosowań

Generatory napięcia impulsowego są szeroko stosowane w następujących dziedzinach:

Testy typu i rutynowe testy sprzętu elektroenergetycznego – Transformatory, przekładniki, przepusty, izolatory, ograniczniki przepięć, GIS i inny sprzęt przesyłowy i dystrybucyjny zwykle wymagają testów napięcia piorunowego i impulsowego przełączania. Należą do nich testy wytrzymałości na impulsy-pełnej fali i testy impulsu-ciętego, wykorzystywane do sprawdzenia wytrzymałości izolacji sprzętu pod wpływem wyładowań atmosferycznych i przepięć przełączających.
Badania izolacji – wykorzystywane do badania właściwości izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych narażonych na przepięcia atmosferyczne (wyładowania atmosferyczne) i przepięcia przełączające.
Testowanie urządzeń wykorzystujących energię odnawialną – w związku z integracją energii wiatrowej, fotowoltaiki i innych źródeł odnawialnych duża liczba-transformatorów podwyższających napięcie i rozdzielnic wymaga rygorystycznych testów napięcia impulsowego.
Badania naukowe – szeroko stosowane również w takich obszarach, jak badania kompatybilności elektromagnetycznej, badania mechanizmu wyładowań i technologia zasilania impulsowego.

6. Trendy rozwojowe

W miarę jak systemy zasilania zmierzają w stronę ultra-wysokich napięć i większej inteligencji, branża generatorów napięcia impulsowego wykazuje następujące trendy:

Inteligencja i automatyzacja – nowoczesne generatory napięcia impulsowego są zazwyczaj wyposażone w systemy automatycznego sterowania oparte na sterownikach PLC-, umożliwiające automatyczną regulację parametrów, automatyczne wyzwalanie oraz automatyczną rejestrację i analizę danych testowych. Sekwencję testową można zaprogramować za pomocą interfejsów dotykowych, aby uzyskać w dużym stopniu zautomatyzowane działanie. Niektóre systemy zaczęto integrować pomocnicze funkcje diagnostyczne w celu identyfikacji i wskazania potencjalnych odchyleń testowych.
Kompaktowość i całkowicie-półprzewodnikowy-przewodnik – nowe generatory oparte na przełącznikach półprzewodnikowych- mogą znacznie zmniejszyć objętość i wagę, poprawić częstotliwość powtarzania wyładowań i zwiększyć elastyczność kształtu fali. Ważnym kierunkiem rozwoju stały się wszystkie-półprzewodnikowe-generatory Marxa, wykorzystujące urządzenia energoelektroniczne zamiast tradycyjnych iskierników.
Cyfryzacja i łączność – nowoczesne generatory wykorzystują rejestratory cyfrowe i-precyzyjne karty akwizycji zamiast tradycyjnych-oscyloskopów świetlnych, co umożliwia automatyczną analizę przebiegów i generowanie raportów. Niektóre urządzenia mogą łączyć się z laboratoryjnymi systemami zarządzania informacjami za pośrednictwem połączeń sieciowych w celu wymiany danych.
Wysoka precyzja i wysoka niezawodność – Dzięki ulepszonej technologii czujników i algorytmom przetwarzania sygnału dokładność i powtarzalność pomiarów są stale ulepszane. Obecnie niestabilność napięcia ładowania typowego sprzętu można kontrolować w zakresie ±1%.
Wielofunkcyjność – pojedynczy generator może generować różne standardowe i-niestandardowe przebiegi, w tym fale pełne błyskawicy, fale przerywane, fale przełączające, fale oscylacyjne i strome-fale czołowe, w zależności od różnych scenariuszy zastosowań.

7. Wniosek

Jako podstawowe urządzenie w dziedzinie testowania-wysokiego napięcia, poziom techniczny generatora napięcia impulsowego wpływa bezpośrednio na dokładność i niezawodność weryfikacji działania izolacji sprzętu elektroenergetycznego. Od tradycyjnego obwodu Marxa po nowoczesne topologie całkowicie-półprzewodnikowe- oraz od obsługi ręcznej po inteligentne sterowanie automatyczne, technologia generatorów napięcia impulsowego przechodzi znaczącą transformację. Wraz z ciągłym rozwojem sieci elektroenergetycznych ultra-wysokiego-napięcia, rozwojem instalacji energii odnawialnej i postępem transformacji cyfrowej, generatory napięcia impulsowego w dalszym ciągu odgrywają ważną rolę w zapewnianiu bezpiecznego i niezawodnego działania systemów elektroenergetycznych.