ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Для получения высоких импульсных напряжений используется один или несколько конденсаторов, работающих в режиме заряд—разряд.
На рис. 4-1,а, б представлены простейшие одноступенчатые схемы ГИН для получения кратковременных высоких напряжений. Конденсатор C1 заряжается через выпрямитель К до напряжения U1, достаточного для пробоя-воздушного промежутка в шаровом разряднике Р1.
Пробой в шаровом разряднике Р1 приводит к разряду конденсатора С1 в контуре C1-R1-R2. При этом напряжение «2 возрастает, достигает максимального значения, а затем спадает до нуля.
Если пренебречь распределенной емкостью и индуктивностью в разрядном контуре, то форма импульса u2(t) будет определяться только параметрами схемы С1, С2, R1, R2. При R1=0 и С2=0 скорость возрастания напряжения и2 весьма велика и определяется только скоростью уменьшения сопротивления воздушного промежутка Р1 во время его пробоя.
В схеме рис. 4-1 С2 представляет емкость испытуемого объекта и специального конденсатора, включаемого иногда для регулирования скорости возрастания напряжения U2. Если пренебречь собственными сопротивлениями соединительных проводов и искры, то изменение напряжения u2 описывается уравнением
(4-1)
Сопротивления и R3 служат для регулировки формы волны, C1— емкость генератора в разряде (емкость в ударе).
При анализе работы и расчете параметров генератора импульсных напряжений (ГИН) рассматривают два режима: процесс заряда ГИН и процесс разряда ГИН и соответственно зарядную и разрядную схемы ГИН.
Рис. 4-1. Схема одноступенчатого генератора импульсных напряжений.
В схеме рис. 4-1,а зарядная схема состоит из источника переменного напряжения — испытательного трансформатора Тр, выпрямителя К, сопротивления и конденсатора С1. В схеме рис. 4-1,б в схему заряда входят: трансформатор Тр, выпрямитель К, конденсатор С1 и сопротивления Rо, R1 и R2. Разрядная· схема для рис. 4-1 состоит из С1, R1, R2, С2. В схеме рис. 4-1,а полярность импульса совпадает с полярностью зарядного напряжения в схеме рис. 4-1,б полярности импульса и зарядного напряжения противоположны.
Амплитуда импульса вследствие потерь энергии в разрядном контуре практически всегда меньше амплитуды зарядного напряжения, до которого зарядился конденсатор С. Отношение амплитуды импульса к зарядному напряжению, называют коэффициентом использования ГИИ:
(4-2) Коэффициент использования ГИИ η определяется значениями параметров контура.
Рис. 4-2. Стандартные испытательные волны.
а —полная волна; б — срезанная волна, применяемая при импульсных испытаниях трансформаторов.
Сравнения импульсных испытаний аппаратов высокого напряжения, а также сравнения результатов исследований импульсной прочности диэлектриков могут проводиться только при условии полной идентичности импульсных воздействий. Поэтому форма волны импульсного напряжения, используемого для испытаний оборудования и изоляционных материалов, стандартизована во всех странах.
На рис. 4-2,а, б приведены формы кривой импульсного напряжения, принятые в СССР и предусматриваемые в разрабатываемом проекте ГОСТ. На рис. 4-2,а изображена полная апериодическая волна, на рис. 4-2,б — срезанная (короткая) волна. Срез волны осуществляется шаровым разрядником, включаемым параллельно объекту испытания. Волна (рис. 4-2,б) может быть получена при срезе как апериодической, так и колебательной волны. Основными параметрами, определяющими форму импульса, являются: длина фронта τΜ, длина волны τв, измеряемые в микросекундах, амплитуда волны U2макс, измеряемая в киловольтах, крутизна фронта волны
кВ/мксек.
Фронтом волны называется возрастающая часть импульса, спадающая часть импульса называется хвостом волны.
Длина волны определяется как время от начала импульса до времени, когда напряжение уменьшается до половины амплитуды.
Наличие распределенных индуктивностей и емкостей в практически используемых импульсных контурах приводит к тому, что положение начальной точки волны и точки максимума волны по осциллограммам точно не фиксируется на оси времени. В связи с этим действительная длина фронта волны τΜ заменяется длиной спрямленного фронта τ которая определяется следующим образом. За исходную величину принимается амплитуда волны. Через точки, взятые на возрастающей части импульса и соответствующие значениям проводится прямая образующая фронт волны. Точка пересечения этой прямой с осью времени принимается за начало волны. Длина спрямленного фронта τφ определяется как время от начала волны до времени, соответствующего точке пересечения спрямленного фронта с касательной к вершине волны. Принятая длина спрямленного фронта волны равна 1,5 мксек.
Для срезанной волны (рис. 4-2,б) длина волны, определяемая временем от начала волны до момента среза волны:
Сокращенное обозначение формы волны обычно производится в виде дроби, знак перед которой указывает полярность волны, в числителе записывается длина спрямленного фронта, а в знаменателе — длина волны. Принятая полная волна обозначается соответственно
Указанные параметры волн приняты на основе осциллографических измерений и статистической обработки параметров воли, возникающих в линиях электропередачи при воздействии на их изоляцию атмосферных перенапряжений, связанных с прямыми ударами молнии. Испытания стандартными волнами хорошо воспроизводят воздействия волн атмосферного перенапряжения только длят линейной изоляции. Как показали исследования, выполненные в Ленинградском политехническом институте, изоляция трансформаторов и аппаратов на подстанциях с вентильными разрядниками подвергается воздействию атмосферных перенапряжений, как правило, имеющих колебательный характер. Использование для испытаний импульсов с наложенными колебаниями на спадающей части волны в этом случае более соответствует действительным воздействиям на изоляцию в условиях эксплуатации, чем использование гладких апериодических волн.
Максимальное значение амплитуды волны для одноступенчатого ГИН (рис. 4-1,а, б) ограничивается рабочим напряжением конденсатора С1 и выпрямителя К. Максимальное рабочее напряжение современных бумажно-масляных конденсаторов равно 400 кВ.
Конденсаторы с газовым диэлектриком изготовляются на напряжения до 1 000 кВ, но в схемах ГИН они не используются из-за малой емкости, составляющей десятки пикофарад. В связи с этим амплитуда импульса в одноступенчатом ГИН не превышает 400 кВ.
Для получения более высоких импульсных напряжений с амплитудой до нескольких миллионов вольт используется схема умножения импульсного напряжения, образующая многоступенчатый ГИН.
На рис. 4-3 представлена наиболее распространенная схема многоступенчатого импульсного генератора. Принцип действия этой схемы состоит в следующем. Несколько параллельно соединенных конденсаторов с емкостью С заряжаются от источника выпрямленного напряжения через защитное сопротивление R3 и зарядные сопротивления R0 до напряжения U1, соответствующего рабочему напряжению конденсаторов С. Если после окончания процесса зарядки за весьма короткий промежуток времени произвести переключение конденсаторов для разряда в последовательном соединении, то на разрядном сопротивлении Rр возникнет напряжение, близкое по величине к nU2≈U2макс, где —количество конденсаторных ступеней, заряжаемых параллельно и разряжающихся последовательно.
В 1914 г. В. К. Аркадьев и Н. В. Баклин построили первый многоступенчатый генератор импульсных напряжений, в котором для автоматического переключения конденсаторов на последовательное соединение использовался разряд в шаровых разрядниках, включаемых между конденсаторными ступенями (рис. 4-3).
Позднее схемы многоступенчатых ГИН были разработаны и осуществлены в Гер мании Э. Марксом. Ввиду того, что в настоящее время во всех многоступенчатых импульсных генераторах используется принцип, предложенный В. К. Аркадьевым, рассмотрим детальнее процесс автоматического поочередного срабатывания шаровых разрядников.
Расстояния между электродами в шаровых разрядниках Р2, Р3, Р4, Р0 устанавливаются такими, что их разрядное напряжение превышает напряжение U1 на конденсаторах С.
Рис. 4-3. Схема многоступенчатого импульсного генератора.
Процесс разряда конденсаторов С начинается с пробоя в шаровом разряднике Р1. Пробой в разряднике Р1 может быть вызван либо уменьшением его межэлектродного расстояния, либо введением в промежуток третьего (поджигающего) электрода, на который посылается импульс напряжения от посторонней схемы. После окончания процесса заряда верхние обкладки конденсаторов С имеют потенциал +U1, а нижние обкладки имеют потенциал земли, равный нулю. После пробоя Р1 точка 2 на некоторое время заземляется, а потенциал точки 3 быстро возрастает до +U1. Разрядом емкости С через сопротивление Ro за рассматриваемое время можно пренебречь ввиду большого значения сопротивления (несколько килоом). Потенциал точки 4 после пробоя промежутка P1 будет изменяться от —U до нуля, но ввиду того, что емкость С4 узла 4 по отношению к земле не может мгновенно разрядиться через большое сопротивление R0, на промежутке Р2будет разность потенциалов, превышающая U1 (в первый момент почти 2U1). Если время снижения напряжения на С4 до нуля больше времени запаздывания разряда в промежутке Р2, то промежуток Р2 пробивается.
Потенциал точки 5 приобретает значение 2U1 относительно земли, если вновь пренебречь разрядом конденсатора второй ступени через R0. Аналогичные условия имеют место при срабатывании последующих промежутков Р3, Р4 и Р0. Рассматривая дальнейшее развитие процесса последовательного пробоя искровых промежутков, можно видеть, что напряжение на выходе ГИН достигнет 4U1, если пренебречь потерей зарядов в процессе срабатывания ГИН. На процесс автоматического срабатывания промежутков в многоступенчатом ГИН существенное влияние оказывают распределенные емкости отдельных узлов конструкции ГИН.
На испытуемом объекте, включаемом между точкой 10 и землей, возникает импульс напряжения с амплитудой 
где п — количество конденсаторных ступеней, заряжаемых параллельно до напряжения U1.
Для многоступенчатого ГИН емкость в разряде равна:
В схеме рис. 4-3 сопротивления R0 называют зарядными сопротивлениями между конденсаторными ступенями; Rф — фронтовое сопротивление; Сф — фронтовая (или подстроечная) емкость; r — успокоительные (демпферные) сопротивления, включаемые для гашения колебательных процессов в контурах, образуемых распределенной индуктивностью и емкостью.
Разрядное сопротивление Rр может отсутствовать, в этом случае разряд конденсаторов С будет происходить на зарядные сопротивления R0.
На рис. 4-4 приведена схема многоступенчатого генератора, в котором заряд конденсаторов осуществляется через сопротивления R3, R0, R2. Сопротивление R2 обычно меньше сопротивления R0. Разряд ГИН при работе происходит на сопротивления R2, которые являются одновременно и зарядными и разрядными. Испытуемый объект до воздействия импульсного напряжения заземлен через сопротивления R2 и Rф. Использование для заряда конденсаторов обоих полупериодов выпрямленного напряжения позволяет увеличить напряжение на одной конденсаторной ступени ГИН (состоящей из двух конденсаторов) до 2U1.
По сравнению со схемой рис. 4-3 в схеме рис. 4-4 при одинаковом напряжении на выходе U2макс количество ступеней умножения уменьшается в 2 раза. Указанное преимущество имеет большое значение при сооружении многоступенчатого генератора на напряжение в несколько миллионов вольт, так как при количестве
искровых промежутков, равном нескольким десяткам, затруднительно обеспечить их регулярное поочередное срабатывание.
