Общие сведения
9.3.1.1. Импульсные напряжения.
В гл. 2 показано, что на оборудование линий электропередачи высокого напряжения воздействуют кроме рабочего также кратковременные напряжения, возникающие либо в результате коммутаций (см. § 2.2), либо за счет воздействия молнии (см. § 2.3). Эти импульсные напряжения по амплитуде намного превышают наибольшее рабочее напряжение, и поэтому их называют перенапряжениями и разделяют на грозовые и коммутационные в соответствии с причиной их возникновения. Перенапряжения длительностью менее 1 мс воздействуют на изоляцию, и в большинстве случаев именно они определяют уровень изоляции электрооборудования. Изоляция оборудования высокого напряжения подвергается испытаниям кратковременным напряжением, которое имитирует возникающие при эксплуатации перенапряжения. Испытания производятся после изготовления типового образца, а также частично и выпускаемой продукции.
Однако выше (см. п. 2.2.2 и 2.2.3) было показано, что как амплитуда, так и формы перенапряжений могут изменяться в широких пределах. Грозовые перенапряжения определяются как током молнии, имеющим большой статистический разброс, так и процессами отражений и затуханий волн в линиях. Коммутационные перенапряжения, их изменение во времени зависят от структуры сети и вида коммутации. Если нужно провести качественное испытание изоляции, то необходимо воспроизвести нормированное изменение во времени испытательного напряжения. Форма импульса должна быть относительно простой, чтобы ее можно было воспроизводить при очень высоких напряжениях с приемлемыми затратами на испытательное оборудование. Импульсы сравнительно простой формы, используемые для испытания на электрическую прочность изоляции, называются испытательными импульсами.
Рис. 9.22. Формы импульсов грозовых перенапряжений:
а — полный импульс; б —срезанный на спаде импульс; в — срезанный на фронте импульс; / — максимальное значение; 2 — спад
Они подразделяются на грозовые для имитации грозовых перенапряжений и коммутационные, воспроизводящие напряжения, возникающие при коммутациях. Кроме того, в ходе исследований разрядных процессов часто используют униполярные импульсы другой, не нормированной формы, возможности получения которых не могут быть рассмотрены в рамках данной книги. Помимо испытаний импульсами высокого напряжения (от 50 кВ до нескольких миллионов вольт) в связи с расширением области применения современных электронных приборов становится все более важным их испытание на чувствительность к импульсным напряжениям, наложенным на напряжение питающей сети низкого напряжения, так как в обычных сетях электроснабжения иногда возникают кратковременные перенапряжения с очень большой амплитудой [9.29].
Грозовые импульсы. На рис. 9.22 показаны формы нормированных импульсов грозовых напряжений в соответствии с определениями МЭК [9.1].
Импульсные напряжения характеризуются прежде всего максимальным значением или амплитудой Uм, т. е. наибольшим мгновенным значением. Однако на практике не всегда импульсы такие «гладкие», как показано на рис. 9.22. Они могут содержать наложенные высокочастотные колебания, в том числе и на вершине импульса. Если частота этих колебаний выше 500 кГц или длительность выбросов менее 1 мкс, то фактическое изменение напряжения во времени экстраполируется средней кривой и за максимальное значение импульса принимается наибольшее значение напряжения. Амплитуда колебаний не должна составлять более 5% максимального значения, в том числе и при частоте колебаний менее 500 кГц.
Следующими важными параметрами импульса являются длительность фронта Т1 и длительность импульса T2, характеризующие изменение напряжения во времени (рис. 9.22,а). Следует обратить внимание на то, что методика определения этих параметров отличается от принятых методик в импульсной технике. Наиболее существенным при этом является использование для определения длительности фронта точки A, в которой u=0,3Uм. Такой высокий уровень напряжения и выбран потому, что в начале импульса имеются искажения, вызванные помехами либо в измерительных цепях, либо в разрядной цепи генератора. В случае наличия колебаний точки А и Β располагаются на средней кривой. Подобной проблемы не возникает при определении точки С па спаде импульса, однако следует иметь в виду, что длительность импульса Т2 определяется как интервал времени между этой точкой и точкой условного начала импульса О1.
Принятый в настоящее время для большинства случаев нормированный грозовой импульс имеет длительность фронта 1,2 мкс с отклонениями до ±30%. Сокращенное обозначение этого импульса — 1,2/50 мкс.
Для срезанных импульсов (рис. 9.22,б, в) вводится дополнительная характеристика — момент среза (пробоя) Тс, определяемый пересечением прямой, проведенной через точки С и D, и кривой полного импульса, а также длительность среза, равная 1,67 интервала времени между точками С и D. Однако длительность среза находится с большими погрешностями, и поэтому она редко используется в качестве характеристики импульса. Наиболее часто нормируемый момент среза отстоит от точки Ο1 на 2—5 мкс.
Коммутационные импульсы. В соответствии с рис. 9.23 кривая коммутационных перенапряжений, как и кривая грозовых импульсов, описывается временем спада Т2 до половины максимального значения напряжения и временем подъема Тп, которое легко, хотя и с большой погрешностью, находится из осциллограммы. Поэтому часто вместо Тп используют длительность фронта, определяемую так же, как и для грозового импульса, или в качестве дополнительного параметра вводят время, к которому напряжение достигает 0,9Uм. Нормированным коммутационным импульсом часто является импульс 250/2500 мкс, при этом время подъема Tп=250 мкс±20%, а длительность импульса T2=2500 мкс±60%. В целом ряде исследований, проводимых в настоящее время в области коммутационных перенапряжений, используют и другие, значительно отличающиеся от приведенных параметры коммутационных импульсов, поскольку электрическая прочность, например, длинных воздушных промежутков сильно зависит от этих параметров (см. п. 7.6.5).
Рис. 9.23. Определение характеристик полного коммутационного импульса
Рис. 9.24. Определение характеристик двухэкспоненциального импульса тока
9.3.1.2. Импульсные токи.
Оборудование линий электропередачи, как уже отмечалось в гл. 2, подвергается воздействиям сильных токов, вызванных различными причинами. Следует упомянуть прежде всего токи КЗ с частотой сети, предельное значение которых может намного превышать 50 кА. Однако эти токи нельзя рассматривать как импульсные в узком значении этого слова, так как они оказывают сильные термические и механические воздействия на оборудование. Воспроизведение этих токов в лабораторных условиях производится с помощью так называемых ударных генераторов — специально сконструированных машинных генераторов высокого напряжения большой мощности, которые обеспечивают примерно в течение 1 с мощность в несколько тысяч мегавольт-ампер [9.30].
Под импульсными токами в узком смысле понимают существенно более кратковременные токи, непосредственно или косвенно связанные с воздействием молнии. Так, непосредственные удары молнии в воздушные линии электропередачи или оборудование линий очень часто приводят к перекрытию изоляторов или срабатыванию грозозащитного оборудования, и ток молнии может непосредственно воздействовать на пораженное устройство. Как следует из осциллограмм тока молнии (см., например, рис. 7.52), его значения имеют сильный статистический разброс как по форме импульса, так и по его амплитуде, которая может превышать 100 кА. Поэтому устройства, прежде всего грозозащитные, должны быть испытаны импульсами экспоненциальной формы для того, чтобы определить термическое, механическое и электрическое воздействие на них молнии.
На грозозащитную аппаратуру длительно воздействует рабочее напряжение сети. После срабатывания разрядника на него разряжается емкость подходящей линии прежде, чем снизится рабочее напряжение, и в момент изменения полярности напряжения станет возможным гашение дуги в разряднике. Разряд линии можно приближенно описать прямоугольным импульсом тока, амплитуда которого в основном определяется рабочим напряжением и волновым сопротивлением линии.
Рис. 9.25. Определение характеристик прямоугольного импульса тока
Подобный импульс представляет большую нагрузку на разрядник, если велики длительность прямоугольного по форме тока и выделяющаяся в разряднике энергия.
Импульсные токи применяются также при исследованиях высокотемпературной плазмы (управляемые термоядерные реакции), обработке металлов ударными волнами или магнитным импульсным полем, создании импульсных источников света. Для использования импульсных токов, как и импульсных напряжений, в электроэнергетике параметры импульсов нормируются [9.1].
У импульса, образованного двойной экспонентой (рис. 9.24), нормируется длительность фронта Т1 (определяемая не так, как длительность фронта импульса напряжения на рис. 9.22), и длительность импульса Т2, равная времени спада тока до половины его максимального значения. Часто используются импульсы 8/20 мкс или 4/10 мкс с допусками на длительности фронта и импульса ±10%. Допускается переход тока через нулевую линию и изменение полярности (см. п. 9.3.3), причем выброс обратной полярности не должен превышать 0,2, а наложенные колебания — 0,05 максимального значения тока. Прямоугольные импульсы тока (рис. 9.25) обычно получают от искусственных формирующих линий (см. п. 9.3.3). Форма импульса тока помимо «полки», определяемой временем Тр, в течение которого ток превышает 0,9Iм, задается временем Tt, в течение которого ток больше 0,1/м. Допуски на характеристики импульса следующие: максимальное значение Iм, время Тр (—10-+20%), время Tt<1,5Tp. Допустимый выброс обратной полярности не должен превышать 0,1Iм. Номинальные значения Тр — 500; 1000; 2000; 2000—3200 мкс.
Генераторы импульсных напряжений
Рассматривая оба импульса напряжений — грозовой и коммутационный, можно установить, что они воспроизводятся наложением двух затухающих экспоненциальных функций разных полярностей. Это означает, что схема для получения этих импульсов должна содержать по крайней мере два накопителя энергии, чтобы обеспечить требуемую двухэкспоненциальную форму кривой. Так как индуктивный накопитель с большой накапливаемой энергией не пригоден для быстрого разряда в микросекундном диапазоне, а испытуемый объект чаще всего представляет собой емкостную нагрузку, в качестве генераторов используют обычно схемы с емкостным накопителем энергии. С помощью специальных конструктивных решений можно добиться, что неизбежная для любой схемы индуктивность окажется весьма незначительной и ее можно будет рассматривать как паразитную, а в схемах генератора ею вообще пренебрегают (см. 9.3.2.1).
Для получения очень высоких напряжений используются, как правило, многоступенчатые схемы (см. 9.3.2.3). Работу таких генераторов лучше всего пояснить с помощью принципиальной схемы, рассмотренной ниже.
Схема одноступенчатого генератора импульсных напряжений.
При напряжениях менее 100 кВ применяются схемы, показанные на рис. 9.26. Накопительный конденсатор Cs медленно, за время более 5 с, заряжается от любого (см. п. 9.2.3) источника до напряжения V0 и затем через коммутатор SF разряжается на емкость нагрузки Сb. Сопротивления Rd и Re служат для получения требуемой формы импульса. При U0> >10 кВ в качестве коммутатора SF может быть использован простейший шаровой разрядник, работающий в атмосферном воздухе и срабатывающий без дополнительной системы управления при малых разбросах напряжения пробоя. Уровень требуемого напряжения регулируется расстоянием s между шарами. Время коммутации такого простейшего искрового промежутка при больших напряжениях мало (в соответствии с искровыми законами, см. п. 7.7.3, [9.31, 9.32], оно менее 0,1 мкс), и поэтому процесс коммутации незначительно влияет на изменение напряжения u(t). Сам элемент SF можно рассматривать как идеальный коммутатор при получении грозовых импульсов (малое падение напряжения в проводящем состоянии). Следует отметить, что в качестве коммутаторов применяются также разрядники с регулируемым давлением газа, в которых используется закон подобия (см. п. 7.5.3), для регулирования напряжения пробоя, а также разрядники с системой управления (см. п. 9.3.3). Лишь при низких напряжениях находят применение электронные коммутаторы (транзисторы, тиристоры, тиратроны).
Рис. 9.26. Схемы одноступенчатого генератора импульсных напряжений
