1. Inleiding

Een impulsspanningsgenerator is een hoogspanningsapparaat- dat gepulseerde golfvormen produceert, zoals bliksemimpulsspanningen en schakelimpulsspanningen. Het is een fundamenteel onderdeel van de apparatuur in hoog-testlaboratoria. Het voornaamste gebruik ervan is het uitvoeren van impulsspanningstests op elektrische apparatuur-waaronder blikseminslag met volledige golven, blikseminslag met gehakte golven en schakelende impulsgolven-om de isolatieprestaties te verifiëren. Voordat elektrische hoogspanningsapparatuur in energiesystemen in gebruik wordt genomen, zijn over het algemeen impulsspanningstests vereist om het isolatiegedrag ervan onder overspanningsomstandigheden te beoordelen.

Met de voortdurende stijging van de spanningsniveaus van het elektriciteitsnet en de snelle ontwikkeling van apparatuur voor hernieuwbare energie, is het belang van impulsspanningsgeneratoren voor het garanderen van een veilige en betrouwbare werking van het elektriciteitsnet steeds prominenter geworden.

2. Werkingsprincipe

Impulsspanningsgeneratoren maken gewoonlijk gebruik van het Marx-circuit (voorgesteld door Erwin Otto Marx in 1924), waarvan het kernconcept het parallel opladen en seriematig ontladen van meerdere condensatortrappen is.

Het basisproces is als volgt: elke trapcondensator wordt parallel aangesloten via laadweerstanden en via een gelijkrichtcircuit opgeladen tot een vooraf ingestelde spanning. Op dit moment is de beschermende weerstand over het algemeen ongeveer tien keer groter dan de laadweerstand, die zowel de gelijkrichtapparatuur beschermt als een relatief uniforme lading van elke trapcondensator garandeert. Wanneer de ontstekingsvonkbrug van de eerste- fase wordt geactiveerd door een ontstekingspuls, worden de tussenliggende vonkbruggen in de overige trappen achtereenvolgens afgebroken als gevolg van overspanning en vonkenstraling. Nadat alle vonkbruggen in werking zijn gesteld, worden de fasecondensatoren in serie geschakeld via de voorste (golf{4}}voorste) weerstanden en ontladen ze zich in de belastingscondensator. De totale seriecapaciteit wordt C/n en de totale spanning wordt nV (waarbij n het aantal trappen is). Omdat de belastingscapaciteit relatief klein is, laadt hij snel op en ontlaadt hij vervolgens samen met de fasecondensatoren via de staartweerstanden (golf-staart). Op deze manier wordt een korte-duur hoge-spanningsimpulsgolfvorm gegenereerd over de belastingscondensator.

De impulsspanningsgolfvorm kan worden aangepast door de waarden van de voor-- en staart--weerstanden te wijzigen; de amplitude wordt geregeld door de laadspanning, en de polariteit kan worden omgekeerd door de gelijkrichterstapelverbindingen te verwisselen.

Door de vooruitgang op het gebied van de vermogenselektronica is de volledig-solide-staatsgenerator van Marx de afgelopen jaren een belangrijke onderzoeksrichting geworden. In tegenstelling tot conventionele gas-vonk-gap-schakelaars, gebruiken alle-solide-statusgeneratoren halfgeleiderapparaten zoals MOSFET's als hoofdschakelaars, gerangschikt in een modulaire Marx-topologie met meerdere niveaus en nauwkeurige controle door FPGA's. Dergelijke nieuwe generatoren kunnen de omvang en het gewicht aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd de ontladingsherhalingsfrequenties en golfvormflexibiliteit verbeteren.

3. Systeemsamenstelling

Een compleet testsysteem voor een impulsspanningsgenerator bestaat doorgaans uit de volgende componenten:

1. Oplaadapparaat– omvat de laadtransformator, hoog-siliciumgelijkrichter, beveiligingsweerstand, DC-weerstandsspanningsdeler en automatisch aardingsapparaat. De laadtransformator verhoogt de netfrequentiespanning, die vervolgens wordt gelijkgericht naar gelijkstroom om de trapcondensatoren op te laden.
2. Hoofdgedeelte van de generator– omvat meerdere pulscondensatoren, ontstekingsvonkbruggen, voorweerstanden, staartweerstanden, laadweerstanden en isolerende steunen. Het hoofdgedeelte is geconstrueerd in een toren- of kolomstructuur, waarbij de fasecondensatoren in serie zijn geschakeld om een ​​hoge uitgangsspanning te bereiken. Afhankelijk van het gebruik kan het worden geclassificeerd als een buitentype, een vast binnentype of een verplaatsbaar binnentype.
3. Controleapparatuur– moderne besturingssystemen zijn doorgaans gecentreerd rond een PLC (Programmable Logic Controller) met een digitaal meet- en regelsysteem. Ze maken functies mogelijk zoals automatische constante-laadcontrole, spannings- en stroombewaking, automatische aanpassing van de vonk-afstand, ontstekingstrigger en overstroom-/overspanningsbeveiliging.
4. Meetsysteem– bestaat uit een gedempte capacitieve spanningsdeler, meetkabels, een digitale recorder of oscilloscoop enz., gebruikt om de golfvorm van de impulsspanning nauwkeurig vast te leggen en te analyseren.

4. Standaardgolfvormen en technische vereisten

De standaard impulsspanningsgolfvormen voor isolatietests worden gespecificeerd in internationale en nationale normen voor hoog-spanningstesttechnieken:

• Blikseminpuls volledige golf: fronttijd T₁=1.2 μs (met toegestane afwijking van ±30%), tijd tot halve waarde T₂=50 μs (±20%).
• Schakelimpulsgolf: fronttijd Tcr=250 μs, tijd tot halve waarde T₂=2500 μs.
• Blikseminpuls gehakte golf: gehakt in het bereik van 2 tot 6 μs.
• Steile-frontgolf: extreem korte fronttijd, met een steilheid tot 1000 kV/μs of meer.

De productie en verificatie van impulsspanningsgeneratoren volgen voornamelijk de volgende normen:

• DL/T 848.5 – Algemene technische specificaties voor hoog-spanningstestapparatuur – Deel 5: Impulsspanningsgeneratoren (van toepassing op nominale spanningen van 300 kV tot 4800 kV en nominale energieën van 5 kJ tot 480 kJ).
• GB/T 16927.1/.2 – Serie hoog-testtechnieken voor hoge spanning.
• IEC 60060 – Normen van de Internationale Elektrotechnische Commissie voor testtechnieken op hoge- spanning.
• GB 311.1 – Isolatiecoördinatie voor hoog-transmissie- en transformatieapparatuur.

5. Toepassingsgebieden

Impulsspanningsgeneratoren worden veel gebruikt in de volgende gebieden:

1. Typetests en routinetests op stroomapparatuur – Transformatoren, instrumenttransformatoren, bussen, isolatoren, overspanningsafleiders, GIS en andere transmissie- en distributieapparatuur vereisen doorgaans bliksem- en schakelimpulsspanningstests. Deze omvatten volledige-golfimpulstests en gehakte-golfimpulstests, die worden gebruikt om de isolatiebestendigheid van apparatuur bij bliksem en schakeloverspanningen te verifiëren.
2. Isolatieonderzoek – Wordt gebruikt om de isolatieprestaties te bestuderen van elektrische apparatuur die wordt blootgesteld aan atmosferische overspanningen (bliksem) en schakeloverspanningen.
3. Testen van apparatuur voor hernieuwbare energie – Door de integratie van windenergie, fotovoltaïsche energie en andere hernieuwbare bronnen is voor een groot aantal step{0}}up-transformatoren en schakelapparatuur strenge impulsspanningstests vereist.
4. Wetenschappelijk onderzoek – Wordt ook op grote schaal toegepast op gebieden zoals onderzoek naar elektromagnetische compatibiliteit, onderzoek naar ontladingsmechanismen en gepulseerde energietechnologie.

6. Ontwikkelingstrends

Terwijl energiesystemen zich ontwikkelen naar ultra-hoge spanningen en grotere intelligentie, vertoont de industrie voor impulsspanningsgeneratoren de volgende trends:

1. Intelligentie en automatisering – Moderne impulsspanningsgeneratoren zijn over het algemeen uitgerust met op PLC-gebaseerde automatische besturingssystemen, die automatische parameteraanpassing, automatische triggering en automatische registratie en analyse van testgegevens mogelijk maken. De testsequentie kan via touchscreen-interfaces worden geprogrammeerd om een ​​grotendeels geautomatiseerde werking te bereiken. Sommige systemen zijn begonnen met het integreren van aanvullende diagnostische functies om potentiële testafwijkingen te identificeren en aan te geven.
2. Compactheid en volledig-solid--status – Nieuwe generatoren op basis van solid{2}}-schakelaars kunnen het volume en het gewicht aanzienlijk verminderen, de herhalingsfrequenties van ontladingen verbeteren en de golfvormflexibiliteit vergroten. Alle-solide-Marx-generatoren, die gebruik maken van elektrische apparaten in plaats van traditionele vonkbruggen, zijn een belangrijke ontwikkelingsrichting geworden.
3. Digitalisering en connectiviteit – Moderne generatoren maken gebruik van digitale recorders en zeer{0}}precieze acquisitiekaarten in plaats van traditionele licht-oscilloscopen, waardoor automatische golfvormanalyse en het genereren van rapporten mogelijk worden. Sommige apparaten kunnen via netwerkverbindingen communiceren met laboratoriuminformatiebeheersystemen voor gegevensuitwisseling.
4. Hoge precisie en hoge betrouwbaarheid – Door verbeterde sensortechnologie en signaalverwerkingsalgoritmen zijn de meetnauwkeurigheid en herhaalbaarheid voortdurend verbeterd. Momenteel kan de instabiliteit van de laadspanning van typische apparatuur binnen ±1% worden geregeld.
5. Multifunctionaliteit – Eén enkele generator kan verschillende standaard- en niet-standaardgolfvormen produceren, waaronder bliksemsnelle volledige golven, gehakte golven, schakelende golven, oscillerende golven en steile-frontgolven, om aan verschillende toepassingsscenario's te voldoen.

7. Conclusie

Als fundamenteel apparaat op het gebied van hoogspanningstests heeft het technische niveau van de impulsspanningsgenerator rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de verificatie van isolatieprestaties voor elektrische apparatuur. Van het traditionele Marx-circuit tot moderne all{2}}solide--topologieën, en van handmatige bediening tot intelligente automatische besturing: de technologie van impulsspanningsgeneratoren ondergaat een aanzienlijke transformatie. Met de voortdurende ontwikkeling van ultra-hoog- elektriciteitsnetwerken, de groei van installaties voor hernieuwbare energie en de vooruitgang van de digitale transformatie, blijven impulsspanningsgeneratoren een belangrijke rol spelen bij het garanderen van de veilige en betrouwbare werking van energiesystemen.