1. Úvod

Impulzný generátor napätia je vysokonapäťový{0} prístroj, ktorý vytvára pulzné tvary vĺn, ako sú bleskové impulzné napätia a spínacie impulzné napätia. Ide o základnú súčasť vybavenia vysokonapäťových{2}}testovacích laboratórií. Primárne sa používa na vykonávanie skúšok impulzného napätia na elektrických zariadeniach-vrátane plných vĺn bleskových impulzov, prerušovaných vĺn bleskových impulzov a spínacích impulzných vĺn-na overenie izolačného výkonu. Pred uvedením vysokonapäťového elektrického zariadenia v napájacích systémoch do prevádzky sa vo všeobecnosti vyžadujú testy impulzného napätia na posúdenie ich izolačného správania v podmienkach prepätia.

S neustálym zvyšovaním úrovne napätia v elektrizačnej sústave a rýchlym vývojom zariadení na výrobu obnoviteľnej energie sa význam generátorov impulzného napätia pri zabezpečovaní bezpečnej a spoľahlivej prevádzky elektrickej siete stal čoraz dôležitejším.

2. Princíp fungovania

Generátory impulzného napätia bežne využívajú Marxov obvod (navrhnutý Erwinom Ottom Marxom v roku 1924), ktorého základnou koncepciou je paralelné nabíjanie a sériové vybíjanie viacerých stupňov kondenzátora.

Základný pracovný proces je nasledovný: každý stupňový kondenzátor je zapojený paralelne cez nabíjacie odpory a nabíjaný na vopred nastavené napätie cez obvod usmerňovača. V tomto čase je ochranný odpor vo všeobecnosti asi desaťkrát väčší ako nabíjací odpor, čo jednak chráni usmerňovacie zariadenie a jednak zabezpečuje relatívne rovnomerné nabíjanie každého stupňového kondenzátora. Keď je zapaľovacie iskrisko prvého stupňa spustené impulzom zapaľovania, medziľahlé iskriská v zostávajúcich stupňoch sa postupne rozpadnú v dôsledku prepätia a ožiarenia iskrami. Po sfunkčnení všetkých iskier sú stupňové kondenzátory zapojené do série cez predné (vlnové-predné) odpory a vybíjajú sa do zaťažovacieho kondenzátora. Celková sériová kapacita sa zmení na C/n a celkové napätie na nV (kde n je počet stupňov). Keďže zaťažovacia kapacita je relatívne malá, nabíja sa rýchlo a potom sa vybíja spolu so stupňovými kondenzátormi cez koncové (vlnové-koncové) odpory. Týmto spôsobom sa na záťažovom kondenzátore generuje krátky -vysoko{10}}trvajúci impulzný tvar vlny napätia.

Impulzný priebeh napätia je možné upraviť zmenou hodnôt predného- a koncového-odporu; amplitúda je riadená nabíjacím napätím a polarita môže byť obrátená výmenou pripojení usmerňovača.

V posledných rokoch, s pokrokom vo výkonovej elektronike, sa celostavový Marxov generátor stal dôležitým smerom výskumu. Na rozdiel od bežných plynových-iskrových-prepínačov, všetky-polovodičové{6}}generátory používajú ako hlavné spínače polovodičové zariadenia, ako sú MOSFETy, usporiadané v modulárnej viacúrovňovej Marxovej topológii s presným riadením, ktoré zabezpečujú obvody FPGA. Takéto nové generátory môžu výrazne znížiť veľkosť a hmotnosť a zároveň zlepšiť rýchlosť opakovania výboja a flexibilitu tvaru vlny.

3. Zloženie systému

Kompletný testovací systém generátora impulzného napätia sa zvyčajne skladá z nasledujúcich komponentov:

Nabíjacie zariadenie– zahŕňa nabíjací transformátor, vysokonapäťový{0}}kremíkový usmerňovač, ochranný odpor, jednosmerný odporový delič napätia a automatické uzemňovacie zariadenie. Nabíjací transformátor zvyšuje napätie sieťovej frekvencie, ktoré sa potom usmerní na jednosmerný prúd, aby sa nabili kondenzátory.
Hlavné telo generátora– obsahuje viacnásobné impulzné kondenzátory, zapaľovacie iskriská, predné odpory, koncové odpory, nabíjacie odpory a izolačné podpery. Hlavné telo je konštruované vo vežovej alebo stĺpovej konštrukcii, pričom stupňové kondenzátory sú zapojené do série, aby sa dosiahlo vysoké výstupné napätie. V závislosti od použitia môže byť klasifikovaný ako vonkajší typ, vnútorný pevný typ alebo vnútorný pohyblivý typ.
Ovládacie zariadenie– moderné riadiace systémy sú zvyčajne sústredené okolo PLC (Programmable Logic Controller) s digitálnym systémom merania a riadenia. Umožňujú funkcie, ako je automatické riadenie nabíjania konštantným{1}}prúdom, monitorovanie napätia a prúdu, automatické{2}}nastavovanie vzdialenosti medzi iskrami, spúšťanie odpaľovania a nadprúdová/prepäťová ochrana.
Merací systém– pozostáva z tlmeného kapacitného deliča napätia, meracích káblov, digitálneho záznamníka alebo osciloskopu atď., ktoré sa používajú na presné zaznamenávanie a analýzu priebehu impulzného napätia.

4. Štandardné priebehy a technické požiadavky

Štandardné priebehy impulzného napätia na testovanie izolácie sú špecifikované v medzinárodných a národných normách pre vysokonapäťové testovacie techniky:

Plná vlna impulzu blesku: predný čas T₁=1.2 μs (s povolenou odchýlkou ±30 %), čas do polovičnej hodnoty T₂=50 μs (±20 %).
Spínacia impulzná vlna: predný čas Tcr=250 μs, čas na polovičnú hodnotu T₂=2500 μs.
Bleskový impulz sekaná vlna: sekaná v rozsahu 2 až 6 μs.
Strmá-predná vlna: extrémne krátky predný čas so strmosťou až 1 000 kV/μs alebo viac.

Výroba a overovanie generátorov impulzného napätia sa riadi predovšetkým nasledujúcimi normami:

DL/T 848.5 – Všeobecné technické špecifikácie pre vysokonapäťové testovacie zariadenia – Časť 5: Generátory impulzného napätia (platí pre menovité napätia od 300 kV do 4800 kV a menovité energie od 5 kJ do 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Séria vysokonapäťových testovacích techník.
IEC 60060 – Normy Medzinárodnej elektrotechnickej komisie pre vysokonapäťové testovacie techniky.
GB 311.1 – Koordinácia izolácie pre vysokonapäťové prenosové a transformačné zariadenia.

5. Oblasti použitia

Generátory impulzného napätia sa široko používajú v nasledujúcich oblastiach:

Typové skúšky a rutinné skúšky energetických zariadení – Transformátory, prístrojové transformátory, priechodky, izolátory, zvodiče prepätia, GIS a iné prenosové a distribučné zariadenia zvyčajne vyžadujú skúšky bleskového a spínacieho impulzného napätia. Patria sem testy odolnosti proti úplným-vĺnovým impulzom a testy so skráteným{2}}impulzom vĺn, ktoré sa používajú na overenie izolačnej odolnosti zariadení pri prepätí bleskom a spínaním.
Výskum izolácie – Používa sa na štúdium izolačného výkonu energetických zariadení vystavených atmosférickým prepätiam (blesk) a spínacím prepätiam.
Testovanie zariadení na výrobu energie z obnoviteľných zdrojov – Vďaka integrácii veternej energie, fotovoltaických a iných obnoviteľných zdrojov si veľký počet{0}}výkonnejších transformátorov a rozvádzačov vyžaduje prísne impulzné testy napätia.
Vedecký výskum – Široko používaný aj v oblastiach, ako je výskum elektromagnetickej kompatibility, štúdie vybíjacích mechanizmov a technológie pulzného napájania.

6. Vývojové trendy

Keďže energetické systémy smerujú k ultra{0}}vysokému napätiu a väčšej inteligencii, odvetvie generátorov impulzného napätia vykazuje nasledujúce trendy:

Inteligencia a automatizácia – Moderné generátory impulzného napätia sú vo všeobecnosti vybavené automatickými riadiacimi systémami založenými na PLC-, ktoré umožňujú automatické nastavenie parametrov, automatické spúšťanie a automatické zaznamenávanie a analýzu testovacích údajov. Testovacia sekvencia môže byť naprogramovaná pomocou dotykových obrazoviek, aby sa dosiahla do značnej miery automatizovaná prevádzka. Niektoré systémy začali integrovať pomocné diagnostické funkcie na identifikáciu a indikáciu potenciálnych odchýlok testu.
Kompaktnosť a všetky-polovodičové{1}}stavy – Nové generátory založené na polovodičových-prepínačoch môžu výrazne znížiť objem a hmotnosť, zlepšiť frekvenciu opakovania výboja a zvýšiť flexibilitu tvaru vlny. Všetky -pevné- generátory Marx, využívajúce výkonové elektronické zariadenia namiesto tradičných iskrísk, sa stali dôležitým smerom vývoja.
Digitalizácia a konektivita – Moderné generátory využívajú namiesto tradičných svetelných-osciloskopov so svetelným lúčom digitálne rekordéry a vysoko presné snímacie karty, čo umožňuje automatickú analýzu priebehu a generovanie správ. Niektoré zariadenia môžu byť prepojené s laboratórnymi informačnými systémami prostredníctvom sieťových pripojení na výmenu údajov.
Vysoká presnosť a vysoká spoľahlivosť – Vďaka vylepšenej technológii snímačov a algoritmom spracovania signálu sa presnosť a opakovateľnosť merania neustále zvyšuje. V súčasnosti možno nestabilitu nabíjacieho napätia typického zariadenia kontrolovať v rozmedzí ±1 %.
Multifunkčnosť – Jediný generátor dokáže produkovať rôzne štandardné a{0}}štandardné tvary vĺn, vrátane bleskových plných vĺn, skrátených vĺn, prepínacích vĺn, oscilujúcich vĺn a strmých{1}}predných vĺn, ktoré vyhovujú rôznym aplikačným scenárom.

7. Záver

Ako základné základné zariadenie v oblasti vysokonapäťového testovania{0}} technická úroveň generátora impulzného napätia priamo ovplyvňuje presnosť a spoľahlivosť overenia izolačného výkonu pre energetické zariadenia. Technológia generátora impulzného napätia prechádza výraznou transformáciou, od tradičného Marxovho obvodu až po moderné celo-pevné{3}}topológie a od manuálnej prevádzky po inteligentné automatické riadenie. S neustálym vývojom ultra{5}}vysoko{6}}elektrických sietí, rastom zariadení na výrobu obnoviteľnej energie a pokrokom v digitálnej transformácii zohrávajú generátory impulzného napätia naďalej dôležitú úlohu pri zabezpečovaní bezpečnej a spoľahlivej prevádzky energetických systémov.