Лекция 10. Генераторы прямоугольных импульсов тока

Большое распространение в различных электрофизических установках высокого напряжения получили схемы, создающие прямоугольные импульсы тока типа рис.3.5. Импульсы такой формы применяют при магнитной штамповке, импульсном дроблении твердых материалов, упрочении поверхностей металлов и т.п. В электроэнергетике воздействию импульсов тока прямоугольной формы подвергаются вентильные разрядники и ОПН после срабатывания, когда через них происходит разрядка линий электропередач, к которым эти аппараты подключены. Существует большое количество различных схем получения импульсов тока, близких к прямоугольной форме, представленной на рис.3.5. Высокую крутизну фронта импульса, определяемую лишь характеристиками коммутатора можно получить при разряде двухпроводной линии электропередачи, коаксиального конденсатора (кабеля) или полосковой линии.

Одна из простейших схем получения прямоугольных импульсов тока (схема двухпроводной симметричной линии) представлена на рис.3.26.

Принцип работы установки двухпроводной линии состоит в следующем. Вначале происходит зарядка конденсаторов С от источников постоянного напряжения ± U ₀ через зарядные сопротивления R _з0 и сопротивления R. Потенциал в точке 1 становится равным + U ₀, а в точке 2 — - U ₀. В точках 3 и 4 потенциал равен нулю. При подаче поджигающего импульса шаровой разрядник пробивается, а потенциалы в точках 1 и 2 выравниваются и становятся равными нулю. Поскольку конденсаторы С заряжены до разности потенциалов ± U ₀, потенциал в точке 3 становится равным - U ₀, а в точке 4 — + U ₀. Двухпроводная линия фактически подключается к двойному напряжению U ₀. По линии начнет распространяться бегущая волна с амплитудой 2 U ₀, которая экспоненциально затухает с постоянной времени . Форма импульса в начале линии (меду точками 3 и 4) и в конце линии (меду точками 5 и 6) зависит от соотношения волнового сопротивления линии Z и сопротивления нагрузки линии R _н. При R _н >> Z («разомкнутая» линии) отражение от конца линии происходить без переворота импульса и напряжение удваивается. При R _н = Z (согласованная нагрузка) отражения от конца линии не происходит и вся энергия, запасённая в конденсаторах С выделяется на нагрузке. Волновое сопротивление линии составляет ~300 Ом, т.е. достаточно велико. К недостаткам такой простой схемы следует отнести возникновение высокочастотного колебательного процесса в контуре1-3-4-2 в момент срабатывания коммутатора, рассеивание энергии и возникающие при коммутации высокочастотные помехи. Кроме того, сама двухпроводная линия, подключенная к точкам 3 и 4, является нагрузкой для источника импульсного питания, состоящего из конденсаторов, ШР и сопротивлений R. Внутреннее сопротивление этого источника не равно волновому сопротивлению линии и в момент коммутации ШР возникают дополнительные искажения фронта сигнала.

Длительность импульса равна удвоенному времени пробега электромагнитных волн по линии. При скорости распространения импульса по линии (скорость света) с = 300 м/мкс и длине линии, например, 3 м длительность импульса составит величину ~20 нс.

Более хорошие результаты получаются при использовании в качестве накопителей коаксиальных конденсаторов или коаксиальных кабелей. Схема коаксиального генератора для получения прямоугольных импульсов представлена на рис.3.27 [3]. В этом случае в качестве накопительной ёмкости используется ёмкость коаксиального кабеля, который заряжается от источника постоянного напряжения через зарядное сопротивление.

Коммутатор, вариант конструктивного исполнения которого показан на рис.3.27, б, выполняется в металлическом корпусе. Волновое сопротивление коммутатора подбирается, выбором диаметра электродов 6 и корпуса 3, равным волновому сопротивлению кабеля, а металл корпуса препятствует излучению электромагнитных волн в окружающее пространство. Длительность импульса тока определяется, как и в двухпроводной линии, двойным временем пробега по кабелю и, обычно, составляет десятки наносекунд. Волновое сопротивление кабелей Z =30 ¸75 Ом, а в случаях специального исполнения кабелей ВН может быть уменьшено до 5 Ом. К недостаткам такой схемы можно отнести невысокое питающее напряжение, которое ограничено электрической прочностью изоляции кабеля. Оно редко превышает 100 кВ. Длительность импульса (Т _и, рис.3.5) можно определить по следующей формуле:

, (3.34)

где l - длина кабеля, и – его погонная индуктивность и ёмкость. Максимальное значение тока в согласованной нагрузке без учета потерь определяется: . (3.35)

Увеличить напряжение в импульсе можно при соединении кабелей или линий так, как показано на рис.3.28 и 3.29. Длина линий, как и в предыдущих случаях (рис.3.26 и 3.27) задаёт длительность импульса.

При зарядке полосковых линий рис.3.28 от источника постоянного напряжения U ₀ напряжение в точках 2, 4, 6 становится равным U ₀. Полосы 1, 3, 5, 7 заземлены и имеют потенциал равный нулю. Стрелками показаны напряженности поля между различными проводниками. Выходное напряжение схемы между точками 1 и 7 равно нулю. В начале каждой пары линий 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, стоят коммутаторы SF. При их одновременном срабатывании по каждой паре линий начинают распространяться импульсы напряжения. Поскольку каждая пара линий разомкнута, то отражение от разомкнутого конца происходит с тем же знаком, и векторы напряженностей переворачиваются.

Потенциал в конце линии 1 (U ₁) становится выше, чем в линии 2 (U ₂), U ₃ > U ₄ и U ₅ > U ₆. Напряженности поля между точками 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 остаются такими же, как и до коммутации, поскольку пары 1-2, 3-4 и 5-6 фактически в это время включены последовательно. Суммарное выходное напряжение между точками 1 и 7 становится равным 6 U ₀. В качестве коммутаторов обычно используются тригатроны и их индуктивность должна быть предельно низкой. Электромагнитной связью между линиями пренебрегают.

Такой же принцип параллельной зарядки различных пар линий и последовательного их включения при коммутации используется в спиральных генераторах рис.3.29. Реальные процессы в таких спиральных генераторах весьма сложны из-за сильной электромагнитной связи различных витков, а упрощенное представление можно получить по рис 3.29 и аналогии с полосковыми линиями. Следует отметить, что впервые процессы резкого возрастания выходного напряжения по сравнению с зарядным напряжением были обнаружены при пробоях нескольких секций высоковольтных конденсаторов.

Как вариант полосковой линии можно рассматривать схему рис.3.30, которая часто используется в различных физических экспериментах. В немецкой литературе эта схема известна под именем линии Блюмляйна.

Она состоит из двух линий с одинаковым волновым сопротивлением Z, одинаковой длины, т.е. с одинаковым временем пробега t. На конце одного из плеч линии ставится коммутатор. После зарядки линии от источника постоянного напряжения U ₀ через зарядное сопротивление R _з0 подается управляющий сигнал на коммутатор. Через время t после срабатывания коммутатора SF на сопротивлении нагрузки R _н формируется импульс с удвоенной амплитудой 2 U ₀ и длительностью 2t.

Подобный принцип получения прямоугольных импульсов тока с амплитудой до 400 кА и длительностью 50 нс используется в установке Томского политехнического университета «Темп». В качестве накопительных элементов для создания прямоугольных импульсов тока в установке используются коаксиальные конденсаторы с водной изоляцией между обкладками, а в качестве источника их зарядки применяется ГИН со стандартным полным грозовым импульсом 1,2/50 и амплитудой 350 кВ.

Приведённые в данном параграфе установки создают импульсы длительностью до сотни наносекунд. Получение более длительных импульсов связано с трудностями создания длинных кабельных линий. Вместе с тем, в реальных условиях эксплуатации энергосистемы при срабатывании РВ и ОПН на них разряжаются ЛЭП, длина которых может достигать сотен километров, а длительность импульса тока – нескольких миллисекунд. Для испытаний пропускной способности защитных аппаратов типа РВ, ОПН в лабораторных условиях на стойкость к таким импульсам тока часто применяются искусственные формирующие линии рис.3.31, которые также называют LC -генераторами. Сосредоточенными ёмкостями и индуктивностями моделируют соответствующие ёмкость и индуктивность ЛЭП, к которым должны подключаться ограничители перенапряжений. Для того, чтобы получить более близкую к реальной форму импульса тока, используется 8-10 звеньев ёмкостей и индуктивностей.

В такой схеме при L ₁ = L ₂ = L ₃ = L_{n -1} = L_n и С ₁ = С ₂ = С ₃ = С_{n -1} = С_n параметры импульса (рис.3.5) можно определить по формулам:

, , где , (3.36)

При согласованной нагрузке () по заданным параметрам импульса Т ₉₀ и при заданном числе ступеней n можно определить С и L:

, (3.37)

Форма импульса в симметричной схеме (3.36) и согласованной нагрузке в зависимости от числа звеньев n показана на рис.3.32.

По оси абсцисс отложено время в единицах периода колебаний при n = 1. Величины суммарной ёмкости схемы (С) и индуктивности (L) для всех n одинаковы. Схемы искусственных линий с одинаковыми параметрами по (3,37) обычно не удовлетворяют требованиям ГОСТ и МЭК по форме импульса. Расчеты параметров таких схем проводят численными методами на ЭВМ с учётом электромагнитной связи между звеньями и активного сопротивления катушек индуктивности. Обычно выбирают одинаковые ёмкости и подбором индуктивностей добиваются требуемой формы импульса.

Дата добавления: 2014-01-07