1. Εισαγωγή

Μια γεννήτρια παλμικής τάσης είναι μια συσκευή υψηλής-τάσης που παράγει παλμικές κυματομορφές, όπως τάσεις παλμών κεραυνού και τάσεις παλμών μεταγωγής. Είναι ένα θεμελιώδες κομμάτι του εξοπλισμού σε εργαστήρια δοκιμών υψηλής-τάσης. Η κύρια χρήση του είναι η εκτέλεση δοκιμών παλμικής τάσης σε εξοπλισμό ηλεκτρικής ενέργειας-συμπεριλαμβανομένων των πλήρους κυμάτων κεραυνικής ώθησης, των κομμένων κυμάτων παλμών κεραυνού και των κυμάτων παλμών μεταγωγής-για την επαλήθευση της απόδοσης της μόνωσης. Προτού τεθεί σε λειτουργία ο ηλεκτρικός εξοπλισμός υψηλής τάσης σε συστήματα ισχύος, απαιτούνται γενικά δοκιμές παλμικής τάσης για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς μόνωσής του υπό συνθήκες υπέρτασης.

Με τη συνεχή αύξηση των επιπέδων τάσης του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και την ταχεία ανάπτυξη εξοπλισμού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η σημασία των γεννητριών παλμικής τάσης για τη διασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας έχει γίνει πιο εμφανής.

2. Αρχή λειτουργίας

Οι γεννήτριες παλμικής τάσης χρησιμοποιούν συνήθως το κύκλωμα Marx (που προτάθηκε από τον Erwin Otto Marx το 1924), η βασική ιδέα του οποίου είναι η παράλληλη φόρτιση και η σειριακή εκφόρτιση πολλαπλών σταδίων πυκνωτών.

Η βασική διαδικασία λειτουργίας είναι η εξής: κάθε πυκνωτής σταδίου συνδέεται παράλληλα μέσω αντιστάσεων φόρτισης και φορτίζεται σε μια προκαθορισμένη τάση μέσω ενός κυκλώματος ανορθωτή. Αυτή τη στιγμή, η προστατευτική αντίσταση είναι γενικά περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από την αντίσταση φόρτισης, η οποία προστατεύει τον εξοπλισμό ανορθωτή και εξασφαλίζει σχετικά ομοιόμορφη φόρτιση κάθε πυκνωτή σταδίου. Όταν το διάκενο σπινθήρα πυροδότησης του πρώτου-σταδίου ενεργοποιείται από έναν παλμό ανάφλεξης, τα ενδιάμεσα κενά σπινθήρα στα υπόλοιπα στάδια διαδοχικά καταρρέουν λόγω υπέρτασης και ακτινοβολίας σπινθήρα. Αφού λειτουργήσουν όλα τα κενά σπινθήρα, οι πυκνωτές της βαθμίδας συνδέονται σε σειρά μέσω των μπροστινών (μπροστινών-μπροστινών) αντιστάσεων και εκκενώνονται στον πυκνωτή φορτίου. Η συνολική χωρητικότητα σειράς γίνεται C/n και η συνολική τάση γίνεται nV (όπου n είναι ο αριθμός των σταδίων). Επειδή η χωρητικότητα φορτίου είναι σχετικά μικρή, φορτίζει γρήγορα και στη συνέχεια εκφορτίζεται μαζί με τους πυκνωτές της βαθμίδας μέσω των αντιστάσεων ουράς (ουράς κύματος-). Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργείται μια κυματομορφή παλμού μικρής-υψηλής διάρκειας-τάσης κατά μήκος του πυκνωτή φορτίου.

Η κυματομορφή της παλμικής τάσης μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας τις τιμές των μπροστινών- και των ουραίων αντιστάσεων-. το πλάτος ελέγχεται από την τάση φόρτισης και η πολικότητα μπορεί να αντιστραφεί με την εναλλαγή των συνδέσεων στοίβας ανορθωτή.

Τα τελευταία χρόνια, με τις προόδους στα ηλεκτρονικά ισχύος, η πλήρης-στερεά-γεννήτρια κατάστασης Marx έχει γίνει μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς διακόπτες-σπινθήρα-κενού αερίου, όλες οι γεννήτριες-στερεάς- κατάστασης χρησιμοποιούν συσκευές ημιαγωγών όπως MOSFET ως κύριους διακόπτες, διατεταγμένες σε μια αρθρωτή πολυεπίπεδη τοπολογία Marx με ακριβή έλεγχο που παρέχεται από FPGA. Τέτοιες νέες γεννήτριες μπορούν να μειώσουν σημαντικά το μέγεθος και το βάρος βελτιώνοντας παράλληλα τους ρυθμούς επανάληψης εκφόρτισης και την ευελιξία της κυματομορφής.

3. Σύνθεση Συστήματος

Ένα πλήρες σύστημα δοκιμής γεννήτριας παλμικής τάσης αποτελείται συνήθως από τα ακόλουθα στοιχεία:

Συσκευή φόρτισης– περιλαμβάνει τον μετασχηματιστή φόρτισης,-ανορθωτή πυριτίου υψηλής τάσης, προστατευτική αντίσταση, διαχωριστή τάσης με αντίσταση DC και συσκευή αυτόματης γείωσης. Ο μετασχηματιστής φόρτισης αυξάνει την τάση συχνότητας δικτύου, η οποία στη συνέχεια διορθώνεται σε συνεχές ρεύμα για να φορτίσει τους πυκνωτές σταδίου.
Κύριο σώμα γεννήτριας– περιλαμβάνει πολλαπλούς παλμικούς πυκνωτές, κενά σπινθήρα πυροδότησης, μπροστινές αντιστάσεις, αντιστάσεις ουράς, αντιστάσεις φόρτισης και μονωτικά στηρίγματα. Το κύριο σώμα είναι κατασκευασμένο σε δομή πύργου ή στήλης, με τους πυκνωτές σκηνής συνδεδεμένους σε σειρά για την επίτευξη υψηλής τάσης εξόδου. Ανάλογα με τη χρήση, μπορεί να ταξινομηθεί ως εξωτερικός τύπος, σταθερός τύπος εσωτερικού χώρου ή κινητός τύπος εσωτερικού χώρου.
Εξοπλισμός ελέγχου– Τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου συνήθως επικεντρώνονται γύρω από ένα PLC (Programmable Logic Controller) με ψηφιακό σύστημα μέτρησης και ελέγχου. Επιτρέπουν λειτουργίες όπως αυτόματο σταθερό-έλεγχο φόρτισης ρεύματος, παρακολούθηση τάσης και ρεύματος, αυτόματη ρύθμιση απόστασης με σπινθήρα{2}}, ενεργοποίηση πυροδότησης και προστασία από υπερένταση/ υπέρταση.
Σύστημα μέτρησης– αποτελείται από αποσβεσμένο χωρητικό διαιρέτη τάσης, καλώδια μέτρησης, ψηφιακό καταγραφικό ή παλμογράφο κ.λπ., που χρησιμοποιούνται για την ακριβή καταγραφή και ανάλυση της κυματομορφής της παλμικής τάσης.

4. Τυπικές κυματομορφές και τεχνικές απαιτήσεις

Οι τυπικές κυματομορφές παλμικής τάσης για δοκιμές μόνωσης καθορίζονται στα διεθνή και εθνικά πρότυπα για τεχνικές δοκιμών υψηλής{0} τάσης:

Πλήρες κύμα παλμού κεραυνού: μετωπικός χρόνος T1=1.2 μs (με επιτρεπόμενη απόκλιση ±30%), χρόνος έως τη μισή τιμή T2=50 μs (±20%).
Εναλλαγή παλμικού κύματος: μετωπικός χρόνος Tcr=250 μs, χρόνος στη μισή τιμή T2=2500 μs.
Τεμαχισμένο κύμα κεραυνικής ώθησης: τεμαχισμένο στην περιοχή από 2 έως 6 μs.
Απότομο-μπροστινό κύμα: εξαιρετικά σύντομος χρόνος εμπρός, με κλίση έως 1000 kV/μs ή περισσότερο.

Η κατασκευή και η επαλήθευση των γεννητριών παλμικής τάσης ακολουθεί κατά κύριο λόγο τα ακόλουθα πρότυπα:

DL/T 848.5 – Γενικές τεχνικές προδιαγραφές για συσκευές δοκιμής υψηλής{{1} τάσης – Μέρος 5: Γεννήτριες παλμικής τάσης (ισχύει για ονομαστικές τάσεις από 300 kV έως 4800 kV και ονομαστικές ενέργειες από 5 kJ έως 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Σειρά τεχνικών δοκιμής υψηλής-τάσης.
IEC 60060 – Πρότυπα της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής για τεχνικές δοκιμών υψηλής{1} τάσης.
GB 311.1 – Συντονισμός μόνωσης για εξοπλισμό μετάδοσης και μετατροπής υψηλής τάσης.

5. Περιοχές Εφαρμογής

Οι γεννήτριες παλμικής τάσης χρησιμοποιούνται ευρέως στους ακόλουθους τομείς:

Δοκιμές τύπου και συνήθεις δοκιμές σε εξοπλισμό ισχύος – Μετασχηματιστές, μετασχηματιστές οργάνων, δακτύλιοι, μονωτές, απαγωγείς υπερτάσεων, GIS και άλλος εξοπλισμός μετάδοσης και διανομής απαιτούν συνήθως δοκιμές κεραυνικής τάσης και παλμικής τάσης μεταγωγής. Αυτές περιλαμβάνουν δοκιμές πλήρους-αντοχής σε παλμούς κυμάτων και δοκιμές κομμένων-παλμών κυμάτων, που χρησιμοποιούνται για την επαλήθευση της ικανότητας αντοχής στη μόνωση του εξοπλισμού σε υπερτάσεις κεραυνών και μεταγωγής.
Έρευνα μόνωσης – Χρησιμοποιείται για τη μελέτη της απόδοσης μόνωσης εξοπλισμού ισχύος που υπόκειται σε ατμοσφαιρικές υπερτάσεις (κεραυνοί) και υπερτάσεις μεταγωγής.
Δοκιμές εξοπλισμού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας – Με την ενσωμάτωση της αιολικής ενέργειας, των φωτοβολταϊκών και άλλων ανανεώσιμων πηγών, ένας μεγάλος αριθμός μετασχηματιστών και ηλεκτρικών συσκευών διακοπής απαιτούν αυστηρές δοκιμές παλμικής τάσης.
Επιστημονική έρευνα – Εφαρμόζεται επίσης ευρέως σε τομείς όπως η έρευνα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, οι μελέτες μηχανισμών εκφόρτισης και η τεχνολογία παλμικής ισχύος.

6. Αναπτυξιακές Τάσεις

Καθώς τα συστήματα ισχύος κινούνται προς υπερ-υψηλές τάσεις και μεγαλύτερη ευφυΐα, ο κλάδος των γεννητριών παλμικής τάσης παρουσιάζει τις ακόλουθες τάσεις:

Ευφυΐα και αυτοματισμός – Οι σύγχρονες γεννήτριες παλμικής τάσης είναι γενικά εξοπλισμένες με συστήματα αυτόματου ελέγχου που βασίζονται-με PLC, τα οποία επιτρέπουν την αυτόματη ρύθμιση παραμέτρων, την αυτόματη ενεργοποίηση και την αυτόματη εγγραφή και ανάλυση δεδομένων δοκιμής. Η ακολουθία δοκιμών μπορεί να προγραμματιστεί μέσω διασυνδέσεων οθόνης αφής για να επιτευχθεί μια σε μεγάλο βαθμό αυτοματοποιημένη λειτουργία. Ορισμένα συστήματα έχουν αρχίσει να ενσωματώνουν βοηθητικές διαγνωστικές λειτουργίες για τον εντοπισμό και την ένδειξη πιθανών αποκλίσεων δοκιμής.
Συμπαγότητα και όλη-στερεά-κατάσταση – Οι νέες γεννήτριες που βασίζονται σε διακόπτες στερεάς-κατάστασης μπορούν να μειώσουν σημαντικά τον όγκο και το βάρος, να βελτιώσουν τους ρυθμούς επανάληψης εκφόρτισης και να αυξήσουν την ευελιξία της κυματομορφής. Όλες οι-συμπαγής-γεννήτριες Marx, που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος αντί για παραδοσιακά κενά σπινθήρα, έχουν γίνει μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης.
Ψηφιοποίηση και συνδεσιμότητα – Οι σύγχρονες γεννήτριες χρησιμοποιούν ψηφιακές συσκευές εγγραφής και κάρτες απόκτησης υψηλής ακρίβειας αντί για παραδοσιακούς παλμογράφους φωτός-δέσμης, που επιτρέπουν την αυτόματη ανάλυση κυματομορφής και τη δημιουργία αναφορών. Ορισμένες συσκευές μπορούν να διασυνδέονται με συστήματα διαχείρισης εργαστηριακών πληροφοριών μέσω συνδέσεων δικτύου για ανταλλαγή δεδομένων.
Υψηλή ακρίβεια και υψηλή αξιοπιστία – Μέσω βελτιωμένης τεχνολογίας αισθητήρων και αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος, η ακρίβεια μέτρησης και η επαναληψιμότητα βελτιώνονται συνεχώς. Επί του παρόντος, η αστάθεια της τάσης φόρτισης του τυπικού εξοπλισμού μπορεί να ελεγχθεί εντός ±1%.
Πολυλειτουργικότητα – Μια μεμονωμένη γεννήτρια μπορεί να παράγει διάφορες τυπικές και μη τυπικές κυματομορφές, όπως αστραπιαία πλήρη κύματα, κομμένα κύματα, κύματα μεταγωγής, ταλαντευόμενα κύματα και απότομα-μπροστινά κύματα, για να ταιριάζουν σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.

7. Συμπέρασμα

Ως βασική θεμελιώδης συσκευή στο πεδίο δοκιμών υψηλής-τάσης, το τεχνικό επίπεδο της γεννήτριας παλμικής τάσης επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια και την αξιοπιστία της επαλήθευσης απόδοσης μόνωσης για εξοπλισμό ισχύος. Από το παραδοσιακό κύκλωμα Μαρξ έως τις σύγχρονες τοπολογίες-στερεάς-κατάστασης και από τη χειροκίνητη λειτουργία έως τον ευφυή αυτόματο έλεγχο, η τεχνολογία γεννήτριας τάσης παλμών υφίσταται σημαντικό μετασχηματισμό. Με τη συνεχιζόμενη ανάπτυξη δικτύων ισχύος υπερ-υψηλής-τάσης, την ανάπτυξη των εγκαταστάσεων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την πρόοδο του ψηφιακού μετασχηματισμού, οι γεννήτριες παλμικής τάσης συνεχίζουν να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας των συστημάτων ισχύος.