УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ ИСПЫТАНИЯ
DEVICE FOR COMPONENTS OF HIGH-VOLTAGE PULSE TESTING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к устройству для компонентов высоковольтной импульсной системы испытания, предпочтительно к контролю качества мощных трансформаторов.
Испытание высоким напряжением имеет целью моделирование переходных перенапряжений в сетях трехфазного тока посредством искусственно сформированных импульсных ударов. При этом классическим образом различают внешние напряжения, вызываемые, например, ударами молнии, и внутренние коммутационные перенапряжения, возникающие вследствие коммутационных процессов в сети. Множество явлений перенапряжения с целью испытаний сводится к стандартным напряжениям молний и к коммутационным импульсным напряжениям. Для этих испытательных напряжений определяются параметры, описывающие увеличение напряжения, пиковое значение и возврат в рамках определенных допусков. При ограниченном импульсном напряжении, которое должно моделировать действие очень быстрых изменений напряжения, в качестве дополнительного параметра добавляют ограничительное время. Требования, формы напряжения, а также определение их параметров установлены в ICE 60060-1. В зависимости от типового проводимого испытания высоковольтная импульсная система испытания содержит для этого генератор импульсов и вспомогательные компоненты, как, например, ограничительный разрядный промежуток, делитель напряжения и компенсатор перенапряжений.
Для формирования необходимых импульсных ударных напряжений на рынке с годами утвердились схемы умножения Маркса, называемые также генераторами Маркса. Тип коммутации, разработанный одноименным изобретателем в 1923 г. и запатентованный им под номером DE 455 933, состоит из нескольких ступеней коммутации, причем каждая из ступеней содержит последовательно включенные импульсную емкость и коммутационный орган, в частности коммутационный разрядник, и параллельно подключенное к импульсной емкости и к коммутационному органу сопротивление, а также сопротивление, включенное последовательно с ними. При этом две последовательно включенные ступени соединены друг с другом таким образом, что они заряжаются при параллельном подключении, а разряжаются при последовательном подключении.
Импульсные конденсаторы заряжаются постоянным напряжением заряжания. При этом подключенные зарядные сопротивления ограничивают не только зарядный ток, но и допускают также кратковременное последовательное соединение конденсаторов с помощью разрядных промежутков. Разрядные расстояния разрядных промежутков выбраны таким образом, чтобы они при достижении максимального напряжения заряда как раз еще не пробивались.
После того как все импульсные конденсаторы заряжены до своего квазистационарного конечного значения напряжения, происходит поджигание низшего разрядного промежутка, который после этого пробивается. Затем в последующем разрядном промежутке напряжение разряда удваивается, так что он поджигается с гарантией. Независимо от числа ступеней процесс разряда в результате суммирования напряжений заряда ранее подожженных ступеней продолжается до последней ступени.
Таким образом, формируются импульсы ударного напряжения очень малой длительности и, вместе с тем, с большой амплитудой, пригодные, в частности, для целей испытания и экспериментов в высоковольтной технике, а также для определения коордирования изоляции и помехоустойчивости при электромагнитной совместимости.
Кроме того, например, из DE 196 39 023 известно увеличение предельной емкости нагрузки только что описанного генератора Маркса с помощью коммутационной приставки, для чего напряжение на нагрузочной емкости, т.е. на испытуемом образце, во время перенапряжения уменьшается, а после прекращения перенапряжения снова поднимается. Таким образом, коммутационная приставка, называемая также последовательным компенсатором перенапряжений, не устраняет причину перенапряжений, а компенсирует перенапряжения на нагрузочной емкости, т.е., в частности, на испытуемом образце. Компенсатор перенапряжений содержит компенсирующую емкость и по меньшей мере одно параллельно подключенное к ней сопротивления разряда или один разрядный промежуток, причем коммутационная приставка включается в схемы умножения Маркса последовательно с испытуемым объектом. Наряду с компенсатором перенапряжений, включенным последовательно с испытуемым объектом, известно его параллельное подключение к испытуемому образцу. В отличие от только что описанной конструкции при таком выполнении компенсатора перенапряжений компенсирующая емкость и по меньшей мере одно сопротивление разряда или один разрядный промежуток включены последовательно.
Кроме того, для моделирования эксплуатационной нагрузки от перенапряжения и для определения прочности изоляции высоковольтных конструктивных элементов на пробой необходимо также, как уже было упомянуто выше, подать на испытуемые объекты ограниченное напряжение ударного импульса. Для успешного прохождения такого стандартного испытания необходимо, чтобы приложенное напряжение прерывалось в рамках допуска желательного времени, истекшего с начала волны напряжения, порядка нескольких микросекунд. Технически это реализуется посредством ограничительных разрядных промежутков, уже давно известных из уровня техники, например, из DD 143 130.
Кроме того, в системе испытания импульсным сигналом высокого напряжения к последней ступени схемы умножения Маркса наряду с испытуемым объектом подсоединяется также импульсный делитель напряжения с пониженной емкостью, который уменьшает импульсное напряжение дуги, появляющееся при разряде ступеней, до значений, которые могут обрабатываться измерительными и записывающими устройствами.
Все эти смонтированные компоненты высоковольтной импульсной системы испытания имеют значительную пространственную протяженность и должны устанавливаться на испытательном участке с заданными минимальными интервалами, зависящими от уровня напряжения. Кроме того, определенные минимальные напряжения, зависящие от напряжения, должны также выдерживаться между элементами, находящимися под напряжением, и ограничением испытательного участка. Таким образом, потребность в наличии места для всей высоковольтной импульсной системы испытания является значительной. Кроме того, у многих изготовителей трансформаторов для замены испытуемого объекта необходимо двигать всю высоковольтную импульсную систему испытания. В этом случае генератор Маркса и три других вспомогательных компонента необходимо двигать по павильону для испытаний по отдельности и снова монтировать и оборудовать высоковольтную импульсную систему испытания заново. Этот процесс является трудоемким и сложным при использовании.
Задача настоящего изобретения заключается в сокращении пространственной протяженности вспомогательных компонентов, зависящих от напряжения, в частности ограничительного разрядного промежутка, компенсатора перенапряжений и делителя напряжения и тем самым в уменьшении потребности в наличии места для всей высоковольтной импульсной системы испытания с тем, чтобы павильон для испытаний можно было эксплуатировать более эффективно. Кроме того, задачей изобретения является сокращение количества реализуемых гальванических соединений и тем самым экономия времени потребителя при сооружении им высоковольтной импульсной системы испытания.
Эта задача решается с помощью устройства для компонентов высоковольтной импульсной системы испытания с признаками первого пункта формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся, в частности, к предпочтительным усовершенствованным вариантам изобретения.
Общая идея изобретения заключается в замене до настоящего времени отдельных основных рам и соответствующих головных электродов отдельных вспомогательных компонентов общей основной рамой с общим для всех вспомогательных компонентов головным электродом. Кроме того, в качестве области подсоединения для всех вспомогательных компонентов должна служить общая точка гальванических соединений. Поскольку области подсоединения вспомогательных компонентов объединены в одной общей точке соединения, они имеют в этой области во время проводимого испытания одинаковый уровень напряжения. Поэтому для эксплуатации высоковольтной импульсной системы испытания теперь необходимо только одно соединение с генератором и одно с испытуемым объектом. Кроме того, благодаря конструктивному объединению вспомогательных компонентов в одной общей основной раме потребитель впервые получает возможность удовлетворить многолетнее требование высоковольтной импульсной системы испытания в отношении малой потребности в наличии места, простой транспортировки и тем самым в отношении связанного с этим сокращения времени для монтажа. Большая протяженность высоковольтной импульсной системы испытания по площади до сих пор объяснялась большими и зависящими от напряжения заданными интервалами между отдельными головными электродами соответствующих вспомогательных компонентов. Однако для замены этих нескольких отдельных головных электродов одним единственным электродом на основной раме и, кроме того, для пространственного объединения вспомогательных компонентов в одной основной раме потребовалось решение с помощью следующих технических проблем.
В результате пространственной совместной компоновки вспомогательных компонентов появляются дополнительные паразитные емкости, оказывающие негативное воздействие на точность делителя напряжения. При этом делитель напряжения должен настраиваться таким образом, чтобы проводимые измерения, несмотря на наличие больших паразитных емкостей, отличались высокой точностью. Это согласно изобретению, с одной стороны, достигается определенным пространственным расположением вспомогательных компонентов, так чтобы паразитное емкостное воздействие становилось незначительным, с другой стороны, строгим определением емкостей внутри используемых вспомогательных компонентов, так чтобы результирующая общая емкость допускала точное измерение, и, кроме того, правильным выбором емкости и сопротивления делителя напряжения. Однако из-за отсутствия линейных зависимостей между вышеупомянутыми возможностями регулирования в литературе для определения параметров имеются лишь приближенные модели, что ведет к тому, что величину паразитных емкостей приходится оценивать с помощью моделирования. Это моделирование верифицируется в последующих опытных разработках; следовательно, все это - итеративный процесс.
Кроме того, для эффективного противодействия возникновению пробоев напряжения возникающие электромагнитные поля следует рассеивать путем соответствующей совместной компоновки вспомогательных компонентов. В частности, поджигание ограничительного разрядного промежутка связано со сложным переходным процессом. При этом ограничительный разрядный промежуток в течение короткого времени имеет нулевой потенциал, в то время как остальные вспомогательные компоненты за счет своих собственных емкостей еще находятся под большими напряжениями. Поэтому регулирование поля должно оптимизироваться настолько, чтобы предотвратить пробой напряжения между делителем напряжения и ограничительным разрядным промежутком или компенсатором перенапряжений и ограничительным разрядным промежутком, для чего необходим всеоблемлющий расчет поля. Однако поскольку с помощью большинства программ расчета поля расчету поддается только стационарный, а не переходный случай сильно изменяющихся полей, то и здесь необходим итеративный процесс между моделированием и конструктивной реализацией. При этом предпочтительным оказалось взаимное электрическое экранирование компенсатора перенапряжений и делителя напряжения посредством дополнительных тороидов.
Правда, из фирменного издания 3.62/4 заявителя впервые стала известна интеграция ограничительного разрядного промежутка с делителем напряжения для кратковременных коммутирующих ударных импульсов, но только в этом устройстве оба вспомогательных компонента не могут быть использованы, как в настоящем изобретении, синхронно. Ограничительные разрядные промежутки, известные из уровня техники, обычно имеют, среди прочего, столбик, состоящий из комбинации сопротивлений и емкостей и, таким образом, те же конструктивные элементы, что и делители напряжения с пониженной емкостью. Если разрядный промежуток не подожжен, вполне возможно придать ограничительному разрядному промежутку функцию делителя напряжения. Однако при заключении от противного это означает также, что если волна напряжения ограничена, т.е. разрядный промежуток поджигается, при испытании должен присутствовать дополнительный делитель напряжения. Решения пространственного объединения вспомогательных компонентов в этом фирменном издании не предлагается.
Кроме того, в рамках изобретения вполне возможно пространственно объединить в общей основной раме лишь два из трех возможных вспомогательных компонентов, поскольку, например, использование компенсатора перенапряжений не рассматривается как функционально необходимое, а целесообразно лишь как повышение качества генерируемого кратковременного ударного напряжения. Возможна и иная комбинация вспомогательных компонентов.
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, на которых
фиг. 1 изображает схематично устройство для компонентов высоковольтной импульсной системы испытания согласно изобретению,
фиг. 2а и 2b изображают предпочтительный вариант выполнения устройства для компонентов высоковольтной импульсной системы испытания согласно изобретению.
На фиг. 1 изображена основная рама 1 согласно изобретению для установки вспомогательных компонентов, как-то: ограничительный разрядный промежуток 2, делитель 3 напряжения или компенсатор 4 перенапряжений. Вспомогательные компоненты на фиг. 1 из соображений наглядности изображены лишь схематично. При этом основная рама для надежной установки имеет, например, треугольную донную область из соединенных друг с другом стальных трубок 5, 6 и 7. Ограничительный разрядный промежуток 2, делитель напряжения 3 и компенсатор 4 перенапряжений установлены по соответствующим углам основной рамы 1 и имеют с ней проводящее соединение. Кроме того, верхние концы соответствующих вспомогательных компонентов механически зафиксированы посредством электропроводящих поперечин 8, 9 и 10. В свою очередь с поперечинами 8, 9 и 10 соединен головной электрод 11, который может быть выполнен, например, в виде тороида. Проводящие поперечины 8, 9 и 10 тем самым выполняют задачу как по механическому удержанию головного электрода 11, так и по выравниванию потенциалов вспомогательных компонентов и головного электрода 11. Головной электрод 11 в изображенном примере выполнения рассчитан таким образом, чтобы наружная окружность перекрывала вспомогательные компоненты, установленные по соответствующим углам. Правда, этот расчет может варьироваться в зависимости от соответствующего случая применения, расстояния до стены или потолка испытательного помещения и поэтому рассчитываться лишь для примера. В рамках изобретения вполне возможно закреплять в соответствующих углах треугольной донной области два из трех возможных вспомогательных компонентов или, с другой стороны, модифицировать конструкцию основной рамы 1 согласно изобретению в расчете только на два приемных приспособления для вспомогательных компонентов. Кроме того, вспомогательные компоненты гальванически соединены между собой с помощью общей точки соединения в области проводящих поперечин 8, 9 и 10 и таким образом имеют в этой области одинаковый потенциал.
На фиг. 2а и 2b изображен предпочтительный вариант выполнения изобретения, при котором донная область основной рамы 1 в отличие от фиг. 1 выполнена не треугольной, а вытянутой, т.е. линейной. Дополнительные консоли 12, 13 и 14, закрепленные по бокам основной рамы 1, обеспечивают надежную установку модифицированной конструкции рамы. К этому варианту выполнения относится также то, что она вполне может быть выполнена с приемными приспособлениями только для двух вспомогательных компонентов.
Таким образом, к общей изобретательской идее этой заявки следует отнести все варианты выполнения основной рамы, которые позволяют заменить до настоящего времени отдельные основные рамы и соответствующие головные электроды отдельных вспомогательных компонентов общей основной рамой и общим для всех вспомогательных компонентов головным электродом.