Generator napięcia impulsowego Jest to jedno z podstawowych urządzeń służących do badania wytrzymałości izolacji urządzeń wysokiego napięcia w warunkach nieustalonych. W przeciwieństwie do prób w stanie ustalonym (prądu przemiennego lub stałego), w próbach impulsowych odtwarzane są przejściowe stany podwyższone, wywołane uderzeniami pioruna, operacjami łączeniowymi i awariami instalacji elektrycznej. Zdarzenia te powodują duże obciążenia elektryczne w bardzo krótkim czasie i zazwyczaj ograniczają możliwości projektowe izolacji. Dlatego też próby impulsowe są wymaganym elementem kwalifikacji transformatorów, przepustów, kabli, rozdzielnic, ograniczników przepięć i innych urządzeń wysokiego napięcia.
W rzeczywistych laboratoriach generator napięcia impulsowego jest często porównywany z generatorem udarów wysokiego napięcia w testach odporności EMC. Chociaż oba systemy generują napięcia przejściowe, cele i charakter przebiegów są różne. Ocena izolacji koncentruje się na strumieniach, zachowaniu przebicia cenzury, rozwoju streamerów i zdolności wytrzymywania standardowych kształtów impulsów, a nie na odporności urządzeń. Mechanizm budowy generatorów impulsowych i zasada działania będą kluczowe dla uzyskania użytecznych danych na temat wytrzymałości izolacji.

Standardowe przebiegi impulsów i konfiguracja generatora

Badanie napięcia impulsowego opiera się na wykorzystaniu standardowych definicji przebiegów, które odzwierciedlają rzeczywistość w stanie nieustalonym. Najbardziej rozpowszechniony jest przebieg impulsu piorunowego, który charakteryzuje się stromym początkiem i dłuższym czasem zaniku, zwykle podawanym w mikrosekundach: 1.2 mikrosekundy do szczytu i 50 mikrosekund do połowy wartości. Przebiegi impulsów przełączających charakteryzują się dłuższym okresem narastania i zanikania, stosowanymi w urządzeniach ultrawysokiego napięcia, gdzie wyładowania atmosferyczne są porównywalne z incydentami przełączania.
Każdy z tych przebiegów jest generowany przez generator napięcia impulsowego, który ładuje baterię kondensatorów do określonego napięcia, a następnie rozładowuje ją do sieci rezystorów i pojemności, kształtującej przebieg. Układ ten reguluje przód i tył impulsu. Częstym powodem popularności konfiguracji generatorów Marxa było to, że umożliwiały one łatwe łączenie stosunkowo niskich napięć ładowania szeregowo podczas rozładowywania, co pozwalało na generowanie ekstremalnie wysokich napięć wyjściowych.
Podczas projektowania generatorów należy uwzględnić pojemność, indukcyjność i rezystancję rozproszoną, które zniekształcają przebieg. Te elementy pasożytnicze stają się silniejsze wraz ze wzrostem poziomu napięcia. Skrupulatny projekt fizyczny i dobór komponentów są zatem niezbędne, aby zapewnić dostarczany impuls o standardowej tolerancji. Jest to przeciwieństwo uniwersalnego generatora udarów wysokiego napięcia, który służy do testowania systemów impulsowych EMC. Systemy impulsowe EMC są optymalizowane pod kątem wierności przebiegu przy bardzo wysokim napięciu, a nie częstotliwości powtarzania czy automatyzacji.

Układ obwodów testowych i techniki pomiarowe

Określenie wytrzymałości izolacji nie polega jedynie na wygenerowaniu impulsu. Układ obwodów testowych determinuje rozkład naprężeń i identyfikuje awarię obwodu. Generator napięcia impulsowego jest podłączony do urządzeń wysokiego napięcia za pomocą przewodów pomiarowych, których zadaniem jest redukcja wyładowań koronowych i niezupełnych. Skuteczne odstępy i ekranowanie zapobiegają przebiciom na zewnątrz badanego obiektu, które mogłyby unieważnić wyniki.
Zazwyczaj mierzy się je za pomocą pojemnościowych lub rezystancyjnych dzielników napięcia w oscyloskopach wysokopasmowych. Dzielniki te powinny być skalibrowane i zaprojektowane pod kątem odpowiedzi impulsowej (aby zapewnić odtworzenie szybkiego frontu bez nadmiernego zatrzymywania lub tłumienia). Istniejące pomiary można również wykorzystać w przypadku identyfikacji inicjacji przebicia lub analizy zachowania wyładowania w przypadku przeskoku.
Uziemienie i uziemienie są ważne. Uziemienie lub obwód powrotny powinny również charakteryzować się niską impedancją i być ostre, aby zapobiec odbiciom, które zniekształcają kształt impulsu. Słabe uziemienie płaszczyzny uziemienia i połączeń wyrównawczych generuje koszty dla małych fabryk ze względu na błędy pomiarów związane z uziemieniem i nieodłączne ryzyko awarii bezpieczeństwa w laboratoriach testowych. W przeciwieństwie do testów przepięć EMC, gdzie do określenia warunków impedancji wykorzystuje się sieci sprzęgające, testowanie zależy od konfiguracji pola swobodnego i inteligentnej geometrii fizycznej.

Procedury testowe i ocena wytrzymałości izolacji

Procedury badań impulsowych są standaryzowane, aby można je było porównywać między laboratoriami. Przykładem sekwencji testowej jest zazwyczaj zastosowanie serii impulsów o rosnących poziomach napięcia, aż do osiągnięcia wymaganego napięcia testowego. Izolacja będzie koncentrować się wokół ustalonej liczby impulsów, zanim ulegnie przerwaniu. Wykorzystuje się zarówno impulsy o dodatniej, jak i ujemnej polaryzacji, ponieważ polaryzacja wpływa na rozwój i siłę impulsów.
Kryteria oceny przebicia wewnętrznego i zewnętrznego różnią się. W niektórych sytuacjach przebicie zewnętrzne w powietrzu lub na powierzchniach może być dopuszczalne, o ile nie spowoduje uszkodzenia urządzenia. Awaria następuje w wyniku wewnętrznego uszkodzenia izolacji stałej lub ciekłej. Sygnały akustyczne i analiza przebiegu fali, przydatne w badaniu wizualnym, pomagają w określeniu rodzaju zdarzenia.
Kondycjonowanie obserwuje się również w przypadku wielokrotnego użycia impulsów. Niektóre z nich stają się silniejsze po pierwszych impulsach w wyniku suszenia lub redystrybucji ładunku, podczas gdy inne ulegają stałemu pogorszeniu. Dokumentacja parametrów przebiegów i zachowania się przebić w całej sekwencji pozwala uzyskać wiedzę na temat jakości izolacji i spójności procesu produkcyjnego.

Wyzwania praktyczne i porównanie z generatorami udarowymi

Praca generatora napięcia impulsowego wiąże się z problemami praktycznymi, które różnią się od tych pojawiających się w przypadku generatora udarowego wysokiego napięcia w badaniach EMC. Systemy impulsowe charakteryzują się znacznie wyższym napięciem znamionowym, zazwyczaj niższą częstotliwością powtarzania oraz większymi marginesami bezpieczeństwa. Czas konfiguracji i wiedza operatora stanowią zatem istotny element.
Kontrola przebiegu jest trudniejsza, ponieważ przy setkach kilowoltów potrzebne są specjalne dzielniki i oscyloskopy. Zachowanie przebicia w powietrzu zależy od warunków środowiskowych, takich jak wilgotność, ciśnienie i temperatura, i powinno być rejestrowane. Zmienne te nie są tak istotne w testach przepięć EMC, gdzie napięcia są niższe, a urządzenia są zamknięte.
W związku z tą zmianą nastąpiło nakładanie się koncepcji. Generatory impulsów i przepięć opierają się na regulowanym wyładowaniu energii i kształtowaniu przebiegów. Systemy uzupełniające się o podobnej filozofii projektowania i koncepcji bezpieczeństwa są często dostarczane przez różnych dostawców sprzętu laboratoryjnego. Firmy takie jak LISUN przeprowadzać badania wysokiego napięcia i udarów, co może być pomocne w laboratorium zajmującym się oceną izolacji i EMC, bez naruszania wymagań.

Rysunek: Generator napięcia impulsowego

Koordynacja izolacji

Testy generatorów napięcia udarowego są bezpośrednio podstawą do podejmowania decyzji dotyczących koordynacji izolacji. Rezystancja zmierzona w laboratorium decyduje o doborze odstępów izolacyjnych i marginesów bezpieczeństwa systemów elektroenergetycznych. Wyniki testów są porównywane z szacowanymi wartościami przepięć w systemach, aby inżynierowie mogli zapewnić wystarczającą ochronę przy rozsądnych kosztach.
Wyniki należy uogólniać w sposób ścisły. Warunki panujące w laboratorium różnią się od warunków panujących w środowisku pracy, gdzie współistnieją procesy starzenia pod wpływem zanieczyszczeń i naprężeń mechanicznych. Badania impulsowe nie zastępują zatem, lecz uzupełniają długoterminowe badania starzenia i wyładowań niezupełnych. Metody te pozwalają uzyskać bardzo szeroki obraz działania izolacji w czasie.
Niezbędna jest dokumentacja i audytowalność. Parametry przebiegu fali. Raporty z testów zawierają dane o warunkach środowiskowych i zaobserwowanych zachowaniach. Takie dokumenty są pomocne w certyfikacji i stanowią standard, do którego można się odwołać w przypadku konieczności odnowienia lub modernizacji sprzętu.

Wniosek

Sposób użycia generator napięcia impulsowego Techniki te nadal stanowią podstawę pomiaru wytrzymałości izolacji w urządzeniach wysokiego napięcia. Odtworzenie zachowania dielektryka nieosiągalnego w testach stanu ustalonego, poprzez odtworzenie znormalizowanych naprężeń przejściowych, jest możliwe. Prawidłowa konfiguracja generatora, staranny pomiar i dyskretna interpretacja wyników gwarantują wyniki zgodne z rzeczywistą wydajnością izolacji. Chociaż systemy impulsowe są zasadniczo podobne do generatorów udarowych wysokiego napięcia, ich przeznaczeniem jest zapewnienie integralności dielektrycznej. Przy starannym wykonaniu wspierają one bezpieczną, niezawodną i ekonomiczną konstrukcję infrastruktury elektroenergetycznej wysokiego napięcia.