Разработка генератора импульсных напряжений (ГИН) для испытания изоляции трансформатора напряжения

Оглавление Введение

1. Разработка технических требований.

2. Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции.

3. Электрический расчёт схемы генератора импульсов напряжения.

3.1. Расчёт разрядного контура генератора.

3.2 Расчет схемы зарядки установки, выбор зарядного устройства

4. Разработка и выбор конструкции элементов генератора

4.1 Расчет зарядных и защитных сопротивлений

4.2 Расчет разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений

4.3 Расчет коммутаторов импульсной испытательной установки

4.4 Расчёт измерительной схемы

4.5 Разработка схемы управления установкой Заключение Список литературы

Импульсные испытательные установки высокого напряжения являются неотъемлемой частью высоковольтных лабораторий и испытательных центров и предназначены для испытания изоляции электрооборудования грозовыми импульсами напряжения и защитных аппаратов грозовыми импульсами тока.

В состав курсового проекта входят следующие разделы:

1. Разработка технических требований к генератору.

2. Выбор схемы генератора и общей компоновки конструкции.

3. Электрический расчёт схемы импульсной испытательной установки.

4. Разработка конструкции элементов установки.

5. Выбор габаритов установки и размещение элементов.

6. Расчёт измерительной системы.

7. Разработка схемы управления установкой.

1. Разработка технических требований

Основной исходной информацией для проектирования импульсной испытательной установки является форма и амплитуда импульсов высокого напряжения, которые регламентируются ГОСТ 1516.2−97 для соответствующего типа электрооборудования.

Испытание изоляции проводятся полными и срезанными импульсами напряжения для которых основными параметрами является амплитуда, длительность фронта, и длительность импульса, амплитуда среза и временем среза (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 — Импульс напряжения.

Важной характеристикой для проектирования импульсной испытательной установки является эквивалентная ёмкость нагрузки генератора, состоящая из ёмкости объекта испытания, делителя напряжения, ошиновки, измерительных шаров и т. д.

В таблице 1.1 приведены входные ёмкости оборудования различных классов напряжения.

В таблице 1.2 ориентировочные значения остальных емкостей.

Таблица 1.1

Входные ёмкости электрооборудования, пФ

Таблица 1.2

Ориентировочные значения суммарных емкостей измерительных шаров, ошиновки, делителя напряжения, пФ

Итак, входная емкость трансформатора напряженияравна:

а ориентировочное значение суммарных емкостей измерительных шаров, ошиновки, делителя напряжения:

Тогда эквивалентная емкость нагрузки генератора определяется:

При малых емкостях нагрузки () целесообразнее установка специальной фронтовой ёмкости () для устранения влияния разрезных явлений в испытуемом объекте на форму волны напряжения.

Примем

Оптимальный режим работы генератора импульсов напряжения обеспечивается при соотношении эквивалентной ёмкости генератора «в ударе» — частному от деления ёмкости основной ячейки — ступени ГИН на число ступеней () и ёмкости нагрузки (). Ориентировочно оцениваются величины емкостей и, необходимое номинальное напряжение установки .

2. Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции

В импульсных установках высокого напряжения используются специальные импульсные конденсаторы. Исполнение конденсаторов обычно бывает трёх видов: в металлическом корпусе с одним выводом, в изоляционном корпусе с двумя выводами, цилиндрические в изоляционном корпусе с электродами в виде фланцев.

При выборе типа и числа конденсаторов следует использовать два соотношения:

где:

— номинальное напряжение конденсатора, равное зарядному напряжению ступени установки;

— количество ступеней генератора;

— эквивалентная ёмкость нагрузки;

— количество параллельных конденсаторов одной ступени;

— ёмкость одного конденсатора.

Примем количество ступеней генератора

Емкость одного конденсатора находится по выражению:

Напряжение одного конденсатора:

По выбираются импульсные конденсаторы типа ИК. Характеристики приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики импульсных конденсаторов Simens — M

— номинальное напряжение конденсатора;

- номинальная емкость конденсатора;

— внутренняя индуктивность конденсатора;

— такое соотношение емкости в «ударе» и эквивалентной емкости нагрузки удовлетворяет условию выбора.

3. Электрический расчёт схемы генератора импульсов напряжения

3.1 Расчёт разрядного контура генератора

Целью расчёта является определение всех параметров элементов схемы, участвующих в формировании заданного импульса напряжения. Исходными данными расчёта являются форма и амплитуда импульса, номинальное напряжение установки, ёмкость в ударе и параметры нагрузки. Расчет ведется для упрощенной схемы замещения разрядного контура, представленной на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 — Расчетная схема зарядной цепи ГИН Рисунок 3.2 — Импульс на выходе схемы (принцип формирования волны) Для грозового импульса напряжения длительность фронта и длительность импульса связаны с постоянными времени и соотношениями:

(3.1)

Откуда постоянные времени и :

При условии, постоянные времени связаны с параметрами контура следующими формулами:

(3.2)

(3.3)

где:

— разрядное сопротивление,

— демпферное сопротивление,

— фронтовое сопротивление.

Вопрос о соотношении и зависит от типа ГИН. При вынесенном за пределы конструкции фронтовом сопротивлении, , где — демпферное сопротивление ступени. Тогда величина сопротивлений:

С учетом определенных параметров разрядной цепи максимальное значение импульса напряжения определяют согласно выражению:

(3.4)

где:

Построим зависимость 3.4.

Рисунок 3.3 — Форма импульса генератора импульсных напряжений на емкости нагрузки Коэффициент схемы определяется по выражению:

(3.5)

При разработке генераторов импульсов напряжения большое влияние на форму импульса напряжения оказывает паразитная индуктивность разрядного контура. Индуктивность разрядного контура при слабом его демпфировании приводит к уменьшению эквивалентного фронта импульса напряжения или даже приводит к колебаниям на фронте.

Величина индуктивности может быть определена как

(3.6)

где:

— индуктивность контура разряда ГИН;

— площадь контура;

— радиус провода;

— суммарная внутренняя индуктивность конденсаторов;

— индуктивность сопротивлений контура.

Более точно индуктивность контура, которая является определяющей в общей индуктивности, может быть определена по номограммам [1, с. 28]. При градиенте напряжения по строительной высоте К₂=300 кВ/м (для этажерочного типа конструкции), напряжении 3,3 МВ .

Суммарная внутренняя индуктивность конденсаторов:

Индуктивность сопротивлений контура можно принять равной нулю, т. к. сопротивления, включенные в разрядный контур, выполняются безындуктивными вследствие использования бифилярной намотки.

Тогда индуктивность разрядного контура:

Характеристическое сопротивление контура:

(3.7)

где:

Условие достаточного демпфирования колебаний в контуре:

(3.8)

— условие выполняется.

Паразитная ёмкость конструкции установки относительно земли вносит коррективы в форму импульса при малых величинах. Оценка величины расчётным путём практически невозможна. Для действующих установок она определяется экспериментально из опыта холостого хода, а для проектируемых может быть оценена по номограмме [1 с. 30]. При градиенте напряжения по строительной высоте К₂=300 кВ/м (для этажерочного типа конструкции) и напряжении 3,3 МВ .

3.2 Расчет схемы зарядки установки, выбор зарядного устройства

Зарядная схема ГИН состоит из регулятора напряжения, высоковольтного трансформатора, выпрямителя, конденсаторов, зарядных и защитного сопротивлений.

Процесс зарядки многоступенчатого ГИН от источника постоянного напряжения с распределённым по ступеням зарядным сопротивлением может быть рассмотрен в эквивалентной схеме замещения (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 — Полная и эквивалентная зарядная схема генератора импульсов напряжения Эквивалентная емкость зарядного контура:

(3.9)

Эквивалентное активное сопротивление зарядного контура:

(3.10)

Соотношение величин и, входящих в, определяется с учётом двух обстоятельств. С одной стороны, для более равномерной зарядки ступеней требуется обеспечить минимальное значение. С другой стороны, зарядное сопротивление влияет на форму импульса, включаясь параллельно с разрядным сопротивлением в режиме разряда.

При необходимости ограничить влияние на длительность импульса накладывается ограничение снизу:

(3.11)

где:

.

Тогда зарядное сопротивление:

Процесс зарядки ступеней от источника выпрямленного напряжения идёт медленнее в 5…6 раз в виду того, что ток зарядки протекает через диод лишь в определённые интервалы времени, когдаПолная зарядка ступеней осуществляется за время .

Полное время зарядки примем равным .

Постоянная времени контура. Тогда эквивалентное сопротивление зарядного контура:

(3.12)

Защитное сопротивление:

Трансформатор зарядного устройства выбирается исходя из условия:

(3.13)

где:

— полная мощность питающего трансформатора,

— емкость одной ступени,

— рабочее напряжение конденсаторов ГИН.

Тогда .

Выбираем в качестве зарядного трансформатора испытательный трансформатор типа ИОМ — 100/20[3, с. 74], характеристики трансформатора приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Технические характеристики испытательного трансформатора ИОМ-300/300

Среднее значение зарядного тока:

(3.14)

Обратное напряжение:

Количество последовательно установленных диодов:

Количество параллельных цепочек диодов:

Таблица 3.2

Технические характеристики вентилей СДЛ-0.4−1500 [3, с. 64]

Выбор регулятора напряжения осуществляется исходя из следующих требований:

· обеспечение регулирования испытательного напряжения от 25−30% до его максимального значения;

· обеспечение плавного изменения напряжения со ступенями регулирования не превышающими 1,5% от испытательного напряжения;

· отсутствие искажения формы кривой напряжения;

· соответствие напряжений и мощностей регулировочного устройства и испытательного трансформатора.

Выберем регулировочный автотрансформатор АОМН-40−220. Его характеристики приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Характеристики автотрансформатора АОМН-40−220

4. Разработка и выбор конструкции элементов генератора

4.1 Расчет зарядных и защитных сопротивлений

генератор импульс напряжение сопротивление

Сопротивления по конструкции могут быть проволочными или электролитическими (жидкостными). Геометрические размеры резисторов выбираются при их расчете на нагрев: рассеиваемая в наиболее неблагоприятном для резистора режиме энергия не должна приводить к выходу из строя резистора из-за перегрева. Величина допустимой температуры выбирается в зависимости от типа материала резистора.

Зарядные сопротивления выбираются из условия рассеяния в них энергии ступени генератора в режиме холостого хода. К ним не предъявляется требование безиндуктивности, поэтому намотка выполняется исходя из удобства конструкции. Возможно использование стандартных высоковольтных сопротивлений.

Защитное сопротивление устанавливается в блоке питания емкостного накопителя и служит для ограничения тока, протекающего через вентиль. К ним также не предъявляется требования безиндуктивности и они выполняются аналогично зарядным сопротивлениям.

Зарядное сопротивление выполним проволочным из константана (, коэффициент теплоотдачи, допустимая плотность тока А/мм²).

.

Минимально допустимое сечение провода зарядного резистора:

(4.1)

Диаметр провода зарядного резистора:

(4.2)

Диаметр цилиндрического бакелитового каркаса; его минимальная длина определяется по условию невозможности поверхностного перекрытия:

С учетом армирования и крепления выводов сопротивления длина цилиндра .

Длина провода зарядного резистора:

(4.3)

Длина витка обмотки зарядного резистора:

(4.4)

Диаметр изолирований проволоки зарядного резистора:

(4.5)

где:

— толщина изоляции.

Число витков зарядного резистора:

(4.6)

Длина каркаса зарядного резистора:

(4.7)

— следовательно, необходимо выполнить намотку равномерно по всей длине изоляционного цилиндра.

Площадь охлаждения зарядного резистора:

(4.8)

Температура нагрева проволоки зарядного резистора:

(4.9)

где:

— мощность, выделяемая резистором,

— температура окружающей среды.

Рисунок 4.1 — Эскиз зарядного сопротивления

Защитное сопротивление выполним электролитическим, т. к. проволочным получить такое большое сопротивление проблематично. Резистор представляет собой стеклянную трубку, заполненную электролитом.

Параметры трубки:

— длина трубки;

— наружный диаметр трубки;

— внутренний диаметр трубки;

— коэффициент теплопроводности материала трубки;

— коэффициент теплоотдачи.

Температура нагрева электролитического резистора:

(4.10)

где:

— мощность выделяемая на резисторе;

— площадь поверхности охлаждения.

Рисунок 4.2 — Эскиз защитного сопротивления

4.2 Расчет разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений

Разрядное, фронтовое и демпферное сопротивления включены в разрядный контур, поэтому должны выполняться безындуктивными. Это достигается применением специальных типов намотки: бифилярной (одной или двухслойной), петлевой, гребенчатой. В качестве каркаса используется изоляционный материал (бакелит, гетинакс, керамика). Современные типы сопротивлений представляют собой синтетическую ткань, в которую вплетён провод, обёрнутую вокруг каркаса. Поверхность резистора покрывают специальным изоляционным лаком. Концевые электроды должны обеспечить возможность присоединения резистора к другим элементам испытательной установки.

Требования, предъявляемые к данным сопротивлениям:

· Должны иметь малую индуктивность;

· Температура перегрева должна быть ниже предельно допустимой;

· Должны выдерживать максимальное рабочее напряжение между витками и по поверхности.

Энергия, рассеиваемая в режиме разряда генератора:

(4.11)

Для изготовления проволочных резисторов используем манганин.

Параметры манганина:

— плотность;

— удельное сопротивление;

— удельная теплоемкость;

— кратковременно допустимая температура.

Так как мы используем схему с распределенными сопротивлениями разрядной цепи, то фронтовое и демпферное сопротивления объединяются в одно. Далее его называем демпферным.

Объем провода демпферного сопротивления:

(4.12)

Длина проволоки демпферного сопротивления:

(4.13)

Сечение проволоки демпферного сопротивления:

(4.14)

Диаметр проволоки демпферного сопротивления:

Постоянная времени охлаждения:

(4.15)

Повторное срабатывание ГИН должно произойти не ранее Минимальная длина каркаса определена в пункте 4.1.

В качестве каркаса используется изоляционный материал, например бакелит, на который бифилярно навивается провод, при этом между смежными проводниками обеспечивается расстояние .

Примем диаметр каркаса

Длина витка демпферного сопротивления:

Активная часть резистора тогда:

Рисунок 4.3 — Эскиз демпферного сопротивления Рассчитаем распределенное разрядное сопротивление ГИН.

Длина проволоки разрядного сопротивления:

Сечение проволоки разрядного сопротивления:

Диаметр проволоки разрядного сопротивления:

Постоянная времени охлаждения:

Повторное срабатывание ГИН должно произойти не ранее В качестве каркаса используется изоляционный материал, например бакелит, на который бифилярно навивается провод, при этом между смежными проводниками обеспечивается расстояние .

Примем диаметр каркаса

Длина витка демпферного сопротивления:

Активная часть резистора тогда:

Рисунок 4.4 — Эскиз разрядного сопротивления

4.3 Расчет коммутаторов импульсной испытательной установки

Наиболее распространённый тип высоковольтного импульсного коммутатора — шаровые разрядники. Диаметр шаров выбирается по таблице разрядных напряжений при. При этом рекомендуется, чтобы пробивные напряжения достигались при расстояниях, это является условием обеспечения практической однородности электрического поля между электродами и минимального разброса пробивных напряжений.

Первый (запальный) искровой промежуток ГИН выполняется в виде тригатрона с целью управления запуском установки. Недостатками выбранной схемы является то, что оба шара первого искрового промежутка находятся под высоким потенциалом зарядного устройства. Следовательно необходимо выполнить гальваническую развязку.

Рисунок 4.5 — Схема управляемого промежутка (тригатрона):

1, 4 — главные электроды; 2 — изоляция; 3 — электрод поджига

4.4 Расчёт измерительной схемы

Требования, предъявляемые к делителям напряжения:

· Должен быть обеспечен устойчивый коэффициент деления, не зависящий от режима его работы, от частоты, времени, измеряемого напряжения.

· Делитель не должен искажать формы измеряемого напряжения.

· Не должен влиять на режим работы испытуемой цепи (иметь большое входное сопротивление).

· Не допустимы коронные разряды, делитель должен быть защищен от влияния посторонних полей.

В качестве измерительной системы для ГИН можно использовать комбинированный делитель.

Высоковольтное плечо делителя набирается из отдельных импульсных конденсаторов с малой индуктивностью.

Рисунок 4.6 — Схема замещения емкостного делителя напряжения Удельная высота делителя для измерения грозовых импульсов составляет 2,0…2,5 м/МВ. При напряжении 3300кВ высоту делителя можно принять Для емкостного делителя основное искажение при воспроизведении импульса вносится паразитной индуктивностью соединительного провода между испытательным объектом и делителем. Индуктивность делителя и соединительных проводов L пропорциональна длине делителя () и составит:

Паразитная емкость делителя относительно земли

(4.16)

где:

— высота делителя напряжения;

— диаметр высоковольтного плеча.

Емкость высоковольтного плеча делителя Емкость низковольтного плеча делителя Входную емкость осциллографа примем Демпфирующее сопротивление R=50 Ом.

Коэффициент деления делителя Реакция на прямоугольный импульс при наличие демпфирующего сопротивления величиной 5 Ом.

(4.17)

где:

— эквивалентная емкость делителя напряжения;

;

.

Рисунок 4.7 — Реакция емкостного делителя на прямоугольный импульс единичной величины По ГОСТ 17 512–72 при измерении полных стандартных грозовых импульсов, необходимо, чтобы время разрядки не превышало 0,2 мкс.

Время разрядки Т можно оценить по следующей формуле:

(4.18)

где:

Тогда Требование ГОСТ выполняется.

4.5 Разработка схемы управления установкой

Схема управления должна обеспечить следующие функции: опережающий запуск электронного осциллографа и управляемый запуск генератора.

Для выдачи серии импульсов, сдвинутых друг относительно друга во времени, целесообразно использовать серийный генератор задержанных импульсов типа ГЗИ-12. Для управляемогоподжигатригатронов разрядников первой ступени эти импульсы должны быть преобразованы в высоковольтные импульсы напряжением от 10 до 50кВ.

Заключение

Для создания ГИН напряжением 3300кВ с грозовым стандартным импульсом 1,2/50 мкс необходимо 11 ступеней импульсных конденсаторов типа М с номинальным напряжением 300 кВ. Сопротивления разрядной цепи выполнены распределенными. В качестве зарядного трансформатора используется испытательный трансформатор ИОМ-100/20. Измерительная схема установки представляет собой емкостной демпфированный делитель напряжения и осциллограф.

1. Импульсные испытательные установки высокого напряжения: методическое руководство к курсовому проекту / сост. Н. В. Щеглов; 32 с.

2. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента: Учебное пособие. Авруцкий В. А. Кужекин И. П. Чернов Е. Н. Под ред. И. П. Кужекина. — М.: МЭИ, 1983. — 264 с.

3. Щеглов Н. В. Испытательные установки высокого напряжения. Ч. 1. Методы получения высокого переменного и постоянного напряжений: Учеб.пособие. — Новосибирск: изд-во НГТУ. — 76 с.

4. Щеглов Н. В. Испытательные установки высокого напряжения. Ч. 2. Методы получения импульсных напряжений и токов: Учеб.пособие. — Новосибирск: изд-во НГТУ. — 112 с.

5. Щеглов Н. В. Испытательные установки высокого напряжения. Ч. 3. Измерения на высоком напряжении: Учеб.пособие. — Новосибирск: изд-во НГТУ. — 122 с.