6.8. Работа гин на нагрузку

При использовании ГИН для испытаний изоляции электрических аппаратов (изоляция вводов силовых и измерительных трансформаторов и выключателей, опорная и подвесная изоляция и т. п.) внешней нагрузкой ГИН является емкость изоляционных устройств и конструкций. В этом случае стандартная форма импульса (грозовая волна) создается резисторами, формирующими фронт импульса ( ) и его длительность ( ), т. е. его спад. Сопротивление этих резисторов выбирается в зависимости от емкости нагрузки. В этом случае упрощенная схема замещения ГИН, формирующих цепей и нагрузки может быть представлена трехконтурной схемой, приведенной на рис. 6.21, где: , паразитная емкость ГИН, емкость нагрузки.

Рис. 6.21. Схема замещения ГИН при формировании на емкостной нагрузке

стандартной волны.

Система уравнений для схемы на рис. 6.21:

(6.20)

Если ГИН используется для испытаний изоляции заземленных обмоток трансформаторов и для исследований распределения потенциалов вдоль обмоток при грозовом импульсе, схема замещения имеет вид, приведенный на рис. 6.22, где L_н –индуктивность испытываемой обмотки трансформатора.

Рис. 6.22. Схема замещения при формировании грозовой волны на комбинированной нагрузке.

Система уравнений для схемы на рис. 6.22 имеет вид:

(6.21)

Приблизительное решение системы уравнений для схемы с емкостной нагрузкой (рис. 6.21) имеет вид:

(6.22)

Для схемы с комбинированной нагрузкой (рисунок 6.22):

(6.23)

Значения паразитных параметров разрядной цепи ГИН (L_к, С_п) точно рассчитать крайне трудно. Как правило, выполнив технические мероприятия по их минимизации, реальные значения L_к, и С_п находят опытным путем. Определить их можно путем проведения измерений в следующих двух опытах.

1. Закорачиваются демпфирующие резисторы и осциллографируют импульс напряжения на выходе ГИН на холостом ходу. Схема замещения этого опыта приведена на рис. 6.23А.

2. При тех же условиях измеряют напряжение на выходе ГИН, нагрузив его известной емкостью С_н (рис. 6.23Б).

Рис. 6.23. Схемы замещения ГИН при опытном определении паразитных параметров.

В обоих случаях импульс напряжения на выходе имеет вид, приведенный на рисунке 6.19, при этом период паразитных колебаний Т в первом случае равен:

(6.24)

а во втором случае:

(6.25)

Определив по осциллограммам значения и , а также зная величины и из последних двух уравнений находим значения , и .

6.9. Технологические гин.

ГИН и другие источники импульсных напряжений и токов, основанные на емкостных накопителях энергии, находят широкое применение в ряде электроимпульсных технологий (электроштамповка, электроимпульсное разрушение, электрогидравлика и др.). Как правило, их технологические циклы включают многократные разряды емкостных накопителей на нагрузку с заданной частотой следования импульсов, поэтому для промышленных электроимпульсных установок актуальным требованием является высокий к. п. д.

У схем ГИН, рассмотренных выше, заряд конденсаторов производится через зарядный резистор и разделительные сопротивления, в которых в процессе заряда выделяется энергия, которая входит в потери. Оценим величину потерь при заряде конденсатора через резистор (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Заряд емкостного накопителя через резистор.

Зарядный ток через резистор равен:

.

(6.26)

Энергия, запасенная в конденсаторе после окончания процесса заряда равна:

.

(6.27)

Энергия, выделившаяся в резисторе r при протекании зарядного тока :

(6.28)

Таким образом, в процессе заряда в резисторе выделится столько же энергии, сколько запасет конденсатор, то есть к. п. д. такого способа заряда составляет 50 % и менее.

В связи с этим в технологических установках высокой мощности используются индуктивные системы ограничения зарядного тока и разделения между ступенями ГИН при его коммутации. Активные потери при этом сведены к минимуму. Общая схема такой установки приведена на рис. 6.25, где зарядный дроссель, а разделительная индуктивность.

В схеме заряда после выпрямителя установлена цепь защиты выпрямителя от обратной волны при разряде ГИН ( ).

Для того, чтобы определить необходимое значение , рассмотрим схему замещения зарядной цепи, в которой индуктивность дросселя приведена ко вторичной цепи трансформатора.

Рис. 6.25. Схема зарядного устройства и ГИН с индуктивными зарядными и разделительными элементами.

Пренебрегая значениями , схему замещения зарядной цепи ГИН может быть предельно упрощена (рис. 6.26):

Рис. 6.26. Схемы замещения зарядной цепи.

В схеме (рис. 6.26А): - индуктивность дросселя, приведенная ко вторичной обмотке трансформатора, - коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора; - индуктивности рассеяния и намагничивания трансформатора.

Поскольку  , то в схеме можно опустить и она приобретает вид, приведенный на рисунке 6.26Б. Тогда максимальное значение тока через выпрямитель в момент включения схемы заряда равен:

(6.29)

отсюда при заданном допустимом токе через выпрямитель находим индуктивность дросселя :

(6.30)

Величина не может быть слишком большой, поскольку дроссель образует с индуктивностью намагничивания индуктивный делитель напряжения.

Индуктивность рассеяния трансформатора может быть определена экспериментально (поскольку трансформатор повышающий, то >> , поэтому индуктивностью рассеяния первичной обмотки можно пренебречь). определяется из опыта короткого замыкания трансформатора (к. з.) при пониженном напряжении первичной обмотки до величины, при котором ток к. з. не превысил номинального тока трансформатора (рисунок 6.27А). Схема замещения опыта к. з. приведена на рис. 6.27Б. Поскольку  , то >> , поэтому . Тогда:

, отсюда .

(6.31)

Рис. 6.27. Экспериментальное определение индуктивности рассеяния трансформатора.

Индуктивность намагничивания трансформатора может быть определена из опыта холостого хода (х.х.) трансформатора (рис. 6.28А). Схема замещения опыта х.х. приведена на рис. 6.28Б.

Рис. 6.28. Экспериментальное определение индуктивности намагничивания трансформатора.

В этом опыте , , тогда , отсюда .

Величину разделительной индуктивности выбирают из следующих исходных данных. При коммутации ГИН каждый конденсатор ступеней ГИН одновременно разряжается и через индуктивность в колебательном режиме. Эти колебания (активным сопротивлением контура пренебрегаем) описываются уравнением:

, где

(6.32)

Величину необходимо выбирать такой, чтобы при коммутации ГИН разряд на эту индуктивность составил несколько процентов за время разряда ГИН на нагрузку. Если форма импульса на нагрузке экспоненциальная, то его длительность соответствует спаду экспоненты на 50%, т.е.

; отсюда .

(6.33)

Определим значение если принять, что за время ступени разрядится через эту индуктивность на 5%:

отсюда радиан, или .

(6.34)

В последнее уравнение подставляем значение :

; отсюда .

(6.35)

Пример. Пусть Ом, Ф, n = 5, тогда:

.

Очевидно, что в испытательных ГИН, где значение нагрузки, как правило, имеет большие значения (в испытаниях изоляции – от десятков килоом и выше), использование индуктивности в качестве разделительного элемента ступеней ГИН при разряде недопустимо. Действительно, если Ом значение в приведенном примере составит 9,5 Г, что практически нереализуемо.