МОБИЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ Российский патент 2013 года по МПК G01R31/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, мобильный генератор импульсных напряжений и токов (М-ГИН) относится к приборам испытания электротехнического оборудования и их систем молниезащиты. Характеристики М-ГИН позволяют создавать в полевых условиях полномасштабные импульсы тока, аналогичные токам, возникающим в оборудовании и грунтах контуров заземления от попадания молнии.

М-ГИН позволяет создать мобильные лаборатории для испытаний согласно регламентам проектируемого, действующего и вновь устанавливаемого высоковольтного оборудования, оборудования космических комплексов наземного и морского базирования, средств связи и других объектов непосредственно на их рабочих местах, т.е. без демонтажа и доставки оборудования на специализированные испытательные стенды.

Уровень техники

В настоящее время для испытания оборудования на предмет определения степени надежности молниезащиты объекта (грозоупорности) производят расчленение оборудования на отдельные компоненты, которые транспортируются и испытываются отдельно друг от друга на специализированных испытательных стендах. Как правило, регламентом требуются полномасштабные испытания молниезащиты оборудования, что можно сделать только в стационарных условиях в нескольких специализированных испытательных центрах в мире. В этих центрах для генерации импульса высокого напряжения, который создавал бы импульсы тока в оборудовании, аналогичные токам от прямого удара природной молнии, применяют мощные генераторы импульсных напряжений (ГИН) с энергией больше 1 МДж. Стационарные ГИН имеют большие размеры и массу, порядка 50 т и более [1-11]. Для мобильных средств испытания схемно-конструктивные решения этих ГИН не приемлемы. Мобильные лаборатории для полномасштабных испытаний систем молниезащиты по этой причине отсутствуют, в результате чего отсутствуют базы данных о растекании импульсных токов в реальных контурах заземления, отсутствуют расчетные формулы и методики. Существующие на сегодняшний день методики для расчета импульсных токов молнии имеют неприемлемо большую погрешность. Как свидетельствует опыт эксплуатации, доля грозовых отключений составляет от 20 до 50% общего числа отключений воздушных линий электропередачи (ВЛ). Грозовые отключения негативно сказываются на эксплуатации, как самих линий, так и подстанционного оборудования, снижая ресурс работы выключателей, вторичной аппаратуры и т.д.

Ближайшим прототипом ГИН является патентованное изобретение [3], см. Фиг.1. ГИН состоит из металлического корпуса 1, заполненного трансформаторным маслом, компенсатора объема 2, крышки корпуса 3. Выходной импульс напряжения выведен через разъемное соединение 5, имеющее пояс Роговского 4. ГИН имеет высоковольтный ввод 7 для зарядки конденсаторов, и электрический ввод 6 для управляющих электродов разрядников. Этот ГИН массой около 1 т имеет максимальное выходное напряжение 1,2 MB и максимальную запасаемую им энергию 1 кДж. Такие параметры не позволяют полномасштабно имитировать токи от удара молнии. Других транспортируемых ГИН, но с большими параметрами по напряжению и энергии в импульсе нет.

Сущность изобретения

Электрическая схема М-ГИН выполнена по схеме Аркадьева-Маркса каскадного умножения напряжения с некоторыми дополнениями. В отличие от прототипа [3] М-ГИН обладает мобильностью и большими параметрами по напряжению и энергии в импульсе, см. Фиг.2. М-ГИН в рабочем положении устанавливается вертикально. М-ГИН состоит из корпуса 1 из диэлектрического материала с развитой наружной поверхностью, препятствующей поверхностному пробою. В корпусе 1 размещены конденсаторы 5 и резисторы 4, укрепленные между диэлектрическими пластинами 2 и 7. Пластины 2 и 7 образуют одинаковые по форме и содержанию коробки в виде дисков, которые в свою очередь укреплены слоями на центральной, несущей весовую и динамическую нагрузки, опорной трубе 8 или соединены между собой штангами 12 из диэлектрического материала. Опорная труба 8 выполнена из диэлектрика, внутрь которой, например, выведены клеммы 13 разъемов для подключения ответных клемм 14 от разрядников 15. Каждый разрядник 15 подсоединяется к соответствующей батарее конденсаторов 5. Корпус 1 генератора установлен на опорном основании 16. Выходной импульс напряжения выводится на электрод 10, который расположен на патрубке 11 на расстоянии от земли, которое исключает пробой. Опорная труба 8 герметично соединена с одной стороны с опорным основанием 16 и с другой стороны через подвижное соосное уплотнение с люком 9 в верхней части корпуса таким образом, что объемы корпуса и патрубка герметично отделены от объема опорной трубы. В опорной трубе 8 установлен блок разрядников 15 внутри трубы, на которой имеются клеммы 14, соединяющиеся с заданным усилием с помощью управляемых зажимов с соответствующими клеммами 13 от батарей конденсаторов 5. В походном положении на транспортном средстве М-ГИН находится на ложементе 17 горизонтально, см. Фиг.3.

От известных конструкций генераторов импульсных токов [1-11], М-ГИН имеет следующие отличия:

- корпус 1, см. Фиг.2, соединен фланцем с опорным основанием 16, выполнен герметичным из диэлектрического материала и имеет наружную поверхность, форма которой препятствует поверхностному пробою;

- в рабочем состоянии на поверхности земли корпус помещен на опорном основании и имеет в верхней части для вывода электрического импульса электрод 10, который укреплен на конце патрубка 11, соединенного с корпусом 1 и электродом 10 герметично;

- патрубок 11 выполнен из диэлектрического материала и имеет наружную поверхность, форма которой препятствует поверхностному пробою;

- в корпусе конденсаторы 5 и резисторы 4 (элементы генератора) размещены в плоских одинаковых коробках (например, для цилиндрической формы корпуса в виде дисков) между пластинами 2 и 7 из прочного диэлектрического материала, которые вместе с коробкой являются прозрачными для перемещения газообразного диэлектрика, которым заполнен внутренний объем корпуса и патрубка;

- коробки (диски) с элементами генератора через их сквозные отверстия соосно вдоль продольной оси корпуса укреплены на опорной трубе, которая герметично соединена с одной стороны с опорным основанием 16 и с другой стороны через подвижное соосное уплотнение с люком 9 в корпусе 1 таким образом, что внутренний объем опорной трубы отделен от внутреннего объема корпуса;

- пластины 2, 7 из прочного диэлектрического материала в коробках (дисках) по их периметру имеют пневматически (гидравлически) управляемые распоры 3, которые обеспечивают фиксацию элементов генератора и равномерное распределение нагрузки от них на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса 1 во время транспортировки и установки в вертикальное положение;

- в опорной трубе 8 помещен пакет разрядников 15, имеющий форму цилиндра с выступающими на его поверхности по винтовой линии контактами 14 разъемов от клемм подключения разрядников 15;

- в сквозных отверстиях коробок имеются ответные к пакету разрядников контакты 13 разъемов, которые, за счет поворота на заданный угол одинаковых коробок (дисков) относительно оси их сквозных отверстий, расположены по винтовой линии, аналогичной как у пакета разрядников, таким образом, чтобы было возможным устанавливать пакет разрядников в опорную трубу 8 через люк 9 в корпусе 1 без удаления из объема корпуса газообразного диэлектрика;

- ответные (одноименные) контакты разъемов от разрядников и коробок соединяются через промежуточные клеммы (электроды), которые герметично встроены в стенку опорной трубы, контакты разъемов имеют пневматические или гидравлические зажимы, сжимающие клеммы с таким усилием, которое обеспечит требуемый контакт для протекания максимального тока разряда конденсаторов;

- ответные к пакету разрядников контакты соединены с конденсаторами и резисторами в коробке (диске) таким образом, что в момент срабатывания разрядников цепочка параллельно включенных для зарядки конденсаторов во всех коробках (дисках) перестраивается в цепочку последовательно включенных конденсаторов заданной общей емкости;

- внутренние объемы корпуса генератора с патрубком, опорной трубы и пакета разрядников выполнены таким образом, который позволяет раздельно заполнять и регулировать в этих объемах давление газообразного диэлектрика со стороны основания генератора;

- пакет разрядников обладает как минимум двумя модификациями включения разрядников: электрическим потенциалом и лучем лазера, направленным по осевому каналу между электродами всех разрядников в пакете;

- в рабочем положении генератор находится относительно продольной оси его корпуса 1 вертикально и электрод 10 выходного напряжения за счет необходимой длины патрубка 11 расположен от заземленного основания 16 корпуса на таком изоляционном промежутке, который исключает пробой импульсом максимального напряжения, вырабатываемого генератором;

- в походном положении, см. Фиг.3, на транспортном средстве генератор находится относительно продольной оси корпуса горизонтально на ложементе 17;

- ложемент имеет подъемный механизм и пневматически управляемые захваты корпуса генератора такой конструкции, которая исключает подвижность корпуса генератора относительно ложемента, повреждение наружной поверхности корпуса при транспортировке и установке генератора в вертикальное положение.

Промышленная применимость

М-ГИН может быть применен для получения банка данных:

- по импульсным электрическим характеристикам грунтов, зданий, сооружений, водных и воздушных судов при прямых ударах молнии;

- об электрической прочности линейной изоляции линий электропередачи при воздействии широкого спектра грозовых перенапряжений;

- о надежности защиты от прямых ударов молнии сложных систем молниеотводов;

- и других данных, необходимых для расчетов и надежной работы систем молниезащиты оборудования.

Список литературы

1. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электротехнике. - Новосибирск: Наука, 1987.

2. Патент RU 2374762 С1, приоритет 29.10.2008. Генератор импульсного напряжения. Патентообладатель: Третьяков Д.В. (RU).

3. Патент RU 2317637 С1, приоритет 11.07.2006. Генератор импульсного напряжения. Патентообладатель: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU).

4. Патент RU 2351064 С1, приоритет 11.07.2007. Способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках и устройство для его осуществления. Патентообладатель: Институт физики им. Л.В.Киренского Сибирского отделения РАН (RU).

5. Патент RU 2265952 С1, приоритет 16.03.2004. Устройство магнитного сжатия и умножения напряжения импульса. Патентообладатель: Государственное образовательное учреждения высшего профессионального образования "Красноярский государственный университет", (RU).

6. Патент RU 2097909 С1, приоритет 04.07.1994. Высоковольтный импульсный источник питания (варианты). Патентообладатель: Государственное предприятие Специальное конструкторское бюро научного приборостроения, (RU).

7. Заявка RU 2003124684 A1, приоритет 07.08.2003. Генератор высоковольтных импульсов. Заявитель: Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии - Минатома РФ (RU) и ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU).

8. Заявка RU 95106732 A1, приоритет 26.04.1995. Устройство для имитации токов молнии. Патентообладатель (засекр.). Заявитель: Центральный физико-технический институт Министерства обороны Российской Федерации.

9. Патент SU 813722 A1, приоритет 26.02.1979. Многоступенчатый генератор импульсных напряжений. Патентообладатель: предприятие п/я Р-6511, (RU).

10. Патент SU 824413 A1, приоритет 31.01.1978. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ. Патентообладатель: Институт электродинамики АН Украинской ССР.

11. Патент RU 2185021 С1, приоритет 27.02.2001. Бестрансформаторный высоковольтный генератор импульсов. Патентообладатель: Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики, (RU).

Изобретение относится к прикладной электротехнике. Более конкретно, мобильный генератор импульсных напряжений и токов (М-ГИН) относится к приборам испытания различного электротехнического оборудования и их систем молниезащиты на грозоупорность. Характеристики М-ГИН позволяют создавать в полевых условиях полномасштабные импульсы тока, аналогичные токам, возникающим в оборудовании и грунтах контуров заземления от попадания молнии. Изобретение позволяет получить технический результат - создать мобильные лаборатории для испытаний согласно регламентам проектируемого, действующего и вновь устанавливаемого высоковольтного оборудования, оборудования космических комплексов наземного и морского базирования, средств связи и других объектов непосредственно на их рабочих местах, т.е. без доставки оборудования на специализированные испытательные стенды. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мобильный генератор импульсных напряжений и токов (М-ГИН), содержащий корпус, заполненный газовым диэлектриком, в котором расположены конденсаторы, резисторы и проводники в герметичном пакете (блоке) с общей рабочей средой из смеси газов, разрядники с образованием сплошного осевого канала между электродами всех соседних разрядников, соединенные с конденсаторами по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, отличающийся тем, что М-ГИН является мобильным прибором, который можно перевозить целиком (без разборки на части) специальным транспортным средством; М-ГИН обеспечивает в полевых условиях генерацию импульса высокого напряжения, который создает импульсы тока в оборудовании, аналогичные токам от прямого удара природной молнии; М-ГИН в рабочем положении находится относительно продольной оси корпуса вертикально, в транспортном - горизонтально на ложементе транспортного средства; наружная поверхность корпуса, выполненного из диэлектрического материала, имеет форму, препятствующую поверхностному электрическому пробою; увеличение предельно допустимого выходного напряжения М-ГИН выполнено с помощью патрубка, увеличивающего изоляционный промежуток между электродом для вывода электрического импульса генератора и землей, и формой наружной поверхности патрубка, препятствующей поверхностному электрическому пробою; нагрузка (весовая и динамическая) от конденсаторов и резисторов (элементов генератора), укрепленных между диэлектрическими пластинами, распределена равномерно между опорной трубой с помощью механического крепления пластин и стенкой корпуса с помощью пневматических (или гидравлически) управляемых распоров пластин в корпусе; герметичные внутренние объемы корпуса генератора с патрубком, опорной трубы и пакета разрядников выполнены таким образом, чтобы раздельно заполнять и регулировать в этих объемах давление газообразного диэлектрика со стороны основания генератора.

2. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что патрубок выполнен из диэлектрического материала (пластика) в виде трубы с поперечным сечением подходящей формы (круг, эллипс и т.п.), находится в наивысшей точке верхней части корпуса и соединен с корпусом и электродом герметично.

3. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что конденсаторы, резисторы и проводники (элементы генератора), укрепленные между пластинами из прочного диэлектрического материала, размещены в плоских одинаковых коробках (например, для цилиндрической формы корпуса в виде дисков или параллелограммов для других подходящих форм корпуса), коробки размещены в корпусе одна над другой и вместе с пластинами являются прозрачными для перемещения газообразного диэлектрика, которым заполнен внутренний объем корпуса и патрубка.

4. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что опорная труба, на которой укреплены коробки с элементами генератора через их сквозные отверстия соосно вдоль продольной оси корпуса, герметично соединена с нижней стороны корпуса с опорным основанием и с верхней стороны через подвижное соосное уплотнение с люком в верхней части корпуса таким образом, что внутренний объем опорной трубы отделен от внутреннего объема корпуса.

5. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что управляемые распоры пластин обеспечивают фиксацию элементов генератора и равномерное распределение нагрузки от них на внутреннюю поверхность корпуса во время транспортировки М-ГИН и установки в вертикальное положение.

6. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что в опорной трубе помещен пакет разрядников, имеющий форму цилиндра с выступающими на его поверхности по винтовой линии контактами разъемов от клемм подключения разрядников.

7. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что в сквозных отверстиях коробок имеются ответные к пакету разрядников контакты разъемов, которые, за счет поворота на заданный угол одинаковых коробок (дисков) относительно оси их сквозных отверстий, расположены по винтовой линии, аналогичной как у пакета разрядников, таким образом, чтобы было возможно устанавливать пакет разрядников в опорную трубу через люк в верхней части корпуса без удаления из объема корпуса газообразного диэлектрика.

8. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что ответные (одноименные) контакты разъемов от разрядников и коробок соединяются через промежуточные клеммы (электроды), которые герметично встроены в стенку опорной трубы, контакты разъемов имеют пневматические или гидравлические зажимы, сжимающие клеммы с таким усилием, которое обеспечит требуемый контакт для протекания максимального тока разряда конденсаторов.

9. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что ответные к пакету разрядников контакты соединены с конденсаторами и резисторами в коробке таким образом, чтобы в момент срабатывания разрядников цепочка параллельно включенных для зарядки конденсаторов во всех коробках перестраивается в цепочку последовательно включенных конденсаторов заданной общей емкости.

10. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что внутренние объемы корпуса с патрубком и опорной трубы выполнены таким образом, чтобы раздельно заполнять и регулировать в этих объемах давление газообразного диэлектрика с нижней части корпуса, т.е. со стороны опорного основания корпуса.

11. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что пакет разрядников обладает как минимум двумя модификациями включения разрядников: электрическим потенциалом и лучом лазера, направленным по осевому каналу между электродами всех разрядников в пакете.

12. М-ГИН по п.1, отличающийся тем, что ложемент имеет подъемный механизм и пневматически управляемые захваты корпуса генератора такой конструкции, которая исключает подвижность корпуса М-ГИН относительно ложемента и повреждение его наружной поверхности (препятствующей поверхностному электрическому пробою) при транспортировке и установке в вертикальное положение.