ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2024 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в устройствах электрофизической аппаратуры при создании генераторов, выполненных на базе емкостных накопителей энергии (ЕНЭ), для получения мощных высоковольтных импульсов напряжений и токов с целью исследования их воздействий на работоспособность электротехнического оборудования, подвергающегося воздействиям грозовых перенапряжений, коммутационных перенапряжений и токов молнии, в том числе при проведении технологических (квалификационных, приемо-сдаточных, периодических и типовых) испытаний мощного электротехнического оборудования, например, мощных устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), при их испытаниях мощными нормированными импульсами, как токов молнии, так и грозовых и коммутационных перенапряжений.

Известна установка-имитатор тока молнии, основанная на совместном использовании нескольких генераторов (Аганов Е.В., Заруцкий А.О., Зеленский И.И. Красноперов Д.Б., Оленевский В.В., Пашков А.Ю., Плыгач В.А., Самсонов Г.В. Методы и средства воспроизведения воздействия импульсных электромагнитных полей и токов молнии на экспериментально-испытательной базе 12 ЦНИИ. - Технологии электромагнитной совместимости. - 2020. - №1(72). - С. 97-108.), содержащая (см. Рис. 4, стр. 103) мощный генератор импульсов напряжений (ГИН), подключенный к объекту испытаний с использованием емкостного обострителя, и мощный генератор импульсов токов (ГИТ), подключенный к объекту испытаний через управляемый разрядник. Емкостной обостритель работает по принципу импульсной зарядки от ГИН с последующей его разрядкой через воздушный промежуток на объект испытаний.

Известная установка-имитатор тока молнии предназначена для испытаний различных объектов техники и электротехнического оборудования на соответствие их требованиям стойкости к действию токов молнии с необходимыми временными параметрами и уменьшенным фронтом импульса тока молнии при совместной работе ГИН и ГИТ.

Недостатком известной установки-имитатора тока молнии, основанной на совместном использовании ГИН и ГИТ, является низкая функциональная возможность, обусловленная невозможностью формирования грозовых апериодических (униполярных колебательных) импульсов напряжения (положительной и отрицательной полярности), а также постоянной составляющей тока молнии. Кроме того, недостатком известной установки-имитатора тока молнии является низкая функциональная возможность, обусловленная невозможностью формирования импульсов тока, имитирующих как нормированные номинальные (многократные) и максимальные (однократные) разрядные токи прямого удара молнии, так и импульсные и номинальные разрядные токи, т.е. токи молнии с различными амплитудно-временными характеристиками. Другим недостатком известной установки-имитатора тока молнии являются низкие массогабаритные характеристики и, связанная с этим, высокая стоимость установки, что обусловлено тем, что класс напряжения конденсаторов, входящих в состав ГИТ, должен быть не ниже выходного напряжения ГИН. Недостатком известной установки является также низкая надежность работы в режиме «заряд - разряд», обусловленная отсутствием эффективной защиты конденсаторов ГИТ при пробое одного из конденсаторов или случайном коротком замыкании одного из конденсаторов ГИТ.

Известно устройство для защиты емкостного накопителя энергии (описание изобретения к патенту RU №2474024 С1 МПК Н02Н 7/16, Н03К 3/53, опубл. 27.01.2010 Бюл. 3). Известное устройство, выполненное на базе емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) по схеме генератора импульсов тока (ГИТ), содержит зарядное устройство, n параллельно соединенных модулей ЕНЭ, n зарядных диодов и высоковольтный управляемый разрядник, причем первые выводы модулей ЕНЭ соединены с катодами разрядных диодов, вторые выводы модулей ЕНЭ объединены и соединены с отрицательным выводом зарядного устройства и первым выводом нагрузки, первый вывод высоковольтного управляемого разрядника соединен со вторым выводом нагрузки. Устройство также содержит п разрядных диодов, аноды которых соединены с катодами зарядных диодов и с первыми выводами модулей ЕНЭ, катоды разрядных диодов объединены и соединены со вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника, а аноды зарядных диодов объединены и соединены с положительным выводом зарядного устройства непосредственно. Кроме того, в устройстве в качестве зарядных диодов использованы полупроводниковые высоковольтные высокочастотные диоды, номинальные параметры которых соответствуют номинальному току и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ. Кроме того, в устройстве в качестве разрядных диодов использованы полупроводниковые высоковольтные диоды, например таблеточной конструкции, номинальные параметры которых соответствуют величинам ударных токов, формируемых каждым модулем ЕНЭ, и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ.

Известное устройство для защиты емкостного накопителя энергии предназначено для испытаний различных объектов на соответствие их требованиям стойкости к действию токов молнии с необходимыми временными параметрами, т.е. для испытаний электротехнического оборудования на действие тока молнии.

Недостатком известного устройства для защиты емкостного накопителя энергии является низкая функциональная возможность, обусловленная невозможностью формирования как грозовых (апериодических, униполярных колебательных) импульсов напряжения (положительной, отрицательной полярности), постоянную составляющую тока молнии, так и высокоамперных импульсов тока молнии с субнаносекундной длительностью (0,1 мкс - 0,5 мкс) фронта, которые имитируют номинальные (многократные) разрядные токи молнии, максимальные (однократные) разрядные токи молнии, импульсный и номинальные разрядные токи, наводимые электромагнитными импульсами, молнией и другими источниками естественного и искусственного происхождения в электрических сетях. Другим недостатком известного устройства для защиты емкостного накопителя энергии являются высокие затраты времени при настройке режимов работы ГИТ, что затрудняет работу при проведении технологических (квалификационных, приемо-сдаточных, периодических и типовых) испытаний мощного электротехнического оборудования, когда необходима перенастройка параметров ГИТ при переходе от одной формы испытательного импульса тока к другому.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому изобретению (прототипом) является генератор высоковольтных импульсов (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., см. стр. 35-40, рис. 1.14), построенный, на базе емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), как многоступенчатый генератор импульсов напряжения (ГИН) Аркадьева-Маркса, который содержит регулируемое зарядное устройство, защитные резисторы и многоступенчатую цепь выполненную по каскадной схеме умножения напряжения, которая, в свою очередь, содержит накопительные конденсаторы, управляемый разрядник, зарядные резисторы, демпфирующие резисторы фронтовой резистор и выходной обостряющий разрядник. Вывод фронтового резистора соединен с выходным обостряющим разрядником, выход которого соединен с потенциальным выводом нагрузки. Накопительные конденсаторы ступеней ГИН заряжаются параллельно от регулируемого зарядного устройства, а разряжаются на нагрузку последовательно. При разряде накопительных конденсаторов ступеней ГИН, на нагрузке формируется испытательный высоковольтный импульс напряжения.

Известный генератор высоковольтных импульсов предназначен для формирования импульсов напряжения положительной и отрицательной полярности при проведении испытаний электротехнической аппаратуры, подвергающейся воздействиям грозовых и коммутационных перенапряжений (апериодических, униполярных и колебательных с различными параметрами).

Основным недостатком известного генератора высоковольтных импульсов является низкая функциональная возможность генератора в целом, а именно: невозможность формирования (оперативно) в разрядном контуре устройства высокоамперных импульсов тока с субнаносекундной длительностью (0,1 мкс - 0,5 мкс) фронта, имитирующих номинальные (многократные) разрядные токи молнии, максимальные (однократные) разрядные токи молнии, импульсный и номинальные разрядные токи, наводимые электромагнитными импульсами, молнией и другими источниками естественного и искусственного происхождения в электрических сетях, а также постоянную составляющую тока молнии, амплитуды импульсов которых и их формы нормированы для всех типов технологических испытаний (квалификационных, приемосдаточных, периодических, типовых, специальных) мощного электротехнического оборудования.

Задачей изобретения является повышение функциональных возможностей генератора высоковольтных импульсов в целом, а также повышение надежности генератора, повышение массогабаритных характеристик и снижение стоимости устройства.

Техническим результатом изобретения является возможность (оперативная) реализации различных режимов работы генератора высоковольтных импульсов, отличающихся:

- по полярности и значениям амплитуд разрядного тока и выходного напряжения;

- по значениям скорости нарастания импульсов напряжения;

- по значениям длительности фронта и длительности импульсов разрядного тока;

- по полярности и значениям амплитуд зарядов и длительностям постоянной составляющей тока молнии.

Реализация режимов работы выполняется при высоких массогабаритных характеристиках и низкой стоимости устройства, во - первых, при обеспечении надежной защиты работы конденсаторов емкостных накопителей энергии в режимах «заряд-разряд», т.е. как в статическом, так и в динамическом режимах работы (за счет уменьшения вероятности взрыва конденсаторов); во - вторых, выполняются оперативно (за счет обеспечения минимальных затрат времени при изменении места и способа присоединения элементов устройства и конденсаторов емкостных накопителей энергии в разрядном контуре генератора высоковольтных импульсов при настройке работы генератора и переходе от одной формы испытательного импульса к другой).

Технический результат достигается тем, что в генератор высоковольтных импульсов, структурно построенный как многоступенчатый генератор импульсов напряжения (ГИН) Аркадьева-Маркса, содержащий первое регулируемое зарядное устройство, первый и второй защитные резисторы, управляемый многозазорный разрядник, ряд одинаковых ступеней соединенных по каскадной схеме умножения напряжения, каждая из которых содержит накопительный конденсатор с первыми и вторыми полюсами, первый и второй зарядные резисторы, демпфирующий резистор и неуправляемый многозазорный разрядник, а также выходную ступень, содержащую, в свою очередь, накопительный конденсатор с первым и вторым полюсами, неуправляемый многозазорный разрядник, разделительный резистор, фронтовой резистор и выходной обостряющий разрядник; причем выводы первого регулируемого зарядного устройства через первый и второй защитные резисторы соединены с первым и вторым полюсом накопительного конденсатора первой ступени, при этом один вывод управляемого многозазорного разрядника соединен с первым полюсом накопительного конденсатора первой ступени, а другой вывод заземлен; кроме того, в каждой ступени, кроме первой, первый полюс накопительного конденсатора соединен с точкой соединения демпфирующего резистора предыдущей ступени с первым зарядным резистором следующей ступени, а второй полюс накопительного конденсатора каждой ступени соединен с точкой соединения второго зарядного резистора предыдущей ступени, второго зарядного резистора последующей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника, другой вывод которого соединен непосредственно с точкой соединения первого зарядного резистора и демпфирующего резистора, кроме того первый полюс накопительного конденсатора выходной ступени соединен с точкой соединения демпфирующего резистора предыдущей ступени и разделительного резистора, второй полюс накопительного конденсатора выходной ступени соединен с выводом второго зарядного резистора предыдущей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника, другой вывод которого соединен с точкой соединения разделительного и фронтового резисторов, другой вывод фронтового резистора соединен с выходным обостряющим разрядником, выход которого соединен с потенциальным выводом нагрузки, при этом второй заземленный вывод нагрузки соединен с заземленным выводом управляемого многозазорного разрядника первой ступени, введены первый генератор импульсов тока (ГИТ-1), второй генератор импульсов тока (ГИТ-2), высоковольтный управляемый разрядник и высоковольтный разделительный диодный модуль. При этом каждый из генераторов импульсных токов содержит регулируемое зарядное устройство, ряд параллельно соединенных модулей, содержащих несколько параллельно соединенных конденсаторов, ряд зарядных и разрядных диодов, а также ряд демпфирующих цепочек, состоящих из последовательно соединенных резисторов и индуктивностей. При этом первые выводы модулей каждого из генераторов импульсных токов соединены с катодами зарядных диодов, аноды которых объединены и соединены с положительным выводом соответствующего регулируемого зарядного устройства, а вторые выводы модулей каждого из генераторов импульсных токов объединены и соединены с отрицательным выводом соответствующего регулируемого зарядного устройства и вторым заземленным выводом нагрузки, аноды разрядных диодов соединены с катодами зарядных диодов и первыми выводами модулей, катоды разрядных диодов каждого из генераторов импульсных токов соединены с первыми выводами демпфирующих цепочек, вторые выводы демпфирующих цепочек ГИТ-1 объединены и соединены с первым выводом высоковольтного управляемого разрядника непосредственно, второй вывод высоковольтного управляемого разрядника соединен с первым выводом нагрузки непосредственно, а вторые выводы демпфирующих цепочек ГИТ-2 объединены и присоединены к аноду высоковольтного разделительного диодного модуля, катод которого соединен с первым (потенциальным) выводом нагрузки, выводом выходного обостряющего разрядника ГИН и вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника непосредственно.

Кроме того, класс напряжения конденсаторов, используемых в ГИН, намного выше, а энергоемкость намного ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-1, при этом класс напряжения конденсаторов, используемых в модулях ГИТ-1, намного выше, а энергоемкость намного ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-2.

В предлагаемом генераторе высоковольтных импульсов введение первого генератора импульсных токов (ГИТ-1) и второго генератора импульсных токов (ГИТ-2), при их указанном месте и способе присоединения в разрядный контур, обеспечивают:

- возможность формирования в разрядном контуре устройства импульсов напряжения и тока с различной полярностью, что обусловлено и определяется изменением полярности на выходах зарядных устройств, соответственно, применяемых в ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2 первого, второго и третьего регулируемых зарядных устройств;

- возможность формирования в разрядном контуре устройства импульсов тока с различными амплитудно-временными характеристиками (амплитудой, длительностью фронта, длительностью импульса, длительностью постоянной составляющей тока молнии), что обусловлено: параметрами введенных в ГИТ-1 и ГИТ-2 демпфирующих цепочек (могут быть различными для импульсов тока молнии с различными амплитудно-временными характеристиками) и параметрами конденсаторов модулей ГИТ-1 ГИТ-2; а также параметрами ГИН и числом используемых ступеней ГИН, т.е. уровнем выходного напряжения ГИН;

- возможность улучшить массогабаритные характеристики и снизить стоимость устройства в целом, что обусловлено применением разделительного высоковольтного диодного модуля, что, при этом, дает возможность отказаться от применения высоковольтного управляемого разрядника и его высоковольтной системы управления, т.е. упростить и снизить стоимость устройства в целом.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема генератора высоковольтных импульсов, на фиг. 2 представлены осциллограммы импульсов тока и напряжения, полученные в примере конкретного применения.

Генератор высоковольтных импульсов включает в себя генератор импульсов напряжений (ГИН), первый генератор импульсов тока (ГИТ-1) и второй генератор импульсов тока (ГИТ-2).

При этом ГИН содержит первое регулируемое зарядное устройство 1, первый и второй защитные резисторы 2 и 3, управляемый многозазорный разрядник 4, ряд одинаковых ступеней, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения, каждая из которых содержит накопительный конденсатор 5 (5.1, …, 5.k-1) с первыми и вторыми полюсами, первый 6 (6.1, …, 6.k-1) и второй 7 (7.1, …, 7.k-1) зарядные резисторы, демпфирующий резистор 8 (8.1, …,8.k-1) и неуправляемый многозазорный разрядник 9 (9.1, …,9.k-1), а также выходную ступень, содержащую, в свою очередь, накопительный конденсатор 5k с первым и вторым полюсами, неуправляемый многозазорный разрядник 9k, разделительный резистор 10, фронтовой резистор 11 и выходной обостряющий разрядник 12; причем выводы первого регулируемого зарядного устройства через первый 2 и второй 3 защитные резисторы соединены с первым и вторым полюсом накопительного конденсатора 5.1 первой ступени, при этом один вывод управляемого многозазорного разрядника 4 соединен с первым полюсом накопительного конденсатора 5.1 первой ступени, а другой вывод заземлен. Кроме того, в каждой ступени, кроме первой, первый полюс накопительного конденсатора 5 соединен с точкой соединения демпфирующего резистора 8 предыдущей ступени с первым зарядным резистором 6 следующей ступени, а второй полюс накопительного конденсатора 5 каждой ступени соединен с точкой соединения второго зарядного резистора 7 предыдущей ступени, второго зарядного резистора 7 последующей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника 9, другой вывод которого соединен непосредственно с точкой соединения первого зарядного резистора 6 и демпфирующего резистора 8. Первый полюс накопительного конденсатора 5k выходной ступени соединен с точкой соединения демпфирующего резистора 8(k-1) предыдущей ступени и разделительного резистора 10, второй полюс накопительного конденсатора выходной ступени 5k соединен с выводом второго зарядного резистора 7(k-1) предыдущей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника 9k, другой вывод которого соединен с точкой соединения разделительного 10 и фронтового 11 резисторов, другой вывод фронтового резистора 11 соединен с выходным обостряющим разрядником 12, выход которого соединен с потенциальным выводом нагрузки 13, при этом второй заземленный вывод нагрузки 13 соединен с заземленным выводом управляемого многозазорного разрядника 4.

Первый генератор импульсов тока (ГИТ-1) содержит второе регулируемое зарядное устройство 14, n зарядных диодов 15 (15.1, …,15.n), n разрядных диодов 16 (16.1,…,16.n), высоковольтный управляемый разрядник 17, n параллельно соединенных модулей 18 ГИТ-1 (18.1, …, 18.n) и n демпфирующих цепочек 19 (19.1, …, 19.n), состоящих из n резисторов 20 (20.1, …20.n), соединенных последовательно с индуктивностями 21 (21.1, …, 21.n). Первые выводы конденсаторных модулей 18 ГИТ-1 соединены с катодами зарядных диодов 15, а аноды зарядных диодов 15 объединены и соединены с положительным выводом второго зарядного устройства 14, вторые выводы модулей 18 ГИТ-1 объединены и соединены с отрицательным выводом зарядного устройства 14 и вторым (заземленным) выводом нагрузки 13 непосредственно. Аноды разрядных диодов 16 соединены с катодами зарядных диодов 15 и с первыми выводами модулей 18 ГИТ-1. Катоды разрядных диодов 16 соединены с первыми выводами n демпфирующих цепочек 19 (19.1, …, 19.n). Выходные выводы демпфирующих цепочек 19 объединены и соединены с первым выводом высоковольтного управляемого разрядника 17 непосредственно, а второй вывод высоковольтного управляемого разрядника 17 соединен непосредственно с первым выводом нагрузки 13.

Второй генератор импульсных токов (ГИТ-2) содержит третье регулируемое зарядное устройство 22, m параллельно соединенных модулей 23 ГИТ-2 (23.1, …, 23.m), m зарядных диодов 24 (24.1, …, 24.m) и m разрядных диодов 25 ГИТ-2 (25.1, …, 25.m). Первые выводы модулей 23 ГИТ-2 соединены с катодами зарядных диодов 24, а аноды зарядных диодов 24 объединены и соединены с положительным выводом третьего зарядного устройства 22, вторые выводы модулей 23 ГИТ-2 объединены и соединены с отрицательным выводом третьего зарядного устройства 22, вторыми объединенными выводами модулей 18 ГИТ-1 и вторым (заземленным) выводом нагрузки 13 непосредственно. Аноды m разрядных диодов 25 ГИТ-2 соединены с катодами зарядных диодов 24 и первыми выводами m модулей 23 ГИТ-2. Катоды m разрядных диодов 25 ГИТ-2 соединены с первыми выводами m демпфирующих цепочек 26 ГИТ-2 (26.1, …, 26.m), содержащих m резисторов 27 (27.1, …, 27.m), соединенных последовательно с m индуктивностями 28 (28.1, …, 28.m). Вторые выводы m демпфирующих цепочек 26 объединены и соединены с анодом разделительного высоковольтного диодного модуля 29, катод которого соединен с первым (потенциальным) выводом нагрузки 13, вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника 17, а также выводом выходного обостряющего разрядник 12 непосредственно.

В качестве зарядных диодов 15 и зарядных диодов 24 использованы полупроводниковые высоковольтные высокочастотные диоды.

В качестве разрядных диодов 16 и разрядных диодов 25 использованы полупроводниковые высоковольтные диоды, например таблеточной конструкции.

В качестве разделительного высоковольтного диодного модуля 29 использованы последовательно соединенные полупроводниковые высоковольтные диоды, например таблеточной конструкции.

Устройство работает следующим образом.

Режим 1. Режим, в котором работают все генераторы ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2.

Полярность формируемых на нагрузке 13 импульсов тока определяется полярностью на выходах зарядных устройств. При полярности, указанной на чертеже, формируются импульсы с положительной полярностью.

В начальный момент времени (в режиме зарядки) в генераторе ГИН через защитные резисторы 2 и 3, зарядные резисторы 6 и 7 и демпфирующие резисторы 8 выполняется заряд конденсаторов 5. В генераторах ГИТ-1 и ГИТ-2 заряд конденсаторов модулей 18 и заряд конденсаторов модулей 23 выполняется от зарядного устройства 14 и от зарядного устройства 22 через, соответственно, зарядные диоды 15 и через зарядные диоды 24. Уровни зарядных напряжений на конденсаторах ступеней 5 ГИН, конденсаторах модулей 18 ГИТ-1 и конденсаторах модулей 23 ГИТ-2 контролируется с помощью средств измерений. После окончания режима зарядки на управляемый многозазорный разрядник 4 накопителя ГИН подается запускающий импульс, который вызывает срабатывание накопителя ГИН.

Запускающий импульс, который подается на управляемый многозазорный разрядник 4 накопителя ГИН, вызывает последовательное срабатывание неуправляемых разрядников 9. На выходе ГИН, построенного по схеме многоступенчатого умножения напряжения, т.е. на выходе обостряющего разрядника 12, возникает импульс перенапряжения. Обостряющий разрядник 12 срабатывает (замыкается). Происходит разряд накопительных конденсаторов 5 на нагрузку 13 по пути: управляемый многозазорный разрядник 4 накопителя ГИН, неуправляемые многозазорные разрядники 9 (9.1…9.k), демпфирующие резисторы 8 (8.1…8k-1), фронтовой резистор 11, выходной обостряющий разрядник 12, нагрузка 13. Разряд может иметь периодическую или апериодическую форму. Форма импульсов разрядного тока при разряде ГИН определяется параметрами к демпфирующих резисторов 8, фронтового резистора 11 и нагрузки 13.

Одновременно с разрядом ГИН, под действием импульса перенапряжения на обостряющем разряднике 12, срабатывает (замыкается) высоковольтный управляемый разрядник 17. При этом разделительный высоковольтный диодный модуль 29 срабатывает (открывается), когда выходное напряжение конденсаторов модулей 23 сравнивается с выходным напряжением конденсаторов модулей 18 и напряжением на выходе ГИН. Таким образом, при срабатывании разрядника 17, когда выходное напряжение на конденсаторах модулей 18 сравнивается с напряжением на выходе ГИН, к нагрузке 13 подключаются и ГИН, и накопитель ГИТ-1, а при отпирании разделительного высоковольтного диодного модуля 29 к нагрузке 13 подключаются и ГИН, и генераторы ГИТ-1 с ГИТ-2.

Все конденсаторы модулей 18 и конденсаторы модулей 23 разряжаются на нагрузку 13 через разрядные диоды 16 и разрядные диоды 25, а также через, соответственно, демпфирующие цепочки 19 и 26.

Разряд конденсаторов ГИТ-1 и ГИТ-2 может иметь периодическую или апериодическую форму. Энергетически для повышения амплитуды разрядного тока выгоднее работа ГИТ-1 и ГИТ-2 в колебательном режиме, но для проведения квалификационных испытаний (КИ), приемо-сдаточных испытаний (ПСИ), периодических испытаний (ПИ) и типовых испытаний (ТИ) мощного электротехнического оборудования принято использовать импульсы с апериодической формой разряда.

Апериодическая форма импульсов разрядного тока при разряде конденсаторов ГИТ-1 и ГИТ-2 определяется параметрами демпфирующих цепочек 19 и 26, которые выбираются расчетом. При апериодической форме импульсов разрядных токов ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2 имеет место принцип суммирования результирующего импульса тока на нагрузке. Таким образом, при параллельной работе ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2, принцип формирования результирующего импульса тока позволяет использовать работу ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2 на границе их апериодического режима работы с допуском небольшой переполюсовки. При этом необходимые амплитудно-временные характеристики разрядного тока определяются энергоемкостью накопителей ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2, параметрами демпфирующих резисторов 8 (8.1…8.k-1), фронтового резистора 11, параметрами п демпфирующих цепочек 19 (19.1, …, 19.n), и m демпфирующих цепочек 26 (26.1, …, 26.m), которые выбираются при расчете, например, методом компьютерного моделирования в среде MATLAB.

Итак, в нагрузке 13 при разряде ГИН формируется фронт импульса тока, который определяется параметрами демпфирующих резисторов 8 и фронтового резистора 11. При разряде ГИТ-1 и ГИТ-2 формируются необходимые амплитудно-временные характеристики разрядного тока, которые определяются суммарной энергоемкостью накопителей ГИТ-1 и ГИТ-2 и параметрами демпфирующих цепочек. Параметры демпфирующих резисторов 8, фронтового резистора 11 ГИН и параметры демпфирующих цепочек ГИТ-1 и ГИТ-2 выбираются при расчете.

Компьютерное моделирование показывает, что режим, в котором работают все генераторы (ГИН, ГИТ-1 и ГИТ-2), допускает формировать на нагрузке 13 нормированные высоковольтные высокоамперные импульсы тока как миллисекундного, так и микросекундного диапазонов с субнаносекундной длительностью (0,1 мкс - 0,5 мкс) фронтов их нарастания, а также импульсы тока микросекундного диапазона с постоянной составляющей тока молнии, а именно:

- при энергоемкости ГИН равной 38 кДж с выходным напряжением 360 кВ, ГИТ-1 равной 120 кДж с выходным напряжением 74 кВ (с выходным напряжением на конденсаторах модулей 37 кВ) и ГИТ-2 равной 2660 кДж (с выходным напряжением на конденсаторах модулей 6 кВ), значения максимальных (однократных) разрядных токов миллисекундного диапазона с субнаносекундной длительностью фронта амплитудой 75 кА формой 0,5/5000 мкс;

- при энергоемкости ГИН равной 72 кДж с выходным напряжением генератора 540 кВ, ГИТ-1 равной 120 кДж с выходным напряжением 180 кВ (с выходным напряжением на конденсаторах модулей 45 кВ) и ГИТ-2 равной 1331 кДж (с выходным напряжением на конденсаторах модулей 6 кВ), значения разрядных импульсов токов амплитудой 200 кА формой 2/16 мкс с постоянной составляющей тока молнии амплитудой 500 А длительностью 400 мс.

Режим 2. Режим, в котором работают два генератора ГИН и ГИТ-1.

Генераторы ГИН и ГИТ-1, входящие в состав устройства, работают в режимах «зарядки-разрядки» как в Режиме 1. При этом в нагрузке 13 при разряде ГИН формируется фронт импульса тока, который определяется параметрами демпфирующих резисторов 8 (8.1…8.k-1) и фронтового резистора 11, а при разряде ГИТ-1 формируются необходимые амплитудно-временные характеристики разрядного тока, которые определяются энергоемкостью накопителя ГИТ-1 и параметрами п демпфирующих цепочек 19 (19.1, …, 19.n), состоящих из n резисторов 20 (20.1, …20.n), соединенных последовательно с индуктивностями 21 (21.1, …, 21.n). Параметры демпфирующих резисторов 8, фронтового резистора 11 ГИН и параметры демпфирующих цепочек 19 ГИТ-1 выбираются при расчете.

Расчеты показывают, что режим, в котором работают только два генератора (ГИН и ГИТ-1), допускает формировать на нагрузке:

- при энергоемкости ГИН равной 72 кДж с выходным напряжением 540 кВ, ГИТ-1 равной 360 кДж с выходным напряжением 180 кВ (с выходным напряжением на конденсаторах модулей 45 кВ), значения разрядных токов микросекундного диапазона с субнаносекундной длительностью фронта амплитудой 100 кА формой 0,4/100 мкс.

Режим 3. Режим, в котором для формирования на нагрузке 11 высоковольтных высокоамперных импульсов тока микросекундного диапазона работают генераторы ГИТ-1 и ГИТ-2.

В начальный момент времени управляемый разрядник 17 генератора ГИТ-1 разомкнут.Полярность импульсов тока молнии определяется полярностью на выходах зарядных устройств 14 и 22. Для получения на нагрузке 13 разрядных импульсов тока заданной формы выполняется заряд конденсаторов модулей 18 от зарядного устройства 14 через зарядные диоды 15, а от зарядного устройства 22 через зарядные диоды 24 выполняется заряд конденсаторов модулей 23 до предварительно выбранных расчетом уровней зарядных напряжений. Уровни зарядных напряжений на конденсаторах модулей 18 и конденсаторах модулей 24 контролируются с помощью средств измерения. Запускающий импульс подается на управляемый разрядник 17 накопителя ГИТ-1. При срабатывании разрядника 17 к нагрузке 13 подключается накопитель ГИТ-1. Конденсаторы модулей 18 начинают разряжаться на нагрузку 13 через разрядные диоды 16 и демпфирующие цепочки 19. При отпирании разделительного высоковольтного диодного модуля 29 (что происходит, когда потенциал катода диодного модуля 29 становится равным уровню выходного напряжения ГИТ-1) к нагрузке 13 подключается генератор ГИТ-2. Конденсаторы модулей 23 разряжаются на нагрузку 13 через m разрядных диодов 25, m демпфирующих цепочек 26.

Разряд конденсаторов генераторов ГИТ-1 и ГИТ-2 на нагрузку 13 может иметь периодическую или апериодическую форму импульса. Принимаются апериодические формы разряда. Апериодические формы импульсов разрядного тока при разряде конденсаторов генераторов ГИТ-1 и ГИТ-2, определяются параметрами демпфирующих цепочек 19 и 26, которые выбираются расчетом (методом компьютерного моделирования, например в среде MATLAB).

Расчеты показали, что подобный режим, в котором работают только два генератора (ГИТ-1 и ГИТ-2), допускает формировать на нагрузке высокоамперные импульсы тока микросекундного диапазона:

- при энергоемкости ГИТ-1 равной 360 кДж с выходными уровнями напряжений до 90 кВ (при выходном напряжении на конденсаторах модулей 45 кВ) и ГИТ-2 равной 1664 кДж с выходным напряжением (на конденсаторах модулей) равного 7 кВ, значения максимальных (однократных) разрядных токов амплитудой 150 кА формой 10/350 мкс;

Режим 4. Режим, в котором работает только генератор ГИТ-1.

Генератор ГИТ-1 работает в режимах «зарядки - разрядки» как в Режиме 3. При этом при разряде накопителя генератора ГИТ-1 в нагрузке 13 формируется фронт импульса тока и необходимые амплитудно-временные характеристики разрядного тока, которые определяются энергоемкостью накопителя ГИТ-1 и параметрами демпфирующих цепочек 19.

Расчеты показали, что подобный режим, в котором работают только один генератор (ГИТ-1), допускает формировать на нагрузке:

- при энергоемкости ГИТ-1, равной 266 кДж, с выходным напряжением 45 кВ, значения максимальных (однократных) разрядных токов амплитудой 75 кА формой 8/20 мкс;

Таким образом, при работе предлагаемого генератора высоковольтных импульсов в Режимах 1-4, обеспечивается возможность формирования на нагрузке нормированных высокоамперных импульсов тока, а также импульсов тока с постоянной составляющей тока с различными амплитудами и длительностями.

Режим 5. Режим, в котором для формирования на нагрузке 13 высоковольтных нормированных импульсов испытательных напряжений (грозовой апериодический, испытательный апериодический, униполярные апериодические, колебательные и др.) работает только генератор ГИН. При этом ГИН работает в режимах «зарядки - разрядки» как в Режиме 1. Разряд конденсаторов 5 на нагрузку 13 может иметь или колебательный или апериодический вид (периодическую или апериодическую форму разряда). Общие методы испытаний электрической прочности рекомендуют нормированные импульсы испытательных напряжений: грозовой апериодический формой 1,2/50 мкс; испытательный апериодический (коммутационный) формой 250/2500 мкс; униполярные апериодические формой 100/2500 мкс, 500/2500 мкс, 1000/5000 мкс; колебательные с параметрами 100/1000 мкс, 50/500 мкс и др. Периодическая или апериодическая форма разряда конденсаторов накопительных конденсаторов 5 (5.1, …, 5.k) на нагрузку 13 определяется параметрами демпфирующих резисторов 8 (8.1, …, 8.k-1) и фронтового резистора 11, соединенных последовательно. Параметры демпфирующих резисторов 8 и фронтового резистора 11 выбираются расчетом (методом компьютерного моделирования, например в среде MATLAB). Таким образом, в нагрузке 13, при разряде ГИН, формируется апериодический или апериодический импульс тока, амплитудно-временные характеристики которого определяются энергоемкостью накопителя ГИН и параметрами демпфирующих резисторов 8 и фронтового резистора 11.

Итак, по сравнению с прототипом предлагаемый генератор высоковольтных импульсов позволяет реализовать различные режимы работы отличающиеся:

- по полярности и значениям амплитуд разрядного тока и напряжения;

- по значениям скорости нарастания импульсов тока и напряжения;

- по значениям длительности фронта и длительности импульсов разрядного тока;

- по значениям амплитуд, зарядов и длительностям постоянной составляющей тока разряда.

- по значениям скорости нарастания импульсов напряжения, а также по форме испытательных импульсов напряжений (грозовой апериодический, униполярные апериодические, колебательные).

Кроме того, если в Режимах 1-4 работы генератора ГИТ-1 в процессе заряда (в динамическом режиме) происходит пробой одного из конденсаторов модуля 18 или в случае короткого замыкания в одном из n модулей 18, то все конденсаторы (n-1) модулей 18 ГИТ-1 разряжаются на аварийный конденсатор или на аварийный модуль через зарядные диоды 15. Но такой разряд будет происходить только в течение времени их обратного восстановления, которое не превышает единиц микросекунд, что и уменьшает вероятность взрыва аварийного конденсатора или модуля.

Если после окончания процесса зарядки, когда конденсаторы находятся под номинальным напряжением (в статическом режиме), происходит пробой одного из конденсаторов или короткое замыкание в одном из модулей ГИТ-1, все остальные конденсаторы не могут разрядиться на аварийный конденсатор или модуль из-за наличия зарядных диодов 15. Таким образом, исключается вероятность аварийного взрыва конденсаторов ГИТ-1 в статическом режиме.

Если после заряда конденсаторов ГИТ-1 до номинального напряжения и срабатывания высоковольтного управляемого разрядника 17 (динамический режим), происходит пробой одного из конденсаторов ГИТ-1 или короткое замыкание в одном из модулей 18 ГИТ-1, то обратный ток через аварийный элемент будет ограничен разрядными диодами 16, и вероятность аварийного взрыва конденсаторов ГИТ-1 будет снижена.

Если в Режимах 1-3 работы генератора ГИТ-2 в процессе заряда (в динамическом режиме) происходит пробой одного из конденсаторов модуля 23 или в случае короткого замыкания в одном из m модулей 23, все конденсаторы (m-1) модулей 23 ГИТ-2 разряжаются на аварийный конденсатор или на аварийный модуль через зарядные диоды 24. Но процесс такой разрядки будет происходить только в течение времени их обратного восстановления, которое не превышает единиц микросекунд, что и уменьшает вероятность взрыва аварийного конденсатора или модуля.

Если после окончания процесса зарядки, когда конденсаторы находятся под номинальным напряжением (в статическом режиме) происходит пробой одного из конденсаторов или короткое замыкание в одном из модулей ГИТ-2, все остальные конденсаторы не могут разрядиться на аварийный конденсатор или модуль из-за наличия зарядных диодов 24. Таким образом, исключается вероятность аварийного взрыва конденсаторов ГИТ-2 в статическом режиме.

Если после заряда конденсаторов ГИТ-2 до номинального напряжения и срабатывания разделительного высоковольтного диодного модуля 29 (динамический режим) происходит пробой одного из конденсаторов ГИТ-2 или короткое замыкание в одном из модулей 23 ГИТ-2, то обратный ток через аварийный элемент будет ограничен разрядными диодами 25, и вероятность аварийного взрыва конденсаторов ГИТ-2 будет снижена.

Таким образом, в предлагаемом генераторе высоковольтных импульсов обеспечивается надежная защита конденсаторов ГИТ-1 и ГИТ-2 как в статическом, так и в динамическом режимах работы.

Надежная защита к накопительных конденсаторов 5 (5.1, …, 5.k) ГИН в режимах «зарядки - разрядки» обеспечивается первым и вторым защитными резисторами 2 и 3, первым зарядным резистором 6 (6.1, …, 6.k-1) и вторым зарядным резистором 7 (7.1, …, 7.k-1), а также демпфирующими резисторами 8 (8.1, …, 8.k-1) различных ступеней генератора.

Предлагаемое устройство использовалось при проведении технологических (квалификационных, приемо-сдаточных, периодических и типовых) испытаний устройств защиты от импульсных перенапряжений типа УЗИП класса защиты 1 - тип 2 (индекс: УЗИП 04). На Фиг. 2 представлены осциллограммы импульсов тока и напряжения при последовательной подаче на УЗИП двух импульсов тока формой 10/350 мкс амплитудой не менее 75 кА (I_{imp 75}) с интервалом менее 5 мин.

Испытания проводились при работе устройства «Генератор высоковольтных импульсов» в Режиме 3. При этом ГИТ-1 собран на конденсаторах типа ИК50-6 с емкостью в ударе 30 мкФ, уровень зарядного напряжения 30 кВ, а ГИТ-2 собран на конденсаторах типа К75 - 40а - 5000 В, 40 мкф с емкостью в ударе 6 мФ, уровень зарядного напряжения 3 кВ. На выходе генератора ГИТ-1 установлен управляемый разрядник типа РВУ-43 УХЛ3. При этом в разделительном высоковольтном диодном модуле использованы высоковольтные диоды типа Д273-2500-50 УХЛ2, которые были собраны последовательно. В качестве нагрузки 13 использованы УЗИП класса защиты 1 - тип 2 (т.е. нагрузкой являлся ограничитель импульсных перенапряжений, содержащий блок варисторов). Для проведения измерений использовались поверенные коаксиальный шунт и делитель напряжения, результаты испытаний регистрировались осциллографом типа Tektronix TDS 2024С, который, для уменьшения электромагнитных наводок, помещался в металлический бокс. Из результатов периодических испытаний следует, что УЗИП класса защиты 1 - тип 2 успешно выдерживает испытания последовательной подачи на УЗИП двух импульсов тока молнии формой 10/350 мкс амплитудой I_max=75 кА, при этом остаточное напряжение U_mlv=1520 В.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Генератор содержит генератор импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса, содержащий первое регулируемое зарядное устройство, первый и второй защитные резисторы, управляемый многозазорный разрядник, ряд одинаковых ступеней, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения, каждая из которых содержит накопительный конденсатор с первыми и вторыми полюсами, первый и второй зарядные резисторы, демпфирующий резистор и неуправляемый многозазорный разрядник, а также выходную ступень, содержащую, в свою очередь, накопительный конденсатор с первым и вторым полюсами, неуправляемый многозазорный разрядник, разделительный резистор, фронтовой резистор и выходной обостряющий разрядник. В генератор введены первый и второй генератоы импульсов тока (ГИТ-1, ГИТ-1), высоковольтный управляемый разрядник и высоковольтный разделительный диодный модуль, при этом каждый из генераторов импульсных токов содержит регулируемое зарядное устройство, ряд параллельно соединенных модулей, содержащих несколько параллельно соединенных конденсаторов, ряд зарядных и разрядных диодов, а также ряд демпфирующих цепочек, состоящих из последовательно соединенных резисторов и индуктивностей. Причем класс напряжения конденсаторов, используемых в ГИН, значительно выше, а энергоемкость значительно ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-1, при этом класс напряжения конденсаторов, используемых в модулях ГИТ-1, значительно выше, а энергоемкость значительно ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-2. Технический результат - возможность реализации различных режимов работы генератора, отличающихся по полярности и значениям амплитуд разрядного тока и выходного напряжения; по значениям скорости нарастания импульсов напряжения; по длительности фронта и импульсов разрядного тока; по полярности и значениям амплитуд зарядов и длительностям постоянной составляющей тока молнии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор высоковольтных импульсов, структурно построенный как многоступенчатый генератор импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса, содержащий первое регулируемое зарядное устройство, первый и второй защитные резисторы, управляемый многозазорный разрядник, ряд одинаковых ступеней, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения, каждая из которых содержит накопительный конденсатор с первыми и вторыми полюсами, первый и второй зарядные резисторы, демпфирующий резистор и неуправляемый многозазорный разрядник, а также выходную ступень, содержащую, в свою очередь, накопительный конденсатор с первым и вторым полюсами, неуправляемый многозазорный разрядник, разделительный резистор, фронтовой резистор и выходной обостряющий разрядник; причем выводы первого регулируемого зарядного устройства через первый и второй защитные резисторы соединены с первым и вторым полюсами накопительного конденсатора первой ступени, при этом один вывод управляемого многозазорного разрядника соединен с первым полюсом накопительного конденсатора первой ступени, а другой вывод заземлен; кроме того, в каждой ступени, кроме первой, первый полюс накопительного конденсатора соединен с точкой соединения демпфирующего резистора предыдущей ступени с первым зарядным резистором следующей ступени, а второй полюс накопительного конденсатора каждой ступени соединен с точкой соединения второго зарядного резистора предыдущей ступени, второго зарядного резистора последующей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника, другой вывод которого соединен непосредственно с точкой соединения первого зарядного резистора и демпфирующего резистора, кроме того, первый полюс накопительного конденсатора выходной ступени соединен с точкой соединения демпфирующего резистора предыдущей ступени и разделительного резистора, второй полюс накопительного конденсатора выходной ступени соединен с выводом второго зарядного резистора предыдущей ступени и выводом неуправляемого многозазорного разрядника, другой вывод которого соединен с точкой соединения разделительного и фронтового резисторов, другой вывод фронтового резистора соединен с выходным обостряющим разрядником, выход которого соединен с потенциальным выводом нагрузки, при этом второй заземленный вывод нагрузки соединен с заземленным выводом управляемого многозазорного разрядника первой ступени, отличающийся тем, что введены первый генератор импульсов тока (ГИТ-1), второй генератор импульсов тока (ГИТ-2), высоковольтный управляемый разрядник и высоковольтный разделительный диодный модуль, при этом каждый из генераторов импульсных токов содержит регулируемое зарядное устройство, ряд параллельно соединенных модулей, содержащих несколько параллельно соединенных конденсаторов, ряд зарядных и разрядных диодов, а также ряд демпфирующих цепочек, состоящих из последовательно соединенных резисторов и индуктивностей, при этом первые выводы модулей каждого из генераторов импульсных токов соединены с катодами зарядных диодов, аноды которых объединены и соединены с положительным выводом соответствующего регулируемого зарядного устройства, вторые выводы модулей каждого из генераторов импульсных токов объединены и соединены с отрицательным выводом соответствующего регулируемого зарядного устройства и вторым заземленным выводом нагрузки, аноды разрядных диодов соединены с катодами зарядных диодов и первыми выводами модулей, катоды разрядных диодов соединены с первыми выводами демпфирующих цепочек, вторые выводы демпфирующих цепочек ГИТ-1 объединены и соединены с первым выводом высоковольтного управляемого разрядника непосредственно, второй вывод высоковольтного управляемого разрядника соединен с первым потенциальным выводом нагрузки непосредственно, а вторые выводы демпфирующих цепочек ГИТ-2 объединены и присоединены к аноду высоковольтного разделительного диодного модуля, катод которого соединён с первым потенциальным выводом нагрузки, выводом выходного обостряющего разрядника ГИН и вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника непосредственно.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что класс напряжения конденсаторов, используемых в ГИН, выше, а энергоемкость ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-1, при этом класс напряжения конденсаторов, используемых в модулях ГИТ-1, выше, а энергоемкость ниже, чем в конденсаторах, используемых в модулях ГИТ-2.