Поиск по сайту:
Главная страница » Эталоны » В.В. Киселев, С.А. Кононогов, "Государственный первичный специальный эталон электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов в диапазоне от 1 до 1000 КВ"

Государственный первичный специальный эталон электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов в диапазоне от 1 до 1000 КВ




В.В. Киселев, С.А. Кононогов.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы»

(ФГУП «ВНИИМС»), Москва, Россия, e-mail: office@vnilms.ru

Создание Государственного первичного специального эталона электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов в диапазоне от 1 до 1000 кВ призвано обеспечить прослеживаемость измерений импульсных высоких напряжений и, как следствие, их достоверность. В статье приводятся области распространения измерений электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов высокого напряжения, метрологические характеристики эталона, состав эталона, структура обеспечения единства измерений стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов высокого напряжения в областях промышленности, науки и техники.

Ключевые слова: эталон, электрическое напряжение, грозовые и коммутационные импульсы, импульсные высокие напряжения.

Establishment of the State of the primary special reference voltage standardized lightning and switching pulses in the range of 1 to 1000 kV intended to ensure traceabiiity of pulsed high voltage and, consequently, their credibility. The article describes the dissemination of standardized measurement voltage lightning and switching high voltage pulses, the metrological characteristics of the stanedard, the standard composition, structure, measurement traceabiiity standardized lightning and switching high voltage pulses in the fields of industry, science and technology.

Key words: reference, voltage, lightning and switching pulses, pulse high voltage.

1. ОБЛАСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СТАНДАРТИЗОВАННЫХ ГРОЗОВЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ



Импульсы высоких напряжений широко используют в различных областях науки и техники. Так, в электротехнике высоких напряжений импульсы применяют при испытаниях высоковольтной аппаратуры, в электрических сетях для имитации внутренних коммутационных и грозовых перенапряжений, для моделирования защитных устройств для определения вольт-секундных характеристик разрядников, исследования защитного действий молниеотводов, изучения физики высоковольтного разряда и т.д.

В экспериментальной физике импульсы высоких напряжений генерируют для создания сильных импульсных электрических полей при исследовании процессов электрического пробоя, для получения кратковременных вспышек рентгеновского излучения, для питания искровых камер, электронно-оптических преобразователей, ячеек Керра, а также в ускорителях заряженных частиц.

Можно сказать, что сегодня наибольшее распространение импульсы высокого напряжения получили при испытаниях различных видов изоляции (линейной, аппаратной, трансформаторной), благодаря широкому применению электричества и развитию электроэнергетики.

По данным многочисленных наблюдений даже в бытовых электросетях значения напряжений грозовых и коммутационных импульсов, возникающих по объективным физическим причинам, могут достигать 20 кВ. А исследования, проводимые при эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0,4 кВ, позволяют утверждать, что напряжения коммутационных импульсов на силовых электродвигателях могут превышать 70 кВ.

Если же говорить о сетях 110 кВ и выше, то уже давно известно, что оборудование таких линий электропередач подвержено воздействию, кроме, собственно рабочего напряжения, также кратковременным перенапряжениям, возникающим либо в результате коммутации, либо за счет воздействия грозовых разрядов.

Все эти импульсные напряжения по амплитуде намного превышают наибольшее рабочее напряжение, и в соответствии с причиной их возникновения данные перенапряжения разделяют на грозовые и на коммутационные.

Грозовые перенапряжения определяются как процессом грозового разряда, имеющим большой статистический разброс, так и процессами отражений и затуханий волн в линиях электропередач. Коммутационные перенапряжения и их изменение во времени зависят от структуры электросети и вида коммутации.

Перенапряжения воздействуют на изоляцию, и в большинстве случаев именно они определяют уровень изоляции электрооборудования.

При этом воздействие импульсов на изоляцию отличается от воздействия переменного и постоянного напряжений из-за гораздо большей скорости изменения напряжения, приводящей к другому распределению напряжения по сложной изоляции; кроме того, сам процесс пробоя при малых временах отличается от процесса пробоя при других типах напряжения, что описывается вольт-секундными характеристиками.

Таким образом, испытания изоляции повышенным импульсным напряжением позволяют выявить локальные дефекты, которые невозможно обнаружить иными методами. Такой метод испытаний является прямым методом контроля способности изоляции выдерживать воздействия перенапряжений и дает определенную уверенность в качестве изоляции.

Воздействие грозовых перенапряжений на изоляцию часто сопровождается срабатыванием защитных разрядников, срезающих волну перенапряжения через несколько микросекунд после ее начала, и поэтому при испытаниях используют и импульсы, как срезанные на фронте, так и срезанные через 3-5 мкс после начала импульса (срезанные грозовые импульсы).

Испытания импульсными напряжениями проводят еще и потому, что изоляция в процессе эксплуатации подвергается воздействию грозовых и коммутационных перенапряжений со схожими характеристиками. На практике импульсы напряжения представляют собой волны напряжения длительностью от долей микросекунд до нескольких тысяч микросекунд. Однако, если необходимо провести качественное испытание изоляции, то необходимо воспроизвести нормированное изменение во времени испытательного напряжения.

Форма импульса должна быть относительно простой, чтобы ее можно было воспроизводить при очень высоких напряжениях с приемлемыми затратами на испытательное оборудование. Импульсы сравнительно простой формы, используемые для испытания на электрическую прочность изоляции, называются испытательными стандартизованными импульсами. Они делятся на стандартизованные грозовые для имитации грозовых перенапряжений и на стандартизованные коммутационные, воспроизводящие напряжения, возникающие при коммутациях.

Из выше сказанного следует, что изоляция электротехнического оборудования высокого напряжения, при его выпуске из производства, должна подвергаться испытаниям кратковременным напряжением, которое имитирует возникающие при эксплуатации перенапряжения. Испытания производятся как на типовом образце электрооборудование, так и на его составных частях, если это необходимо. При испытаниях к изоляции, выпускаемой из производства продукции, прикладывается испытательное напряжение, превышающее рабочее напряжение, и при этом нормальная изоляция выдерживает испытания, а дефектная - пробивается.

Испытательные стандартизованные импульсные напряжения нормируют в целом ряде отечественных стандартов, таких как ГОСТ 1516.2-97 «Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции», ГОСТ 2990-88 «Кабели, провода и шнуры. Методы испытания напряжением», ГОСТ Р 53354-2009 «Кабели и их арматура. Испытания импульсным напряжением», ГОСТ 2933-93 «Аппараты электрические низковольтные. Методы испытаний», ГОСТ 26093-93 «Изоляторы керамические. Методы испытаний», ГОСТ Р 51317.4.4-2007 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний», ГОСТ 687-78 «Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия», ГОСТ 17512-82 «Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше. Методы измерения при испытаниях высоким напряжением», ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Рассматривая оба импульса напряжений - грозовой и коммутационный, можно видеть, что в большинстве нормативных документов их воспроизведение нормируется наложением двух экспоненциальных функций, нарастающей и затухающей. Это означает, что схема для получения этих импульсов должна содержать, по крайней мере, два накопителя энергии, чтобы обеспечить требуемую двухэкспоненциальную форму кривой. Так как индуктивный накопитель с большой накапливаемой энергией не пригоден для быстрого разряда в микросекундном диапазоне, а испытуемый объект чаще всего представляет собой емкостную нагрузку, то в качестве генераторов используются схемы с емкостным накопителем энергии, а индуктивностью в схемах генератора пренебрегают, так как она мала вследствие конструктивных решений.

Ниже, на рисунках представлены некоторые из образцов стандартизованных форм импульсов, применяемых при испытаниях электротехнического оборудования.

     

  



Тот факт, что состояние и долговечность современного электрооборудования, его конкурентоспособность напрямую зависят от прочности изоляции, заложенной заводами-изготовителями, ни у кого не вызывает сомнений.

Сегодня испытаниями и исследованиями импульсными высокими напряжениями занимается целый ряд НИИ, достаточно перечислить такие из них, как ВЭИ им. В. И. Ленина, ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, НИЦВВА, НИИВА, НИИКП, СибНИИЭ, а также порядка сотни заводских лабораторий трансформаторных, кабельных, конденсаторных, электротехнических и других предприятий.

В последнее время достаточно быстрыми темпами развиваются диагностические направления, направленные на проверку изоляционных свойств оборудования, находящегося в эксплуатации. При профилактических или послеремонтных испытаниях проверяется способность изоляции проработать без отказа до следующих очередных испытаний. Контроль изоляции повышенным напряжением при профилактических испытаниях проводится величиной испытательных напряжений на 10-15% ниже заводских норм. Этим снижением учитывается старение изоляции и ослабляется опасность накопления дефектов, возникающих при испытаниях. Контроль изоляции повышенным напряжением в условиях эксплуатации проводится для многих видов электрооборудования (вращающиеся машины, силовые кабели и т.д.) с использованием мобильных испытательных установок.

Таким образом, из всего сказанного выше следует, что достаточно важным фактором испытаний и исследований на импульсном высоком напряжении является измерение параметров испытательного импульса напряжения, в частности, его амплитуды и формы. В свою очередь, точность измерения является гарантией того, что, например, при испытаниях и исследованиях свойств и характеристик изоляционных конструкций и материалов электрооборудования, электротехнических устройств, электродвигателей, трансформаторов, электрических кабелей, электроаппаратов и других установок будет обеспечена надежная и безаварийная их работа при эксплуатации.

Нельзя исключать из областей распространения и оборудование (электротехническое и измерительное), экспортируемое за рубеж и импортируемое из-за рубежа. Соответствие измерений электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов мировому уровню позволяет покупать, производить и продавать конкурентно способную продукцию как внутри страны, так и на мировом рынке.

Все это послужило толчком к созданию Государственного первичного специального эталона (ГПСЭ) электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов в диапазоне от 1 до 1000 кВ, призванного обеспечить прослеживаемость измерений импульсных высоких напряжений и, как следствие, их достоверность.


2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭТАЛОНА



В рамках создания Государственного первичного специального эталона электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов по результатам его всесторонних исследований были получены метрологические характеристики, представленные в таблице.

3. СОСТАВ ЭТАЛОНА

Опираясь на международный опыт в данной области измерений, а также на результаты международных сличений с участием более ранних разработок ВНИИМС, сотрудниками института были разработаны технические требования и заказано изготовление эталонного комплекса для воспроизведения и измерения импульсов высокого напряжения стандартизованных форм в динамическом диапазоне от 1 до 1000 кВ.

Генератор импульсов высокого напряжения

Генератор импульсов высокого напряжения или генератор импульсных напряжений (ГИН) является достаточно важной составляющей частью как для проведения испытаний, так и для осуществления измерений. Для получения очень высоких напряжений используются, как правило, многоступенчатые схемы. В составе используемого для эталона ГИН ко-
личество конденсаторов (ступеней) равно 11, которые могут заряжаться до напряжения 100 кВ, каждая. Таким образом, можно получить на выходе ГИН номинальное зарядное напряжение 1100 кВ.

Существенным параметром ГИН является его высота, а если точнее, то отношение номинального напряжения ГИН к высоте его конструкции. Для современных генераторов, выпускаемых лучшими фирмами мира, он составляет примерно 200-300 кВ/м. Этот параметр определяет высоту потолка зала высоковольтной лаборатории. 

На фото 1 представлен внешний вид ГИН, используемого в эталоне. Он состоит из следующих основных блоков: зарядный выпрямитель, зарядно-разрядное устройство и пульт управления.

Модульная конструкция позволяет использовать разное количество ступеней зарядного напряжения (от одной и более), что обеспечивает стабильную работу ГИН на разных уровнях импульсного напряжения. В ГИН достигнута простота работы благодаря микропроцессорной системе управления. Также, в ГИН предусмотрены защитное устройство и устройство заземления.

Принцип работы ГИН заключается в параллельной зарядке конденсаторов и в их разряде на нагрузку при последовательном соединении с помощью коммутирующих разрядников. Это напряжение прикладывается к эталонному делителю импульсного напряжения, являющемуся одновременно и нагрузкой ГИН.

Малая длительность фронта импульса может быть обеспечена за счет сопротивления, а требуемая длительность импульса получается за счет медленного разряда емкостей через сопротивление. Максимальное значение выходного напряжения регулируется за счет напряжения пробоя разрядника. В конструкции ГИН применены управляемые разрядники, и для управления ими измеряется зарядное напряжение, т.е. по достижении требуемого значения напряжения с пульта управления подается сигнал на запуск разрядников. Такая конструкция позволяет осуществлять работу генератора в режиме повторяющихся импульсов с постоянной амплитудой.

Формируемые импульсы имитируют воздействие грозовых и коммутационных импульсов со стандартизованными формами волны.

Современные генераторы импульсных напряжений позволяют путем замены определенных элементов создавать импульсы, имитирующие различные формы стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов напряжения. Поставлямые в комплекте резисторы, служат для формирования основных форм (наиболее распространенных) грозовых и коммутационных импульсов.

Число ступеней,п 11
Зарядная емкость каждой ступени 1000 нФ
Зарядное напряжение каждой ступени <100 кВ

Суммарное зарядное напряжение

<1100 кВ
Полная энергия заряда < 55 кДж
Время между импульсами >60 с
Форма стандартизован­ного грозового импульса 1,2/50 мкс
Форма стандартизо­ванного коммутацион­ного импульса 250/2500 мкс

ГИН имеет следующие технические характеристики:

  • Напряжение питания ГИН от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. 
  • Потребляемый ток не более 25 А. 
  • Условия работы от 5 до 40 °С, при влажности < 90%.
  • Габаритные размеры и масса ГИН: 4740x1600x1600, 1800 кг.


Пульт управления в составе ГИН предназначен для подачи и контролирования необходимого уровня напряжения на зарядное устройство, через которое, в свою очередь, обеспечивается заряд постоянным напряжением конденсаторных батарей. Напряжение регулируется в пределах до 1000 кВ. Заданный уровень напряжения с помощью автоматики поддерживается практически неизменным до момента запуска разрядного устройства, затем в режиме ручного или автоматического запуска происходит перезарядка до того же заданного значения. С помощью вольтметра постоянного тока в пульте управления контролируется выбранное зарядное напряжение.

Конструктивно пульт управления выполнен в одной стойке вместе с регистратором импульсов.
На фото 2 показан отсек, в котором располагается устройство управления генератором импульсного напряжения.


Эталонный анализатор импульсов высокого напряжения На фото 3 представлен внешний вид стойки Полностью, в которой, помимо пульта управления, также расположен и анализатор напряжения эталонный импульсный (АНэи).



АНэи предназначен для решения многих задач, имеющих место в современной измерительной технике, и связанных с обработкой измеренной информации. Принцип действия АНэи основан на цифровом преобразовании входных аналоговых сигналов однократных импульсов напряжения или периодического сигнала определенной формы. АНэи состоит из регистратора импульсов, промконтроллера и TFT дисплея с клавиатурой и мышью. Промконтроллер, с соответствующим программным обеспечением, позволяет анализировать записанные регистратором сигналы. Напряжение и соответствующая форма волны отображаются графически с учетом масштаба преобразования.

Программное обеспечение включает «Графический интерфейс пользователя», регистрацию данных измерений, автоматическую оценку всех параметров грозовых и коммутационных импульсов напряжений в соответствии с МЭК 60060-1, ручное измерение параметров с помощью курсора, изменение масштаба, каналов, хранение данных и подготовку протоколов

Эталонный делитель импульсного высокого напряжения

Внешний вид делителя высокого напряжения эталонного импульсного (ДВНэи) представлен на фото 4.



Делитель предназначен для преобразования высокого напряжения в низковольтный сигнал, приемлемый для измерения с помощью анализатора импульсов напряжения.

Делитель выполнен по емкостной технологии с включением гасящих колебания резисторов. Емкостный делитель напряжения состоит из цепочки последовательно соединенных конденсаторов одинаковой емкости, включенных на измеряемое напряжение, и последовательно включенных демпфирующих резисторов. Структурная схема делителя представлена на рисунке 7.



Преимуществом емкостных делителей напряжения является возможность их применения при измерениях высоких и сверхвысоких напряжений. При этом, емкостный делитель напряжения дает лучшие результаты при измерении напряжений высоких частот.

Конденсаторы внутри делителя состоят из набора последовательно включенных высокостабильных емкостей, закрепленных в корпусе и имеющих выводы в виде цилиндрических экранов Высоковольтные конденсаторы делителя состоят из наполненного маслом конденсатора с низкой индуктивностью в изолирующем резервуаре. Низковольтный конденсатор, обладающий низкой индуктивностью, установлен в корпусе из листовой стали под высоковольтным конденсатором.В блоке имеется измерительный выход в виде коаксиального разъема, подключенного к низковольтному плечу через согласующий резистор RdK номиналом 50 Ом. Согласующий резистор необходим для подавления отраженных волн в подключаемом измерительном кабеле. Как уже упоминалось, в высоковольтной и низковольтной частях делителя установлены демпфирующие резисторы, необходимые для подавления высокочастотных колебаний, образующихся из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей.

Для уменьшения паразитной емкости на землю, из-за чего может происходить неравномерное распределение напряженности вдоль длины делителя, что, в свою очередь, приведёт к изменению коэффициента деления, используется высоковольтный экран, подсоединённый к высоковольтному выводу делителя.

Конструктивные решения отличаются компактностью, простотой и надежностью в работе.

Делитель состоит из двух ступеней плеча высокого напряжения: 600 кВ примерно 1330 пФ и 500 кВ -1600 пФ и одной ступени плеча низкого напряжения: 1000 В - 1000 иФ.

Высота делителя 4000 мм; диаметр 1600 мм; масса 650 кг.

Высоковольтная лаборатория

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Эталоны » В.В. Киселев, С.А. Кононогов, "Государственный первичный специальный эталон электрического напряжения стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов в диапазоне от 1 до 1000 КВ"