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

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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

Введение

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

Наименования электрооборудования

Класс напряжения, кВ

110

220

500

750

1150

Трансформатор напряжения

200

300

350

400

500

Таблица 1. 2

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

Номинальное напряжение установки, кВ

500

1000

2000

4000

5000

Величина ёмкости, пФ

200

200

2000

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 [2] выбираются импульсные конденсаторы типа ИК. Характеристики приведены в таблице 2.1.

Таблица 2. 1

Характеристики импульсных конденсаторов Simens — M

Тип конденсатора

, кВ

, мкФ

, нГн

Габаритные размеры без изоляторов, мм

Масса, кг

Материал бака

M

300

0,440

1500

Ф 380; Н=1020

1200

Диэлектрик

— 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

Номинальная мощность, кВА

Напряжение высокой стороны, кВ

Напряжение низкой стороны, кВ

Номинальный ток, А

20

100

0,2

5

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]

Среднее значение прямого тока, А

Допустимая амплитуда обратного напряжения, В

Прямое падение напряжения, В

Среднее значение обратного тока, мА

0,4

150 000

135

0,4

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

Номинальное первичное напряжение, В

Номинальное вторичное напряжение, В

Мощность, кВА

Наибольший вторичный ток, А

220

10

24

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.

Список литературы

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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой