CC BY
182
Сведения об авторах Джура Дмитрий Алексеевич
студент Кольского филиала Петрозаводского государственного университета Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Космонавтов, д.3 эл. почта: dzhura@email.com
Селиванов Василий Николаевич
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, кандидат технических наук
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
М.Б.Баранник, В.В.Колобов
РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ТОКА С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Аннотация
Рассмотрены преимущества применения импульсных источников тока на основе индуктивного накопителя энергии в экспериментальных установках для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств. Приведена схема источника с индуктивным накопителем и описан принцип работы.
Ключевые слова:
генератор импульсов тока, индуктивный накопитель энергии, заземляющее устройство, импульсное сопротивление.
M.B.Barannik, V.V.Kolobov
DEVELOPMENT OF CURRENT PULSE GENERATOR
WITH INDUCTIVE ENERGY STORAGE TO MEASURE IMPULSE RESPONSE
OF GROUNDING
Abstract
Applying advantages of inductive pulse generator for measuring grounding impulse response are described. Some aspects of electronic circuit design and electronic components of the device are presented.
Keywords:
current pulse generator, inductive energy storage, grounding, impulse impedance.
Одним из факторов, влияющих на надежность защиты электроустановок, является величина импульсных сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ) подстанций и опор линий электропередачи. Под локальным импульсным сопротивлением заземления понимается расчетная величина, равная отношению мгновенных значений импульсного напряжения на заземлителе и импульсного тока через него, при временах, не превышающих первых единиц микросекунд, когда растекание происходит лишь с ближней зоны заземляющего устройства аппарата и не охватывает все заземляющие устройства электроустановки [1]. Так как при импульсных воздействиях не существует такой общепринятой характеристики заземляющих устройств, как понятие стационарного сопротивления R при низкочастотных воздействиях [2], то для определения импульсных характеристик заземляющих устройств необходимо иметь кривые тока и напряжения на ЗУ, которые затем могут обрабатываться с помощью различных алгоритмов. Примеры экспериментальных кривых тока и напряжения на ЗУ и расчетного мгновенного сопротивления приведены в [2].
Методика экспериментального определения импульсных характеристик заземляющих устройств основана на способе измерения сопротивлений методом трех электродов [3, 4]. В состав экспериментальной установки входят генератор импульсных токов, два протяженных проводника, которые в случае импульсных измерений образуют токовую и потенциальную линии, первичные датчики тока и напряжения, цифровой двухканальный осциллограф. Генератор формирует в токовой линии импульсы с необходимыми амплитудными и временными характеристиками. Исходными данными для вычисления импульсного сопротивления заземления являются зарегистрированные цифровым осциллографом формы импульсов тока и напряжения в соответствующих линиях. В качестве генератора используется импульсный источник тока на основе емкостного накопителя. В ходе работ по разработке и совершенствованию методики измерений локальных импульсных сопротивлений заземлителей оборудования подстанций и ЛЭП в ЦФТПЭС КНЦ РАН было спроектировано и изготовлено несколько действующих макетов генераторов импульсных токов с емкостным накопителем энергии. Опыт их применения показал, что существует ряд факторов, которые приводят к искажению формы анализируемых импульсов тока и напряжения и затрудняют достоверное определение импульсного сопротивления заземления.
Одним из таких факторов является неравномерное распределение волнового сопротивления вдоль токовой линии. На рис.1 приведены осциллограммы кривых тока и напряжения на ЗУ и расчетное мгновенное сопротивление. Перегиб кривой тока в районе 0.3 мкс вызван значительным изменением волнового сопротивления на соответствующем участке токовой линии.
18
7000
6000
3000
700
600
300
О1 о
Г\
і / \ ч I
и
/
/ ъ
/ /
1/ / /
у \,
О 0.2 0.4 0.6 0.8
1.2 1.4 1.6 1.8
2.2 мкс
Рис.1. Экспериментальные кривые тока и напряжения на ЗУ и расчетное мгновенное сопротивление в случае неравномерного распределения волнового сопротивления вдоль токовой линии
Другим фактором, искажающим форму импульса тока, является наличие отражения волны от конца токовой линии при отсутствии согласования. Отсутствие согласования может быть вызвано как разомкнутой на конце линией (режим холостого хода), так и неравенством величины сопротивления заземления на конце линии ZЗ^ и волнового сопротивления токовой линии ZWI, составляющего величину порядка 400 Ом. На рис.2 на кривой тока при времени 0.9 мкс наблюдается резкий перегиб, вызванный отражением волны тока из-за отсутствия согласования на конце линии ^З! ^то). На рис.1 такой перегиб выражен в меньшей степени, что свидетельствует о том, что линия достаточно хорошо согласована ^З1^ц1).
15
12
7000
5000
4000
2000
1000
Ом
700
500
400
200
100
,1
/
/
, / /- ч А
!/ \,
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 мкс
Рис.2. Экспериментальные кривые тока и напряжения на ЗУ и расчетное мгновенное сопротивление для случая плохого согласования токовой линии и наличия отраженной волны
Кроме того, в условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением, когда сопротивление заземлителя может достигать нескольких сотен Ом, растет постоянная времени переходного процесса в заземлителе т, для которой можно записать:
т-Сз-Яз,
где СЗ и Яз - эквивалентные емкость и сопротивление заземлителя. В этом случае фронты регистрируемых импульсов напряжения затягиваются (рис.3 в работе [2]) и время двойного пробега волны по токовой и потенциальной линии может оказаться существенно меньше величины 3-т, что приводит к возникновению на плато импульсов искажений, вызванных отражением от концов линии, и, соответственно, к невозможности определения параметров ЗУ.
Рис.3. Функциональная схема источника тока с индуктивным накопителем энергии для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств: ГИТ - генератор импульсных токов; ПП - преобразователь питания; МК - микроконтроллер; ДРВ - драйверы управления \GBT- и MOSFET-ключами
Чтобы избежать описанных выше искажений, необходимо обеспечить постоянство формы импульса в токовой линии независимо от степени ее согласования и распределения волнового сопротивления вдоль нее. Такое постоянство формы импульса тока может быть обеспечено применением в качестве генератора источника тока с индуктивным накопителем энергии.
В настоящее время исследования по разработке и созданию импульсных источников тока с индуктивным накопителем проводятся в основном в области высоких энергий. Известно, что индуктивные накопители многократно превосходят емкостные накопители по запасаемой удельной энергии, что резко уменьшает их сравнительные габариты, вес и стоимость. Это обстоятельство является решающим при создании накопителей с большими энергиями [5]. Известные высоковольтные и сильноточные источники импульсов применяются для питания импульсных ускорителей электронных пучков, источников рентгеновского и нейтронного излучения, лазеров, а также в устройствах для обработки поверхности различных материалов. Исследования ведутся в направлении повышения эффективности передачи энергии в нагрузку, что определяется в основном схемными решениями источников и конструкционно-технологическим исполнением индуктивного накопителя. Кроме того, исследуются различные варианты коммутирующих устройств индуктивных накопителей энергии, в особенности ключа, разрывающего зарядный ток как наиболее критичного компонента схемы источников, формирующих мощные импульсы наносекундной длительности. В сверхмощных устройствах такой ключ должен в наносекундном диапазоне времени отключать токи величиной в несколько кА и выдерживать напряжения порядка 106 В. В качестве разрывающего ток ключа в таких устройствах применяются взрывные и плазменные прерыватели, в устройствах меньшей мощности - разрядники, тиратроны, тиристоры. Более современные твердотельные приборы в накопителях больших энергий пока не находят применения.
В разрабатываемом источнике тока для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств определяющим фактором применения схемы с индуктивным накопителем энергии является описываемый законами коммутации принцип непрерывности во времени потокосцепления в индуктивности [6]. Согласно принципу непрерывности запас энергии магнитного поля в катушке индуктивности и ток в индуктивности не могут измениться скачком. Следовательно, генератор импульсных токов на основе индуктивного накопителя способен обеспечить при изменяющихся параметрах нагрузки постоянство амплитуды импульса тока в линии в интервале времени, достаточном для проведения измерений.
Функциональная схема источника тока для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств на основе индуктивного накопителя энергии приведена на рис.3. Основными элементами генераторов импульсных токов на основе индуктивных накопителей являются сам индуктивный накопитель энергии и размыкатель тока. В качестве индуктивного накопителя выступает трансформатор T, а в качестве ключа - транзистор УГ2. Генератор построен по схеме обратноходового преобразователя [7]. В таком преобразователе фаза накопления энергии и фаза передачи ее в нагрузку разделены во времени и трансформатор Т является по сути двухобмоточным накопительным дросселем [8]. В фазе накопления энергии индуктивным накопителем транзистор УТ2 открыт. Ток в индуктивности первичной обмотки трансформатора Т будет нарастать до тех пор, пока управляющий контроллер (МК) не даст команду на выключение транзистора УТ2. После закрытия УТ2 полярность напряжения на выводах трансформатора Т вследствие самоиндукции меняется на противоположную, открывается диод У02 и накопленная в индуктивном элементе энергия поступает в нагрузку (фаза передачи энергии). В линии, подключенной к выходу генератора, формируется импульс тока. При этом на первичной обмотке индуктивного элемента Т возникает выброс напряжения Ц. Это напряжение значительно превышает напряжение питания иП транзистора УТ2. Напряжение на выводах ключевого элемента УТ2 составит величину иОл=Ц+иП. Исходя из величины иоЛ выбирается класс напряжения транзистора УТ2. Для предотвращения потенциального пробоя ключа УТ2 в случае обрыва нагрузки (токовой линии) в схеме используется защитный варистор Яи.
В качестве УТ2 оптимальным является применение новейших типов ГСВТ-транзисторов, имеющих высокую пропускную способность по току и малое время переключения, что увеличивает эффективность передачи энергии из накопителя в нагрузку и позволяет формировать выходные импульсы тока с фронтами длительностью первые сотни наносекунд.
Для увеличения добротности индуктивного накопителя Т целесообразно использовать сердечник из магнитных материалов на основе смеси порошкового никеля и железа или сплава железа с алюминием. Такие материалы обладают высокой индукцией насыщения, малыми потерями на высоких частотах, низкой магнитной проницаемостью.
Так как разрабатываемый генератор питается от низковольтного гальванического элемента (аккумулятора), то для формирования необходимой величины напряжения ип заряда индуктивного накопителя в схеме используется импульсный повышающий преобразователь на основе элементов Ь, УТ1, У01 и С2. Для управления силовыми ключами индуктивного накопителя (УТ2) и повышающего преобразователя (УТ1) применены специальные драйверные микросхемы (ДРВ). Микроконтроллер МО обеспечивает формирование сигнала управления ключом индуктивного накопителя и выполняет функции ШИМ-контроллера повышающего преобразователя. Преобразователь питания (ПП) формирует необходимые уровни напряжений для питания микроконтроллера и драйверных схем.
Необходимо отметить, что кроме обеспечения постоянства формы импульса в токовой линии источник тока на основе индуктивного накопителя обладает еще одним преимуществом по сравнению с источниками на основе емкостных накопителей - он является управляемым. Если в ГИТ на основе емкостного накопителя выходной импульс тока формируется, как правило, неуправляемым высоковольтным коммутатором, то в разрабатываемом генераторе формирование выходного импульса тока (запуск) можно осуществлять как с помощью встроенных органов управления, так и цифровым сигналом синхронизации от внешнего устройства управления. При этом точность привязки начала импульса тока к сигналу синхронизации составляет единицы наносекунд. Кроме того, регулируя длительность фазы заряда индуктивного накопителя, можно изменять запасаемую энергию и следовательно амплитуду выходного импульса тока.
Управляемость генератора тока на основе индуктивного накопителя позволяет использовать его в автоматизированных системах экспериментального определения импульсных характеристик заземляющих устройств. В таких системах в одном конструктивно законченном блоке размещаются генератор тока, первичные датчики, устройства аналого-цифрового преобразования, записи импульсов тока и напряжения, процессор вычисления импульсных параметров ЗУ, устройство визуального отображения измеряемых величин [2].
Выводы
1. При использовании в составе установки для экспериментального определения импульсных параметров заземляющих устройств источника тока на основе емкостного накопителя формы импульсов тока и напряжения могут быть сильно искажены из-за неравномерного распределения волнового сопротивления вдоль токовой линии и наличия отражений от ее конца. Кроме того, в условиях грунтов с высоким удельным сопротивлением в начале импульсов напряжения возникают длительные переходные процессы. Искажения формы анализируемых импульсов затрудняют достоверное определение импульсного сопротивления заземления.
2. Применение в качестве генератора импульсного источника тока на основе индуктивного накопителя энергии позволяет получить практически неискаженную форму импульса тока в линии и тем самым обеспечить измерение импульсного сопротивления заземления с высокой степенью точности.
3. Импульсный источник тока на основе индуктивного накопителя может иметь внешнее управление, позволяет с точностью до единиц наносекунд синхронизировать момент запуска и регулировать энергетические параметры выходного импульса тока, что дает возможность использовать его в автоматизированных устройствах экспериментального определения импульсных характеристик заземляющих устройств.
Литература
1. Методика и результаты измерений локальных импульсных сопротивлений заземлителей оборудования подстанций / А.Н.Данилин, В.В.Колобов, В.Н.Селиванов, П.И.Прокопчук // Сборник докладов XI Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности «ЭМС-2006», г.Санкт-Петербург, 20-22 сентября 2006 г. - СПб.: ВИТУ, 2006. - С. 426-430.
2. Джура Д.А. Приборы для измерения импульсного сопротивления заземляющих устройств / Д.А,Джура, В.Н. Селиванов. Статья в настоящем сборнике.
4. Данилин А.Н. Исследование локальных импульсных сопротивлений протяженных подземных проводников / А.Н.Данилин, Д.В.Куклин, В.Н.Селиванов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - № 1(95). - С. 250-254.
5. Измерение сопротивлений заземляющих устройств опор высоковольтных линий с тросом импульсным методом / Ю.Н.Бочаров, Н.В.Коровкин, С.И.Кривошеев, С.Л.Шишигин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - Т.1, № 89. - С. 115-121.
6. Каштанов В. В. Генерация мощных электрических импульсов / В. В. Каштанов, А.В.Сапрыгин // Теоретическая физика. - 2008. - Т.8. - С. 188-200.
7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник / Л.А.Бессонов. - М.: «Гардарики», 2007. - 701 с.
8. Макашов Д. Обратноходовой преобразователь / Д.Макашов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.bludger.narod.ru/smps/Flyback-R01.pdf (дата обращения: 10.10.2013).
9. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю.Семенов. - М.: Солон-Пресс, 2005. - 416 с.
Сведения об авторах Баранник Максим Борисович
ведущий инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, кандидат технических наук
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: 1_i@mail.ru
