ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 61-67
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.317
ИСТОЧНИК ТОКА С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ © 2014 г. В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов, Д. В. Куклин
Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦРАН Россия, 184209, Апатиты, ул. Ферсмана, 14 E-mail: maxbar@ien.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 19.12.2013 г.
Разработан генератор импульсов тока с индуктивным накопителем энергии, предназначенный для измерения импульсных сопротивлений заземляющих устройств. Генератор позволяет формировать в нагрузке импульсы тока с длительностью фронта 200—300 нс и амплитудой до 8 А и в отличие от источников с емкостным накопителем является полностью управляемым, позволяет регулировать амплитуду, обеспечивает постоянство формы импульса тока независимо от параметров нагрузки. Описаны различные режимы работы источника и приведены экспериментальные осциллограммы импульсов тока в нагрузке.
DOI: 10.7868/S0032816214040181
Одним из факторов, влияющих на надежность защиты электроустановок и в конечном итоге на надежное функционирование энергосистемы в целом, является величина импульсных сопротивлений заземляющих устройств (з.у.) 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 заземлителей, связанных с контуром заземления подстанции и непосредственно примыкающих к исследуемому заземленному аппарату [1].
Так как при импульсных воздействиях не существует такой общепринятой характеристики заземляющих устройств, как, например, понятие стационарного сопротивления Я при низкочастотных воздействиях [2], то для определения импульсных характеристик заземляющих устройств необходимо иметь кривые тока и напряжения на з.у., которые затем могут обрабатываться с помощью различных алгоритмов. Примеры таких экспериментальных кривых тока и напряжения на з.у. и расчетного мгновенного сопротивления з.у. приведены в [2].
Методика экспериментального определения импульсных характеристик заземляющих устройств основана на способе измерения сопротивлений методом трех электродов [1, 3, 4]. В состав экспериментальной установки входят генератор импульсных токов, два протяженных проводника,
которые в случае импульсных измерений образуют токовую и потенциальную линии с волновым сопротивлением порядка 400 Ом, первичные датчики тока и напряжения, цифровой двухканаль-ный осциллограф. В качестве проводников используется оболочка коаксиальных кабелей длиной 100 м.
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 в этих работах используется импульсный источник тока на основе емкостного накопителя. В таком источнике формирование импульса тока происходит при срабатывании искрового разрядника с последующим разрядом накопительной емкости на нагрузку. Опыт применения генераторов такого типа показал, что 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 (фронты регистрируемых импульсов напряжения затягиваются). Такие искажения формы анализируемых импульсов затрудняют достоверное определение импульсного сопротивления заземления.
1Ьшж
Чтобы избежать этого, 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.
Нами разработан источник тока с индуктивным накопителем энергии для проведения измерений импульсных сопротивлений заземляющих устройств. Поскольку запас энергии магнитного поля в катушке индуктивности и ток в индуктивности не могут измениться скачком [5], 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.
Основными элементами генератора импульсных токов такого типа являются индуктивный накопитель энергии и размыкатель тока. В качестве индуктивного накопителя выступает трансформатор Тр, а в качестве размыкающего ключа — транзистор Т (рис. 1а, 1б). Генератор построен по схеме обратноходового преобразователя [6], в котором фаза накопления энергии и фаза передачи ее в нагрузку разделены во времени, а повышающий трансформатор является по сути двухобмо-точным накопительным дросселем [7]. В фазе накопления энергии индуктивным накопителем транзистор Т открыт (рис. 1а). Ток 1Ь в индуктивности первичной обмотки трансформатора будет нарастать до тех пор, пока на затворе транзистора присутствует отпирающее напряжение иу. Для скорости нарастания тока можно записать:
и и
(1)
где Ьц — индуктивность намагничивания трансформатора, иС — напряжение на емкости питания каскада. К моменту окончания фазы накопления энергии (/нэ на временных диаграммах токов и напряжений, приведенных на рис. 1в) ток в первичной обмотке достигает максимального значения:
ис АI
{Ь тах
и
(2)
Рис. 1. Фазы работы индуктивного накопителя: а — заряда, б — разряда; в — временные диаграммы токов и напряжений.
После закрытия ключа Т начинается фаза передачи энергии в нагрузку (рис. 1б). Полярность напряжения иЬ первичной обмотки трансформатора Тр вследствие самоиндукции меняется на противоположную, открывается диод Д, и накопленная в индуктивном элементе энергия поступает в нагрузку.
В токовой линии, подключенной к выходу генератора, формируется импульс тока (рис. 1в), для которого можно записать Тн = Тн /кт, где кт —
коэффициент трансформации (кт > 1), Гн — приведенный к первичной обмотке ток нагрузки, описываемый выражением
I' = 1т е т
^н ±Ь шах*"
Постоянная времени т определяется как
% н
(3)
(4)
где Z н — приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки.
При этом на первичной обмотке трансформатора возникает выброс напряжения иь. Это напряжение значительно превышает напряжение питания ис транзистора Т и может быть записано как
и т =
ин 1н %н
(5)
икл = иг + ит = иг
к>т
(6)
Для момента времени гн (3)) можно записать:
(г = 0 для выражения
икл = и с
1 +
2н<И
Т\\кт у
(7)
Таким образом, при фиксированном напряжении ис, известном времени заряда & и заданных конструкционных параметрах индуктивного накопителя, определяющих кт и Ьнапряжение на транзисторе напрямую зависит от сопротивления нагрузки генератора Zн.
Особенностью работы описываемого источника тока является наличие в его нагрузке (токовой линии) волновых процессов. Сопротивление нагрузки генератора Zн складывается из сопротивления самого исследуемого заземляющего устройства и сопротивления линии, определяемого импульсными процессами за первую микросекунду (время пробега волны тока до конца линии и обратно). В зависимости от степени согласования заземленного конца линии эта составляющая по истечении времени двойного пробега может определяться относительно небольшим волновым сопротивлением линии или стремиться к сопротивлению заземления ее конца, которое может быть значительным.
Таким образом, даже при условии, что транзистор Т правильно выбран по классу допустимого рабочего напряжения, при значительной величине Zн напряжение и^ может превысить максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер икэ тах, что приведет к пробою ключа Т. Также возможен обрыв проводника токовой линии = го). Для защиты транзистора от потенциального пробоя
Тр Д I
(а)
4+1
иь ис 0
(б)
иогр-ис
Напряжение на выводах ключевого элемента Т составит величину
1н %н
ик
и
огр
ис
гнэ гогр
Рис. 2. Схема выходного каскада источника тока с индуктивным накопителем (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу источника при Zн/н > идоп.
параллельно ему включается варистор (КПна рис. 2а) с величиной напряжения ограничения иогр мень-
ше чем ик
Введем понятие допустимого выходного напряжения идоп, т.е. максимального напряжения на выходе генератора, при котором варистор еще не ограничивает напряжение на ключе. Рассмотрим работу выходного каскада источника тока с индуктивным накопителем при превышении выходным напряжением величины Ццоп, когда выполняется условие Zн/н > идоп. Для допустимого напряжения можно записать:
идоп - ^т (иогр ис )
(8)
или в приведенных к первичной обмотке значениях:
I. иогр
' и
и
с
(9)
Ь
г
ь
г
г
г
0
иь ис
"р Сн
Рис. 3. Схема выходного каскада источника тока с индуктивным накопителем (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу источника при периодическом характере тока в нагрузке.
Ток через варистор Яи в проводящем состоянии
Тогп Т Г Ттн .
(10)
<и
-(иогр - и с ) Г '
После уменьшения выходного напряжения до идоп (после момента времени /огр) форма тока в нагрузке, приведенного к первичной стороне трансформатора, описывается выражением
Тн = и^ в-г. *н
(12)
Необходимо отметить, что при высокоомной нагрузке источника тока для предотвращения срабатывания варистора Яи согласно (7) можно уменьшить длительность фазы заряда индуктивного накопителя (И и тем самым обеспечить выполнение соотношения Zн/н < итп.
По истечении времени двойного пробега волны тока по линии 2Тпр, приблизительно равном 0.9 мкс, нагрузку генератора можно рассматривать как параллельную цепь (контур) с сосредоточенными параметрами. В контур входят емкость кабеля токовой линии на землю Сн, сопротивление определяемое
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.