1. Giới thiệu

Máy tạo điện áp xung là một thiết bị-điện áp cao tạo ra các dạng sóng xung như điện áp xung sét và điện áp xung chuyển mạch. Đây là thiết bị cơ bản trong phòng thí nghiệm thử nghiệm điện áp cao-. Công dụng chính của nó là thực hiện kiểm tra điện áp xung trên thiết bị điện-bao gồm sóng toàn xung sét, sóng xung sét cắt nhỏ và sóng xung chuyển mạch-để xác minh hiệu suất cách điện. Trước khi-thiết bị điện cao áp trong hệ thống điện được đưa vào sử dụng, thường cần phải kiểm tra điện áp xung để đánh giá hoạt động cách điện của thiết bị đó trong điều kiện quá điện áp.

Với sự gia tăng liên tục của cấp điện áp hệ thống điện và sự phát triển nhanh chóng của thiết bị năng lượng tái tạo, tầm quan trọng của máy phát điện áp xung trong việc đảm bảo vận hành lưới điện an toàn và đáng tin cậy đã trở nên nổi bật hơn.

2. Nguyên tắc hoạt động

Máy phát điện áp xung thường sử dụng mạch Marx (do Erwin Otto Marx đề xuất năm 1924), khái niệm cốt lõi của mạch này là sạc song song và phóng điện nối tiếp nhiều tầng tụ điện.

Quy trình vận hành cơ bản như sau: mỗi tụ điện giai đoạn được kết nối song song thông qua các điện trở sạc và được sạc đến điện áp đặt trước thông qua mạch chỉnh lưu. Lúc này, điện trở bảo vệ thường lớn hơn điện trở sạc khoảng mười lần, vừa bảo vệ thiết bị chỉnh lưu, vừa đảm bảo sạc tương đối đồng đều cho từng tụ điện. Khi-khe hở tia lửa điện ở giai đoạn đầu tiên được kích hoạt bởi xung đánh lửa, các khe hở tia lửa điện trung gian ở các giai đoạn còn lại lần lượt bị hỏng do quá điện áp và bức xạ tia lửa điện. Sau khi tất cả các khe hở tia lửa đã hoạt động, các tụ điện tầng được nối nối tiếp thông qua các điện trở phía trước (sóng{4}}phía trước) và phóng điện vào tụ điện tải. Tổng điện dung nối tiếp trở thành C/n và tổng điện áp trở thành nV (trong đó n là số tầng). Bởi vì điện dung tải tương đối nhỏ nên nó sạc nhanh và sau đó phóng điện cùng với các tụ tầng qua điện trở đuôi (sóng{7}}). Bằng cách này, dạng sóng xung điện áp cao-có thời lượng{10}}ngắn được tạo ra trên tụ điện tải.

Có thể điều chỉnh dạng sóng điện áp xung bằng cách thay đổi giá trị của điện trở- phía trước và phía sau-; biên độ được điều khiển bởi điện áp sạc và cực tính có thể được đảo ngược bằng cách hoán đổi các kết nối ngăn chỉnh lưu.

Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất, máy phát điện Marx toàn -trạng thái rắn{1}}đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng. Không giống như các công tắc khe hở khí-tia lửa-thông thường, tất cả các bộ tạo trạng thái rắn-rắn{6}} đều sử dụng các thiết bị bán dẫn như MOSFET làm công tắc chính, được sắp xếp theo cấu trúc liên kết Marx đa cấp mô-đun với khả năng điều khiển chính xác do FPGA cung cấp. Những máy phát điện mới như vậy có thể giảm đáng kể kích thước và trọng lượng đồng thời cải thiện tốc độ lặp lại phóng điện và tính linh hoạt của dạng sóng.

3. Thành phần hệ thống

Một hệ thống thử nghiệm máy phát điện áp xung hoàn chỉnh thường bao gồm các thành phần sau:

Thiết bị sạc– bao gồm máy biến áp sạc, bộ chỉnh lưu silicon điện áp cao{0}}, điện trở bảo vệ, bộ chia điện trở DC và thiết bị nối đất tự động. Máy biến áp sạc tăng điện áp tần số nguồn điện, sau đó được chỉnh lưu thành DC để sạc các tụ điện tầng.
Thân chính của máy phát điện– bao gồm nhiều tụ điện xung, khe hở tia lửa điện, điện trở phía trước, điện trở đuôi, điện trở sạc và giá đỡ cách điện. Phần thân chính được xây dựng theo cấu trúc tháp hoặc cột, với các tụ điện tầng được mắc nối tiếp để đạt được điện áp đầu ra cao. Tùy thuộc vào cách sử dụng, nó có thể được phân loại thành loại ngoài trời, loại cố định trong nhà hoặc loại di chuyển trong nhà.
Thiết bị điều khiển– các hệ thống điều khiển hiện đại thường tập trung vào PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) với hệ thống đo lường và điều khiển kỹ thuật số. Chúng kích hoạt các chức năng như điều khiển sạc dòng điện-không đổi tự động, giám sát điện áp và dòng điện, điều chỉnh khoảng cách khe hở tia lửa điện-tự động, kích hoạt kích hoạt và bảo vệ quá dòng/quá điện áp.
Hệ thống đo lường– bao gồm một bộ chia điện áp kiểu điện dung giảm chấn, cáp đo, máy ghi kỹ thuật số hoặc máy hiện sóng, v.v., được sử dụng để ghi và phân tích chính xác dạng sóng điện áp xung.

4. Dạng sóng tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật

Dạng sóng điện áp xung tiêu chuẩn để thử nghiệm cách điện được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia dành cho kỹ thuật thử nghiệm điện áp cao-:

Xung sét toàn sóng: thời gian phía trước T₁=1.2 μs (với độ lệch cho phép là ±30%), thời gian đến một nửa giá trị T₂=50 μs (±20%).
Chuyển đổi sóng xung: thời gian trước Tcr=250 μs, thời gian đến một nửa giá trị T₂=2500 μs.
Sóng xung sét: cắt nhỏ trong khoảng từ 2 đến 6 μs.
Sóng trước{0}}dốc: thời gian trước cực ngắn, có độ dốc lên tới 1000 kV/μs trở lên.

Việc chế tạo và kiểm định máy phát điện áp xung chủ yếu tuân theo các tiêu chuẩn sau:

DL/T 848.5 – Thông số kỹ thuật chung cho thiết bị kiểm tra điện áp-cao – Phần 5: Máy phát điện áp xung (áp dụng cho điện áp định mức từ 300 kV đến 4800 kV và năng lượng định mức từ 5 kJ đến 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Chuỗi kỹ thuật kiểm tra điện áp-cao.
IEC 60060 – Tiêu chuẩn của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế về kỹ thuật thử nghiệm điện áp cao-.
GB 311.1 – Phối hợp cách điện cho thiết bị biến đổi và truyền tải điện áp cao-.

5. Lĩnh vực ứng dụng

Máy phát điện áp xung được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:

Thử nghiệm điển hình và thử nghiệm định kỳ trên thiết bị điện – Máy biến áp, máy biến áp dụng cụ, ống lót, chất cách điện, thiết bị chống sét, GIS và các thiết bị truyền tải và phân phối khác thường yêu cầu thử nghiệm điện áp xung sét và chuyển mạch. Chúng bao gồm-thử nghiệm khả năng chịu xung sóng toàn phần và thử nghiệm xung-sóng cắt nhỏ, dùng để xác minh khả năng chịu cách điện của thiết bị dưới tác động của sét và quá điện áp chuyển mạch.
Nghiên cứu cách điện - Được sử dụng để nghiên cứu hiệu suất cách điện của thiết bị điện chịu quá điện áp trong khí quyển (sét) và quá điện áp chuyển mạch.
Thử nghiệm thiết bị sử dụng năng lượng tái tạo – Với sự tích hợp của năng lượng gió, quang điện và các nguồn tái tạo khác, một số lượng lớn-máy biến áp và thiết bị đóng cắt nâng cấp yêu cầu thử nghiệm điện áp xung nghiêm ngặt.
Nghiên cứu khoa học – Cũng được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nghiên cứu tương thích điện từ, nghiên cứu cơ chế phóng điện và công nghệ năng lượng xung.

6. Xu hướng phát triển

Khi hệ thống điện chuyển sang sử dụng điện áp cực cao và trí thông minh cao hơn, ngành tạo điện áp xung cho thấy các xu hướng sau:

Thông minh và tự động hóa – Máy tạo điện áp xung hiện đại thường được trang bị hệ thống điều khiển tự động dựa trên PLC{0}}, cho phép điều chỉnh tham số tự động, tự động kích hoạt cũng như tự động ghi và phân tích dữ liệu thử nghiệm. Trình tự kiểm tra có thể được lập trình thông qua giao diện màn hình cảm ứng để đạt được hoạt động tự động hóa phần lớn. Một số hệ thống đã bắt đầu tích hợp các chức năng chẩn đoán phụ trợ để xác định và chỉ ra những sai lệch thử nghiệm tiềm ẩn.
Tính nhỏ gọn và tất cả trạng thái-rắn- – Trình tạo mới dựa trên công tắc trạng thái rắn-có thể giảm đáng kể âm lượng và trọng lượng, cải thiện tốc độ lặp lại phóng điện và tăng tính linh hoạt của dạng sóng. Tất cả các máy phát điện Marx ở trạng thái rắn-rắn-, sử dụng các thiết bị điện tử công suất thay vì các khe hở tia lửa điện truyền thống, đã trở thành một hướng phát triển quan trọng.
Số hóa và kết nối – Máy phát điện hiện đại sử dụng máy ghi kỹ thuật số và thẻ thu nhận-có độ chính xác cao thay vì máy hiện sóng chùm tia-truyền thống, cho phép phân tích dạng sóng và tạo báo cáo tự động. Một số thiết bị có thể giao tiếp với hệ thống quản lý thông tin trong phòng thí nghiệm thông qua kết nối mạng để trao đổi dữ liệu.
Độ chính xác và độ tin cậy cao – Thông qua công nghệ cảm biến và thuật toán xử lý tín hiệu được cải tiến, độ chính xác và độ lặp lại của phép đo liên tục được nâng cao. Hiện tại, độ mất ổn định điện áp sạc của thiết bị thông thường có thể được kiểm soát trong phạm vi ±1%.
Đa chức năng – Một máy phát duy nhất có thể tạo ra nhiều dạng sóng tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn-khác nhau, bao gồm sóng toàn tia chớp, sóng cắt nhỏ, sóng chuyển mạch, sóng dao động và sóng-dốc phía trước, để phù hợp với các tình huống ứng dụng khác nhau.

7. Kết luận

Là thiết bị cơ bản cốt lõi trong lĩnh vực thử nghiệm điện áp cao{0}}, trình độ kỹ thuật của bộ tạo điện áp xung ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ tin cậy của việc xác minh hiệu suất cách điện cho thiết bị điện. Từ mạch Marx truyền thống đến các cấu trúc liên kết trạng thái rắn-rắn{3}}hiện đại và từ vận hành thủ công đến điều khiển tự động thông minh, công nghệ tạo điện áp xung đang trải qua quá trình chuyển đổi đáng kể. Với sự phát triển không ngừng của lưới điện siêu cao áp, sự phát triển của việc lắp đặt năng lượng tái tạo và sự tiến bộ của chuyển đổi kỹ thuật số, máy tạo điện áp xung tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn và đáng tin cậy.