Коллектив авторов - История электротехники

Уникальные генераторы были созданы в нашей стране. Так, на открытой площадке Харьковского электротехнического института в 30-е годы был сооружен генератор суммарным зарядным напряжением 8,3 MB и накапливаемой энергией 500 МДж, разрушенный во время Великой Отечественной войны. В ВЭИ (г. Истра) на открытой площадке установлен генератор в виде изоляционной башни напряжением 9 MB и энергией 1,35 МДж, на котором возможно испытание изоляции классов напряжения до 2 MB.

Разнообразными генераторами внутренней установки фирмы TuR напряжением до 7,2 MB и энергией до 1 МДж оснащены практически все российские организации, занимающиеся разработками и испытаниями изоляционных конструкций высокого напряжения.

Генераторы импульсных напряжений снабжаются вспомогательными устройствами, являющимися составной частью разрядного контура, формирующего требуемый импульс: измерительным шаровым разрядником, устройством среза напряжения, делителем высокого напряжения, нагрузочным конденсатором, набором сменных резисторов и т.д. Установкой резисторов с разными сопротивлениями достигается изменение формы выходного импульса генератора.

Коммутационные импульсы перенапряжений имеют иную природу, чем грозовые, и соответственно иные параметры.

Формирование коммутационных импульсов происходит в результате переходных процессов в цепях, образованных емкостями, индуктивностями, сопротивлениями объекта и соседнего оборудования, участками линий электропередачи между местом коммутации и рассматриваемым объектом. Так как схема передачи и параметры ее элементов могут быть самыми разнообразными, то и параметры коммутационных импульсов могут сильно отличаться. Причем отличие может состоять не только в амплитуде, но и в форме импульса и его временных параметрах. Основным стандартизированным коммутационным импульсом является апериодический с временем нарастания 250 мкс и длительностью 2500 мкс. Кроме того, установлены и иные временные параметры и формы коммутационных импульсов: колебательные с переходом и без перехода через нуль. Соответственно различаются и устройства для получения испытательных коммутационных импульсов.

Апериодические коммутационные импульсы получают, как правило, от генераторов импульсных напряжений, предназначенных для формирования грозовых импульсов, путем замены резисторов, входящих в схему генераторов. Колебательные импульсы требуют включения в разрядную цепь генератора дополнительных катушек индуктивности. При этом катушки могут быть включены как в ступенях генератора, так и на его выходе. Один из способов получения коммутационных импульсов, разработанным в ЛПИ, заключается в разделении генератора импульсных напряжений на две части, одна из которых имеет фронтовые резисторы, а вторая — катушки индуктивности.

При зарядке частей генератора напряжениями разных полярностей можно на выходе генератора получить напряжение, равное сумме апериодического и колебательного затухающего импульсов, сформированных разными частями генератора.

Другой возможностью получения коммутационных импульсов колебательной формы является импульсное питание испытательного трансформатора или каскада трансформаторов. Для этого разработаны конденсаторные приставки к испытательным трансформаторам, состоящие из двух групп конденсаторов и коммутатора. При разряде этих групп конденсаторов, присоединенных к первичной обмотке трансформатора и заряженных напряжениями разных полярностей (одной через резистор, а второй через катушку индуктивности), на первичной обмотке трансформатора формируется импульс напряжения, содержащий апериодическую и колебательную составляющие.

Преимущество использования каскадной схемы испытательных трансформаторов заключается в том, что возможно реализовать наложение в нужный момент коммутационного импульса на синусоидальное напряжение промышленной частоты, включив конденсаторную приставку в последнюю ступень каскада.

Испытания изоляции напряжением промышленной частоты, грозовыми и коммутационными импульсами являются лишь частью испытаний электрооборудования. Так, некоторые виды оборудования требуют испытаний импульсными токами. Коммутационная аппаратура подлежит испытаниям на отключающую способность, электродинамическую устойчивость. Защитная аппаратура (разрядники, ограничители перенапряжений) должна испытываться на устойчивость при прохождении через нее импульсов тока, обусловленного грозовыми или коммутационными перенапряжениями. Техника получения испытательных токов базируется на использовании либо ударных генераторов, либо емкостных накопителей энергии. Так, для имитации токов коротких замыканий при испытании электрооборудования в 1924 г. на заводе «Электросила» был изготовлен первый машинный генератор импульсных токов. В 1937 г. А.А. Горев впервые предложил использовать колебательный контур для получения сильных токов промышленной частоты — «контур Горева». За разработку метода и создание установки проф. А.А. Горев и его сотрудники были удостоены в 1948 г. Государственной премии СССР.

Следует отметить еще одну проблему, связанную с испытаниями разнообразных объектов, в том числе и электрооборудования, на устойчивость при прямых ударах молнии. Для имитации удара молнии в объект на кафедре техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ созданы уникальные установки, способные в реальных масштабах амплитуд и времени воспроизводить сложные по форме импульсы тока, включая многокомпонентные токи молнии.

Электроэнергетические системы (ЭЭС), их объединения и Единая энергосистема страны постоянно подвержены случайным возмущающим воздействиям, поэтому без автоматического управления их функционирование практически невозможно. Скачкообразно и случайно изменяющаяся электрическая нагрузка в условиях необходимого свойственного производству электроэнергии равенства в каждый момент времени генерируемой и потребляемой мощностей (их баланса) при отсутствии непрерывно действующего автоматического управления непременно вызовет недопустимые отклонения показателей качества электроэнергии, прежде всего амплитуды напряжения и частоты промышленного тока.

Неизбежные в силу физической природы электричества короткие замыкания, возникающие то в одном, то в другом месте рассредоточенной по всей территории страны ЕЭС и столь же неизбежные ввиду сложности электрической схемы ЕЭС случайные отключения синхронных генераторов и магистральных линий электропередачи, дискретно нарушающие баланс генерируемой и потребляемой мощностей, без экстренного и интенсивного воздействия автоматики могут вызвать нарушение синхронной работы генераторов электрических станций и, как следствие, полное прекращение процесса производства и передачи электроэнергии, т.е. общесистемную аварию с ее катастрофическими последствиями.