1. Introduzione

Un generatore di tensione a impulso è un apparato ad alta- tensione che produce forme d'onda pulsate come tensioni a impulso di fulmine e tensioni a impulso di commutazione. Si tratta di un'apparecchiatura fondamentale nei laboratori di prova ad alta-tensione. Il suo utilizzo principale è eseguire test di tensione a impulso su apparecchiature elettriche-tra cui onde intere a impulso di fulmine, onde tagliate a impulso di fulmine e onde a impulso di commutazione-per verificare le prestazioni di isolamento. Prima che le apparecchiature elettriche ad alta{7}}tensione nei sistemi di alimentazione vengano messe in servizio, sono generalmente necessari test di tensione impulsiva per valutarne il comportamento di isolamento in condizioni di sovratensione.

Con il continuo aumento dei livelli di tensione dei sistemi elettrici e il rapido sviluppo di apparecchiature per l’energia rinnovabile, l’importanza dei generatori di tensione a impulsi nel garantire un funzionamento sicuro e affidabile della rete elettrica è diventata più importante.

2. Principio di funzionamento

I generatori di tensione a impulsi utilizzano comunemente il circuito Marx (proposto da Erwin Otto Marx nel 1924), il cui concetto centrale è la carica parallela e la scarica in serie di più stadi del condensatore.

Il processo operativo di base è il seguente: ciascun condensatore di stadio è collegato in parallelo tramite resistori di carica e caricato a una tensione preimpostata tramite un circuito raddrizzatore. A questo punto, il resistore di protezione è generalmente circa dieci volte più grande del resistore di carica, che protegge l'apparecchiatura raddrizzatore e garantisce una carica relativamente uniforme di ciascun condensatore di stadio. Quando lo spinterometro di accensione del primo- stadio viene attivato da un impulso di accensione, gli spinterometri intermedi negli stadi rimanenti si rompono successivamente a causa di sovratensione e irradiazione di scintille. Dopo che tutti gli spinterometri sono entrati in funzione, i condensatori dello stadio vengono collegati in serie attraverso i resistori anteriori (fronte d'onda-) e si scaricano nel condensatore di carico. La capacità totale in serie diventa C/n e la tensione totale diventa nV (dove n è il numero di stadi). Poiché la capacità di carico è relativamente piccola, si carica rapidamente e quindi si scarica insieme ai condensatori dello stadio attraverso i resistori di coda (onda-coda). In questo modo, attraverso il condensatore di carico viene generata una forma d'onda di impulso ad alta tensione-di breve-durata.

La forma d'onda della tensione impulsiva può essere regolata modificando i valori dei resistori anteriore- e di coda-; l'ampiezza è controllata dalla tensione di carica e la polarità può essere invertita scambiando le connessioni dello stack del raddrizzatore.

Negli ultimi anni, con i progressi nell'elettronica di potenza, il generatore Marx a-stato solido-è diventato un'importante direzione di ricerca. A differenza dei tradizionali interruttori-spark-a gas, tutti i generatori-a stato solido-utilizzano dispositivi a semiconduttore come i MOSFET come interruttori principali, disposti in una topologia Marx modulare multilivello con controllo preciso fornito dagli FPGA. Questi nuovi generatori possono ridurre significativamente le dimensioni e il peso, migliorando al tempo stesso i tassi di ripetizione della scarica e la flessibilità della forma d'onda.

3. Composizione del sistema

Un sistema di prova completo del generatore di tensione a impulsi è generalmente costituito dai seguenti componenti:

Dispositivo di ricarica– include il trasformatore di carica, il raddrizzatore al silicio ad alta-tensione, il resistore di protezione, il partitore di tensione resistivo CC e il dispositivo di messa a terra automatico. Il trasformatore di carica aumenta la tensione alla frequenza di rete, che viene poi raddrizzata in CC per caricare i condensatori dello stadio.
Corpo principale del generatore– comprende condensatori a impulsi multipli, spinterometri di accensione, resistori anteriori, resistori di coda, resistori di carica e supporti isolanti. Il corpo principale è costruito in una struttura a torre o colonna, con i condensatori di stadio collegati in serie per ottenere un'elevata tensione di uscita. A seconda dell'utilizzo, può essere classificato come tipo esterno, tipo fisso interno o tipo mobile interno.
Apparecchiature di controllo– i moderni sistemi di controllo sono tipicamente incentrati su un PLC (controllore logico programmabile) con un sistema di misurazione e controllo digitale. Abilitano funzioni quali il controllo automatico della carica della corrente-costante, il monitoraggio della tensione e della corrente, la regolazione automatica della distanza-spinterometro, l'attivazione dell'accensione e la protezione da sovracorrente/sovratensione.
Sistema di misurazione– è costituito da un partitore di tensione capacitivo smorzato, cavi di misura, un registratore digitale o un oscilloscopio, ecc., utilizzato per registrare e analizzare con precisione la forma d'onda della tensione impulsiva.

4. Forme d'onda standard e requisiti tecnici

Le forme d'onda standard della tensione impulsiva per i test di isolamento sono specificate negli standard internazionali e nazionali per le tecniche di test ad alta-tensione:

Onda intera dell'impulso del fulmine: tempo anteriore T₁=1.2 μs (con deviazione consentita di ±30%), tempo al dimezzamento T₂=50 μs (±20%).
Onda impulsiva di commutazione: tempo anteriore Tcr=250 μs, tempo al dimezzamento T₂=2500 μs.
Onda tagliata dell'impulso del fulmine: tagliata nell'intervallo da 2 a 6 μs.
Fronte d'onda ripido-: tempo anteriore estremamente breve, con pendenza fino a 1000 kV/μs o più.

La produzione e la verifica dei generatori di tensione impulsiva seguono principalmente i seguenti standard:

DL/T 848.5 – Specifiche tecniche generali per dispositivi di prova ad alta-tensione – Parte 5: Generatori di tensione a impulsi (applicabile a tensioni nominali da 300 kV a 4800 kV e energie nominali da 5 kJ a 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Serie di tecniche di test ad alta-tensione.
IEC 60060: standard della Commissione elettrotecnica internazionale sulle tecniche di test ad alta-tensione.
GB 311.1 – Coordinamento dell'isolamento per apparecchiature di trasmissione e trasformazione ad alta-tensione.

5. Aree di applicazione

I generatori di tensione ad impulsi sono ampiamente utilizzati nei seguenti campi:

Prove di tipo e prove di routine su apparecchiature elettriche: trasformatori, trasformatori di strumenti, boccole, isolanti, scaricatori di sovratensione, GIS e altre apparecchiature di trasmissione e distribuzione richiedono in genere prove di tensione impulsiva e di commutazione. Questi includono test di resistenza all'impulso di onda intera-e test di impulso di onda-tagliata, utilizzati per verificare la capacità di resistenza dell'isolamento delle apparecchiature sotto fulmini e sovratensioni di commutazione.
Ricerca sull'isolamento - Utilizzata per studiare le prestazioni di isolamento delle apparecchiature elettriche soggette a sovratensioni atmosferiche (fulmini) e sovratensioni di commutazione.
Test sulle apparecchiature per l'energia rinnovabile: con l'integrazione dell'energia eolica, fotovoltaica e di altre fonti rinnovabili, un gran numero di trasformatori step-up e quadri di comando richiedono test rigorosi sulla tensione a impulso.
Ricerca scientifica: ampiamente applicata anche in settori quali la ricerca sulla compatibilità elettromagnetica, gli studi sui meccanismi di scarica e la tecnologia dell'energia pulsata.

6. Tendenze di sviluppo

Mentre i sistemi energetici si spostano verso tensioni ultra-elevate e una maggiore intelligenza, il settore dei generatori di tensione a impulso mostra le seguenti tendenze:

Intelligenza e automazione: i moderni generatori di tensione a impulso sono generalmente dotati di sistemi di controllo automatico basati su PLC-, che consentono la regolazione automatica dei parametri, l'attivazione automatica e la registrazione e analisi automatiche dei dati di test. La sequenza di test può essere programmata tramite interfacce touchscreen per ottenere un funzionamento ampiamente automatizzato. Alcuni sistemi hanno iniziato a integrare funzioni diagnostiche ausiliarie per identificare e indicare potenziali deviazioni del test.
Compattezza e struttura interamente a stato solido-solido-: i nuovi generatori basati su interruttori-allo stato solido possono ridurre significativamente volume e peso, migliorare i tassi di ripetizione della scarica e aumentare la flessibilità della forma d'onda. Tutti i generatori Marx-a stato solido-, che utilizzano dispositivi elettronici di potenza invece dei tradizionali spinterometri, sono diventati un'importante direzione di sviluppo.
Digitalizzazione e connettività: i generatori moderni utilizzano registratori digitali e schede di acquisizione ad alta-precisione invece dei tradizionali-oscilloscopi a fascio luminoso, consentendo l'analisi automatica della forma d'onda e la generazione di report. Alcuni dispositivi possono interfacciarsi con i sistemi di gestione delle informazioni di laboratorio tramite connessioni di rete per lo scambio di dati.
Alta precisione ed elevata affidabilità – Grazie al miglioramento della tecnologia dei sensori e degli algoritmi di elaborazione del segnale, l'accuratezza e la ripetibilità della misurazione sono state continuamente migliorate. Attualmente, l'instabilità della tensione di carica delle apparecchiature tipiche può essere controllata entro ±1%.
Multifunzionalità: un singolo generatore può produrre varie forme d'onda standard e non-standard, tra cui onde piene di fulmini, onde tagliate, onde di commutazione, onde oscillanti e onde con fronte ripido-, per adattarsi a diversi scenari applicativi.

7. Conclusione

Essendo un dispositivo fondamentale nel campo dei test ad alta-tensione, il livello tecnico del generatore di tensione a impulsi influisce direttamente sulla precisione e sull'affidabilità della verifica delle prestazioni di isolamento per le apparecchiature elettriche. Dal tradizionale circuito Marx alle moderne topologie tutte-a stato solido-e dal funzionamento manuale al controllo automatico intelligente, la tecnologia dei generatori di tensione a impulsi sta subendo una trasformazione significativa. Con il continuo sviluppo delle reti elettriche ad altissima-alta-tensione, la crescita degli impianti di energia rinnovabile e l'avanzamento della trasformazione digitale, i generatori di tensione a impulso continuano a svolgere un ruolo importante nel garantire il funzionamento sicuro e affidabile dei sistemi energetici.