Генератор импульсного напряжения
Схемы и приборы защиты ПП в процессе разработки и особенно при окончательной проверке должны быть испытаны на воздействие импульсных напряжения и тока. При испытаниях применяют генератор импульсных напряжений (ГИН), который формирует импульс, имитирующий волны атмосферных и коммутационных перенапряжений (рис. 32).
Рис. 32. Принципиальная схема генератора импульсных напряжений
Накопительный конденсатор Ср генератора заряжается от выпрямителя В через защитное сопротивление r3. Когда напряжение на этом конденсаторе достигает значения напряжения пробоя искрового промежутка ИП, происходит пробой этого промежутка и конденсатор Ср начинает разряжаться на сопротивление rр. Подбором емкости Ср можно регулировать время разряда, т. е. длительность импульса. Инициировать разряд можно с помощью управляющего разрядника, на третий электрод которого в нужный момент от генератора зажигающих импульсов ГЗИ подается зажигающий импульс, способствующий быстрому пробою ИП и тем самым значительному уменьшению разброса разрядного напряжения.
Введение третьего электрода разрядника дает возможность управлять моментом разряда конденсатора Ср, что используется для синхронизации работы ГИН и регистрирующего осциллографа: момент подачи пускового импульса связывается с заданным моментом достижения определенного напряжения на конденсаторе Ср. Вместо управляемых разрядников используют также газонаполненные тиратроны или полупроводниковые тиристоры.
Для получения необходимой формы импульса на выходе ГИН необходимо включить фронтовое сопротивление rp и емкость Сф. Электрические параметры ГИН выбирают исходя из длительности фронта τф и импульса τв. При заданной емкости конденсатора Ср электрические параметры ГИН:
Амплитудное значение тока ГИН
где U0 — зарядное, напряжение конденсатора Ср.
Для испытаний схем грозозащиты полупроводниковых приборов СЦБ и связи в импульсном режиме удовлетворительным эквивалентом волны атмосферных и коммутационных перенапряжений служит импульс напряжения с длительностью фронта 10 и длиной 500 мкс. Из соотношения (2) для импульса 10/500 мкс при Ср = 5 мкФ находим Сф= 0,5 мкФ, rф = 7 Ом и rp= 157 Ом.
Подставляя значения rф и rр в формулу (3) при U0=10 кВ, получим максимальную амплитуду импульса тока, равную 61 А.
В случае необходимости повышения амплитуды тока ГИН более 61 А следует увеличить емкость накопительного конденсатора Ср и напряжение на его обкладках. В некоторых случаях применяют многокаскадные ГИН. Максимальная запасенная энергия ГИН, Дж,
Для рассчитываемого ГИН W=250 Дж. Обычно истинные параметры импульса ГИН отличаются от расчетных вследствие влияния индуктивности разрядного контура ГИН а также факторов, не учтенных при выводе указанных формул/ к которым относятся снижение напряжения на емкости Ср в период заряда емкости Сф, неравенство напряжений на емкостях Ср и Сф при разряде и др. Поэтому после расчета ГИН собирают его схему и выполняют осциллографирование импульса и корректировку параметров в соответствии с опытными данными. Необходимо отметить, что импульс ГИН, принятый в качестве испытательного, соответствует рекомендациям Международного консультативного комитета телефонии и телеграфии.
Испытания полупроводниковых приборов в импульсном режиме
Так как ПП подвергаются воздействиям продольных и поперечных перенапряжений, испытания их в импульсном режиме следует проводить в два этапа. На первом этапе определяют степень согласования импульсных характеристик изоляции ПП с импульсными характеристиками разрядников (основного каскада защиты). ГИН включают между всеми токоведущими частями и металлическим корпусом ПП или металлической пластиной, подложенной под основание ПП. Если на входных или выходных зажимах ПП имеется трансформатор (линейно-силовой или сигнальный), то ГИН, кроме того, включают между каждым выводом обеих обмоток и сердечником (магнитопроводом) трансформатора и между выводами его первичной и вторичной обмоток.
Испытания следует проводить импульсами положительной и отрицательной полярностей, меняя местами выходные концы ГИН. Импульсы подавать на ПП периодически, с интервалами 30 с. Амплитуду импульса постепенно повышать до напряжения, соответствующего допустимому напряжению изоляции ПП. Значение этого напряжения еще не установлено. Однако ГОСТ 1516—68 оно нормировано для цепей управления, блокировки и сигнализации— 2 кВ. Поэтому для всех приборов СЦБ и связи, в том числе ПП, включаемых в силовые цепи напряжением до 690 В, в линейные цепи сигнализации и связи и рельсовые цепи следует принять эффективное напряжение 2 кВ. С учетом импульсного коэффициента Kи=1,75 это напряжение составляет 3,5 кВ.
Рис. 33. Характерные срезы импульса (волны) при пробое изоляции (а) и р-п перехода полупроводниковых приборов (б)
Если при испытаниях до достижения испытательным напряжением указанного значения па экране осциллографа не будет среза импульса (рис. 33, а), то можно считать, что согласование параметров изоляции ПП с электрическими · характеристиками основного каскада защиты достигнуто. В этом случае обеспечивается эффективная защита ПП от продольных перенапряжений. При появлении на экране осциллографа среза импульса, свидетельствующего о пробое изоляции ПП, необходимо определить место пробоя и в этом месте усилить изоляцию. Затем для окончательной оценки эффективности защиты повторить испытания полупроводниковых приборов в импульсном режиме.
Обычно в месте импульсного пробоя изоляции (при отсутствии рабочего напряжения) выделяется относительно небольшая энергия, и очаг повреждения, как правило, невелик. Место импульсного пробоя представляет собой небольшое отверстие (игольчатый прокол) в изоляции, которое заполняется окружающим воздухом. В результате изоляция ПП восстанавливается. Выход из строя ПП происходит после многочисленных ударов импульса с амплитудой, равной напряжению пробоя изоляции этих полупроводниковых приборов.
На втором этапе определяют согласование электрических характеристик дополнительных каскадов защиты с импульсной электрической прочностью и токонесущей способностью ПП. ГИН включают на входных или выходных зажимах ПП (провод—провод). ПП также следует испытывать импульсами положительной и отрицательной полярностей. Амплитуду импульсов повышать постепенно до значения, равного максимальному импульсному напряжению пробоя разрядников первого каскада защиты. Одновременно измерять падение напряжения на тех элементах схемы полупроводникового прибора, где ожидаются перенапряжения (на р-п переходах диодов и транзисторов, обмотках трансформаторов, приборах защиты и др.), а также вести наблюдения за изменениями формы волны.
Рис. 34. Схема испытаний аварийного реле АСШ2-220
Если при максимальном напряжении ГИН в контролируемых местах опасное напряжение не зафиксировано и, следовательно, среза волны не наблюдается (рис. 33,б) и приборы защиты не повреждены, то дополнительные каскады защиты и места их установки выбраны правильно. При этом следует учитывать, что последний каскад защиты, включенный непосредственно на зажимах защищаемого ΠП, должен срабатывать от напряжения на 25— 40% ниже максимально допустимого для данного ПП. Все последующие каскады, в том числе основной, должны срабатывать ранее, чем выйдет из строя предыдущий каскад защиты. Таким образом, каждый последующий каскад должен обеспечивать защиту предыдущего каскада. В противном случае следует увеличить токоограничительное сопротивление, применить приборы защиты (диоды, разрядники) с меньшим напряжением пробоя, увеличить число дополнительных каскадов и др.
В качестве примера рассмотрим испытания в импульсном режиме аварийного реле АСШ2-220 (рис. 34) и трансмиттерного реле ТШ-2000В. Напряжение на реле (U1) измеряли по схеме, приведенной на рис. 34, а. Ток определяли косвенным методом (рис. 34,б). Вначале на измерительном сопротивлении Rизм измеряли напряжение U2, а затем делением (Ih/Rизм) устанавливали значение тока.
По результатам измерений (с использованием осциллографа ИО-4) построена кривая (рис. 35). Штриховой линией показан результат испытаний без защиты, а сплошной — с защитой. В первом случае в цепи реле ток вначале возрастает пропорционально приложенному напряжению. В зависимости от его полярности к кремниевым диодам мостового пакетного выпрямителя КЦ402И прикладывалось напряжение в обратном направлении, равное падению напряжения на волновом сопротивлении обмотки реле. Пока приложенное напряжение мало, обратные токи диодов незначительны. С его увеличением токи диодов возрастают до выхода из строя одного из них. Оконечная точка характеризует предельные значения напряжения и тока, предшествующие разрушению р-п перехода диода. В аварийном реле АСШ2-220 при нормальном включении его полуобмоток пробой диодов в пакетном выпрямителе КЦ402И происходит при напряжении 1840 В. При этом амплитуда импульса обратного тока изменяется от 40 до 70 мА.
Во втором случае (с защитой) ток в обмотке реле возрастает пропорционально приложенному напряжению до срабатывания выравнивателя (сплошная линия). Затем, вследствие высокой нелинейности материала выравнивателя увеличение приложенного напряжения не сопровождается возрастанием тока в цепи обмотки реле (точка 1). Импульс тока от ГИН проходит через выравниватель, минуя обмотку реле. Максимальный ток в обмотке реле (8 мА) обусловливается остающимся напряжением выравнивателя, которое в широком диапазоне токов практически постоянно. Таким образом, выравниватель, снижая ток в обмотке реле, ограничивает напряжение, приложенное к диодам, которое, как было сказано, равно произведению тока в обмотке реле на ее волновое сопротивление. Из рис. 35 видно, что напряжение ограничения выравнивателя ВОЦШ-220 не превышает 670 В.
Рис. 35. Зависимость тока в обмотке аварийного реле АСШ2-220 от приложенного импульсного напряжения
Рис. 36. Зависимость тока в обмотках реле РТ от приложенного импульсного напряжения при закороченной (кривая 1) и изолированной (кривая 2) его обмотке
Рис. 37. Зависимость тока в обмотке- реле РИ от приложенного импульсного напряжения при положительной (кривая 1) и отрицательной (кривая 2) полярностях волны
Таким образом, электрическая прочность пакетного выпрямителя КЦ402И на 1170 В (167%) больше напряжения ограничения выравнивателя, что свидетельствует о высокой эффективности защиты. Из-за большого разброса значений электрической прочности ПП и электрических характеристик ВОЦШ-220 (коэффициента нелинейности) эффективность защиты несколько снижается.
Как известно, трансмиттерная ячейка ТШ1-2000В содержит основное РТ и вспомогательное РИ реле, которые контактами кодового трансмиттера поочередно включаются в силовую цепь напряжением 110 В и выключаются из нее. Поэтому каждое реле испытывали отдельно. По результатам испытаний построены зависимости (рис. 36 и 37). Из рис. 36 видно, что короткое замыкание вторичной обмотки реле существенного влияния на эффективность защиты (сравните сплошные линии) не оказывает. В этом опыте импульсная электрическая прочность кремниевых диодов КД205 на 65% больше напряжения ограничения выравнивателя. В другом опыте (см. рис. 37) в зависимости от полярности воздействующей волны напряжения указанное превышение составляет 45—50%. При замене выравнивателя ВОЦ-220 выравнивателем ВОЦ-110 эффективность защиты значительно повышается.
Для окончательной проверки ПП импульсные испытания следует выполнять при включенном рабочем напряжении этих, приборов.
Испытания в импульсном режиме следует проводить с соблюдением правил техники безопасности работ на высоковольтных установках.