Typen und Prüfnormen für Blitzimpulsgeräte

Blitzimpulsausrüstung: Kerntechnologie in der Hoch-Spannungsprüfung

Blitzimpulsgeräte dienen als zentrale Prüfgeräte im Bereich der Hochspannungsprüfung. Seine Hauptfunktion besteht darin, die durch natürliche Blitzentladungen erzeugten transienten Hoch-spannungs- und Hoch-stromimpulse auf kontrollierte Weise zu simulieren und so die wissenschaftliche Überprüfung der Isolationsleistung und der Entstörungsfähigkeit verschiedener Energieanlagen und elektronischer Systeme zu ermöglichen. Da die Spannungen im Stromnetz weiter steigen und die Integrationsdichte der Geräte zunimmt, ist die Blitzimpulsprüfung zu einem entscheidenden Glied in der Produktqualitätskontrolle und Zuverlässigkeitsbewertung geworden, wobei die technischen Spezifikationen und Standardsysteme immer weiter verfeinert werden.

Funktionsprinzip und grundlegende Zusammensetzung von Blitzimpulsgeräten

Das zentrale Designkonzept von Blitzimpulsgeräten geht auf das Marx-Schaltungsprinzip zurück, bei dem es sich im Wesentlichen um eine Energieumwandlungsstruktur handelt, die auf „parallelem Laden und seriellem Entladen“ basiert. Während der Ladephase werden mehrere Kondensatorstufen im Inneren des Geräts über Ladewiderstände parallel an eine DC-Hochspannungsversorgung angeschlossen, wobei jeder Kondensator unabhängig auf einen voreingestellten Spannungswert aufgeladen wird. Wenn die Entladungsstufe beginnt, wird der Zündkugelspalt der ersten -Stufe präzise ausgelöst, wodurch die Serienkugelspalten jeder nachfolgenden Stufe zusammenbrechen und nacheinander leiten. Dadurch werden alle Stufenkondensatoren sofort in einen Reihenschaltungszustand geschaltet. Die Spannungen jedes Kondensators überlagern sich dann und erzeugen am Ausgangsanschluss eine gepulste Spannungswellenform mit extrem hoher Amplitude und sehr kurzer Dauer. Dieses Design ermöglicht die Verwendung von Stromquellen mit niedrigerer Spannung, um hohe Impulsspannungen von mehreren Megavolt oder sogar mehreren zehn Megavolt zu erzeugen, wodurch die Schwierigkeiten und Kosten bei der Geräteherstellung erheblich reduziert werden.

Aus physikalischer Sicht besteht ein vollständiges Blitzimpuls-Testgerät aus mindestens drei Kernkomponenten: (1) dem Körper des Impulsspannungsgenerators, der Kondensatoren, Ladewiderstände, Wellenfrontwiderstände, Wellenschwanzwiderstände und Kugelspaltschalter integriert, um die Marx-Schaltung in jeder Phase zu realisieren; (2) das Messsystem, das typischerweise einen ohmschen-kapazitiven Spannungsteiler oder ein differenzielles-Integralmessgerät umfasst, kombiniert mit einem digitalen Rekorder zur Wellenformerfassung und -analyse; und (3) das Steuer- und Auslösesystem, das für die Regulierung der Ladespannung, die Steuerung des Entladezeitpunkts und die Bereitstellung eines Sicherheitsverriegelungsschutzes verantwortlich ist. Für Anwendungen, die Wellenschneidetests erfordern, muss eine zusätzliche Wellenschneidevorrichtung installiert werden, um die Stoßwelle zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mithilfe des Wellenschneidekugelspalts zwangsweise zu unterbrechen.

Geräteklassifizierung und technische Parameter

Abhängig von den Simulationszielen und Versuchszwecken lassen sich Blitzstoßgeräte klar in zwei Kategorien einteilen: Blitzstoßspannungsgeneratoren und Blitzstoßstromgeneratoren. Ersteres konzentriert sich auf die Simulation der elektrischen Belastungseffekte von Blitzüberspannungen auf Geräteisolationsstrukturen, während letzteres den Schwerpunkt auf die Reproduktion der thermischen Belastung und elektromagnetischen Krafteffekte legt, wenn Blitzstrom in spannungsbegrenzende Komponenten wie Blitzableiter eingespeist wird.

Im Bereich der Prüfung von Hochspannungssystemen wird die Standard-Vollwelle eines Blitzimpulses als doppelte exponentielle Wellenform mit einer Wellenfrontzeit von 1,2 Mikrosekunden und einer halben Spitzenzeit von 50 Mikrosekunden definiert. Diese Wellenformparameter werden nicht willkürlich gewählt, sondern werden aus statistischer Induktion abgeleitet, die auf umfangreichen natürlichen Blitzbeobachtungsdaten basiert und die typischen Eigenschaften induzierter Blitzüberspannungen auf Freileitungsleitungen angemessen darstellt. Zusätzlich zur Vollwellenprüfung hat die Blitzimpuls-Zwischenwellenprüfung einen erheblichen technischen Wert. Das sogenannte „Zerhacken“ bezieht sich auf den steilen Spannungssprung, der durch die gewaltsame Unterbrechung der gesamten Blitzimpulswelle über eine externe Lücke während der Anstiegsflanken- oder Wellenfrontphase entsteht. Die Zerhackerzeit wird typischerweise zwischen 2 und 5 Mikrosekunden eingestellt und simuliert den plötzlichen Spannungsabfall, der durch einen Isolationsüberschlag während eines Blitzeinschlags entsteht. Für Ultra-Hochspannungsgeräte, bei denen die maximale Spannung 800 kV übersteigt, haben internationale Normen die positive Toleranz der Wellenfrontzeit deutlich überarbeitet und auf 100 % erweitert, sodass die Wellenfrontzeit 2,4 Mikrosekunden erreichen kann. Diese Anpassung berücksichtigt vollständig die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften während des Entladungsprozesses von ultralangen Luftspalten und spiegelt wider, wie sich die Standardformulierung an die technische Praxis anpasst.