1. مقدمة

مولد الجهد النبضي هو جهاز ذو جهد عالي-ينتج أشكال موجية نبضية مثل الفولتية النبضية البرقية وتبديل الفولتية النبضية. إنها قطعة أساسية من المعدات في مختبرات اختبار الجهد العالي-. الاستخدام الأساسي له هو إجراء اختبارات الجهد النبضي على معدات الطاقة الكهربائية-بما في ذلك الموجات الكاملة لنبضات البرق، والموجات المقطوعة لنبضات البرق، وتبديل الموجات النبضية-للتحقق من أداء العزل. قبل-وضع المعدات الكهربائية ذات الجهد العالي في أنظمة الطاقة في الخدمة، تكون اختبارات الجهد النبضي مطلوبة عمومًا لتقييم سلوك العزل الخاص بها في ظل ظروف الجهد الزائد.

مع الزيادة المستمرة في مستويات جهد نظام الطاقة والتطور السريع لمعدات الطاقة المتجددة، أصبحت أهمية مولدات الجهد النبضي في ضمان التشغيل الآمن والموثوق لشبكة الطاقة أكثر وضوحًا.

2. مبدأ التشغيل

تستخدم مولدات الجهد النبضي عادة دائرة ماركس (التي اقترحها إيروين أوتو ماركس في عام 1924)، والمفهوم الأساسي لها هو الشحن المتوازي والتفريغ المتسلسل لمراحل المكثفات المتعددة.

عملية التشغيل الأساسية هي كما يلي: يتم توصيل كل مكثف مرحلة على التوازي عبر مقاومات الشحن ويتم شحنه إلى جهد محدد مسبقًا من خلال دائرة مقوم. في هذا الوقت، تكون المقاومة الواقية بشكل عام أكبر بحوالي عشر مرات من مقاومة الشحن، مما يحمي معدات المقوم ويضمن شحنًا موحدًا نسبيًا لكل مكثف مرحلة. عندما يتم تشغيل فجوة شرارة الإشعال-في المرحلة الأولى بواسطة نبضة إشعال، تتحلل فجوات الشرارة المتوسطة في المراحل المتبقية على التوالي بسبب الجهد الزائد وإشعاع الشرارة. بعد تشغيل جميع فجوات الشرارة، يتم توصيل مكثفات المرحلة على التوالي من خلال المقاومات الأمامية (الموجة - الأمامية) ويتم تفريغها في مكثف الحمل. تصبح سعة السلسلة الإجمالية C/n ويصبح الجهد الإجمالي nV (حيث n هو عدد المراحل). نظرًا لأن سعة الحمل صغيرة نسبيًا، فإنها تشحن بسرعة، ثم يتم تفريغها مع مكثفات المرحلة من خلال المقاومات الخلفية (موجة -الذيل). بهذه الطريقة، يتم إنشاء شكل موجة نبضية عالية الجهد-قصيرة المدة-عبر مكثف الحمل.

يمكن ضبط شكل موجة الجهد النبضي عن طريق تغيير قيم المقاومات الأمامية - والذيلية -؛ يتم التحكم في السعة بواسطة جهد الشحن، ويمكن عكس القطبية عن طريق تبديل وصلات كومة المقوم.

في السنوات الأخيرة، ومع التقدم في مجال إلكترونيات الطاقة، أصبح مولد ماركس-الحالة الصلبة- بالكامل اتجاهًا بحثيًا مهمًا. على عكس مفاتيح فجوة-الشرارة-الغازية التقليدية، تستخدم جميع مولدات الحالة-الصلبة-أجهزة أشباه الموصلات مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) كمفاتيح رئيسية، مرتبة في طوبولوجيا ماركس معيارية متعددة المستويات مع تحكم دقيق توفره FPGAs. يمكن لهذه المولدات الجديدة تقليل الحجم والوزن بشكل كبير مع تحسين معدلات تكرار التفريغ ومرونة الشكل الموجي.

3. تكوين النظام

يتكون نظام اختبار مولد الجهد النبضي الكامل عادةً من المكونات التالية:

1. جهاز شحن- يشتمل على محول الشحن، ومقوم السيليكون-عالي الجهد، والمقاوم الواقي، ومقسم الجهد المقاوم للتيار المستمر، وجهاز التأريض التلقائي. يقوم محول الشحن برفع جهد تردد التيار الكهربائي، والذي يتم بعد ذلك تصحيحه إلى التيار المستمر لشحن مكثفات المرحلة.
2. الجسم الرئيسي للمولد- تشتمل على مكثفات نبضية متعددة، وفجوات شرارة، ومقاومات أمامية، ومقاومات خلفية، ومقاومات شحن، ودعامات عازلة. يتم إنشاء الجسم الرئيسي في هيكل برج أو عمود، مع توصيل مكثفات المرحلة في سلسلة لتحقيق جهد خرج عالي. اعتمادًا على الاستخدام، يمكن تصنيفها كنوع خارجي، نوع داخلي ثابت، أو نوع داخلي متحرك.
3. معدات التحكم– تتمحور أنظمة التحكم الحديثة عادة حول PLC (وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة) مع نظام القياس والتحكم الرقمي. إنها تتيح وظائف مثل التحكم التلقائي في شحن التيار المستمر-، ومراقبة الجهد والتيار، والضبط التلقائي لمسافة فجوة الشرارة-، وإطلاق النار، وحماية التيار الزائد/الجهد الزائد.
4. نظام القياس- يتكون من مقسم جهد سعوي مخمد، وكابلات قياس، ومسجل رقمي أو راسم الذبذبات، وما إلى ذلك، يستخدم لتسجيل وتحليل شكل موجة الجهد النبضي بدقة.

4. الأشكال الموجية القياسية والمتطلبات الفنية

تم تحديد أشكال موجة الجهد النبضي القياسية لاختبار العزل في المعايير الدولية والوطنية لتقنيات اختبار الجهد العالي-:

• موجة دافعة البرق الكاملة: الوقت الأمامي T₁=1.2 μs (مع انحراف مسموح به قدره ±30%)، الوقت حتى نصف القيمة T₂=50 μs (±20%).
• تحويل الموجة النبضية: الوقت الأمامي Tcr=250 μs، الوقت إلى نصف القيمة T₂=2500 μs.
• موجة نبضية من البرق المقطعة: مقطعة في نطاق من 2 إلى 6 ميكروثانية.
• موجة أمامية شديدة الانحدار-: وقت أمامي قصير للغاية، مع انحدار يصل إلى 1000 كيلو فولت/ميكروثانية أو أكثر.

إن تصنيع والتحقق من مولدات الجهد النبضي يتبع في المقام الأول المعايير التالية:

• DL/T 848.5 - المواصفات الفنية العامة لأجهزة اختبار الجهد العالي- - الجزء 5: مولدات الجهد النبضي (تنطبق على الفولتية المقدرة من 300 كيلو فولت إلى 4800 كيلو فولت والطاقات المقدرة من 5 كيلو جول إلى 480 كيلو جول).
• GB/T 16927.1/.2 – سلسلة تقنيات اختبار الجهد العالي-.
• IEC 60060 – معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية بشأن تقنيات اختبار الجهد العالي-.
• GB 311.1 – تنسيق العزل لمعدات نقل وتحويل الجهد العالي-.

5. مجالات التطبيق

تستخدم مولدات الجهد النبضي على نطاق واسع في المجالات التالية:

1. اختبارات النوع والاختبارات الروتينية على معدات الطاقة - المحولات، ومحولات الأجهزة، والبطانات، والعوازل، ومانعات الصواعق، ونظم المعلومات الجغرافية، وغيرها من معدات النقل والتوزيع تتطلب عادةً اختبارات البرق وتبديل الجهد النبضي. يتضمن ذلك اختبارات تحمل نبضات الموجة- الكاملة واختبارات نبضات الموجات المقطعة- المستخدمة للتحقق من قدرة تحمل العزل للمعدات تحت البرق وتبديل الفولتية الزائدة.
2. أبحاث العزل - تستخدم لدراسة أداء العزل لمعدات الطاقة المعرضة للجهد الزائد في الغلاف الجوي (البرق) وتبديل الجهد الزائد.
3. اختبار معدات الطاقة المتجددة – من خلال تكامل طاقة الرياح والخلايا الكهروضوئية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة، يتطلب عدد كبير من -المحولات الكهربائية والمفاتيح الكهربائية اختبارات صارمة لجهد النبض.
4. البحث العلمي - يتم تطبيقه أيضًا على نطاق واسع في مجالات مثل أبحاث التوافق الكهرومغناطيسي، ودراسات آلية التفريغ، وتكنولوجيا الطاقة النبضية.

6. اتجاهات التنمية

مع تحرك أنظمة الطاقة نحو الفولتية العالية جدًا- والذكاء الأكبر، تُظهر صناعة مولدات الجهد النبضي الاتجاهات التالية:

1. الذكاء والأتمتة – يتم تجهيز مولدات الجهد النبضي الحديثة بشكل عام بأنظمة تحكم تلقائية قائمة على PLC-، مما يتيح ضبط المعلمات تلقائيًا، والتشغيل التلقائي، والتسجيل والتحليل التلقائي لبيانات الاختبار. ويمكن برمجة تسلسل الاختبار عبر واجهات تعمل باللمس لتحقيق عملية مؤتمتة إلى حد كبير. بدأت بعض الأنظمة في دمج وظائف التشخيص المساعدة لتحديد والإشارة إلى انحرافات الاختبار المحتملة.
2. الاكتناز وجميع الحالة-الصلبة- – يمكن للمولدات الجديدة المعتمدة على محولات الحالة-الصلبة تقليل الحجم والوزن بشكل كبير، وتحسين معدلات تكرار التفريغ، وزيادة مرونة الشكل الموجي. أصبحت جميع مولدات ماركس-الحالة الصلبة-، التي تستخدم أجهزة الطاقة الإلكترونية بدلاً من فجوات الشرارة التقليدية، اتجاهًا مهمًا للتنمية.
3. الرقمنة والاتصال – تستخدم المولدات الحديثة مسجلات رقمية -وبطاقات التقاط عالية الدقة بدلاً من ذبذبات الشعاع الضوئي- التقليدية، مما يتيح التحليل التلقائي لشكل الموجة وإنشاء التقارير. يمكن لبعض الأجهزة التفاعل مع أنظمة إدارة معلومات المختبر عبر اتصالات الشبكة لتبادل البيانات.
4. دقة عالية وموثوقية عالية – من خلال تكنولوجيا الاستشعار المحسنة وخوارزميات معالجة الإشارات، تم تحسين دقة القياس وقابلية التكرار بشكل مستمر. حاليًا، يمكن التحكم في عدم استقرار جهد الشحن للمعدات النموذجية في حدود ±1%.
5. تعدد الوظائف – يمكن لمولد واحد إنتاج العديد من أشكال الموجات القياسية وغير القياسية-، بما في ذلك الموجات الكاملة البرقية، والموجات المقطوعة، والموجات المتغيرة، والموجات المتذبذبة، والموجات الأمامية- شديدة الانحدار، لتناسب سيناريوهات التطبيقات المختلفة.

7. الاستنتاج

باعتباره جهازًا أساسيًا أساسيًا في مجال اختبار الجهد العالي{{0}، فإن المستوى الفني لمولد الجهد النبضي يؤثر بشكل مباشر على دقة وموثوقية التحقق من أداء العزل لمعدات الطاقة. بدءًا من دائرة ماركس التقليدية وحتى طبولوجيا الحالة-الصلبة-الحديثة، ومن التشغيل اليدوي إلى التحكم الآلي الذكي، تشهد تكنولوجيا مولد الجهد النبضي تحولًا كبيرًا. مع التطوير المستمر لشبكات الطاقة ذات الجهد العالي-الفائقة-، ونمو منشآت الطاقة المتجددة، وتقدم التحول الرقمي، تستمر مولدات الجهد النبضي في لعب دور مهم في ضمان التشغيل الآمن والموثوق لأنظمة الطاقة.