1. Introducción

Un generador de voltaje de impulso es un aparato de alto-voltaje que produce formas de onda pulsadas, como voltajes de impulso de relámpago y voltajes de impulso de conmutación. Es un equipo fundamental en los laboratorios de pruebas de alta-tensión. Su uso principal es realizar pruebas de voltaje de impulso en equipos de energía eléctrica-incluidas ondas completas de impulso de rayo, ondas cortadas de impulso de rayo y ondas de impulso de conmutación-para verificar el rendimiento del aislamiento. Antes de poner en servicio equipos eléctricos de alto voltaje en sistemas de energía, generalmente se requieren pruebas de voltaje de impulso para evaluar su comportamiento de aislamiento en condiciones de sobrevoltaje.

Con el aumento continuo de los niveles de voltaje del sistema eléctrico y el rápido desarrollo de equipos de energía renovable, la importancia de los generadores de voltaje de impulso para garantizar el funcionamiento seguro y confiable de la red eléctrica se ha vuelto más prominente.

2. Principio de funcionamiento

Los generadores de voltaje de impulso comúnmente emplean el circuito de Marx (propuesto por Erwin Otto Marx en 1924), cuyo concepto central es la carga en paralelo y la descarga en serie de múltiples etapas de capacitores.

El proceso operativo básico es el siguiente: cada condensador de etapa se conecta en paralelo mediante resistencias de carga y se carga a un voltaje preestablecido a través de un circuito rectificador. En este momento, la resistencia protectora es generalmente aproximadamente diez veces mayor que la resistencia de carga, lo que protege el equipo rectificador y garantiza una carga relativamente uniforme del condensador de cada etapa. Cuando el explosor de encendido de la primera etapa-se activa mediante un pulso de encendido, los explosores intermedios en las etapas restantes se rompen sucesivamente debido a la sobretensión y la irradiación de chispas. Después de que todos los explosores hayan operado, los capacitores de la etapa se conectan en serie a través de las resistencias frontales (frontales de onda-) y se descargan en el capacitor de carga. La capacitancia total en serie se convierte en C/n y el voltaje total se convierte en nV (donde n es el número de etapas). Debido a que la capacitancia de carga es relativamente pequeña, se carga rápidamente y luego se descarga junto con los capacitores de la etapa a través de las resistencias de cola (onda-cola). De esta manera, se genera una forma de onda de impulso de voltaje alto-de corta-duración-a través del capacitor de carga.

La forma de onda del voltaje de impulso se puede ajustar cambiando los valores de las resistencias delantera- y trasera-; la amplitud está controlada por el voltaje de carga y la polaridad se puede invertir intercambiando las conexiones de la pila del rectificador.

En los últimos años, con los avances en la electrónica de potencia, el generador de Marx de estado totalmente{0}}sólido-se ha convertido en una importante dirección de investigación. A diferencia de los interruptores de separación de chispa-de gas-convencionales, todos los generadores-de estado sólido-utilizan dispositivos semiconductores como MOSFET como interruptores principales, dispuestos en una topología Marx modular multinivel con control preciso proporcionado por FPGA. Estos nuevos generadores pueden reducir significativamente el tamaño y el peso y al mismo tiempo mejorar las tasas de repetición de descarga y la flexibilidad de las formas de onda.

3. Composición del sistema

Un sistema completo de prueba de generador de voltaje de impulso generalmente consta de los siguientes componentes:

Dispositivo de carga– incluye el transformador de carga, el rectificador de silicio de alto-voltaje, la resistencia protectora, el divisor de voltaje resistivo de CC y el dispositivo automático de conexión a tierra. El transformador de carga aumenta el voltaje de frecuencia de la red, que luego se rectifica a CC para cargar los condensadores de la etapa.
Cuerpo principal del generador– comprende condensadores de pulsos múltiples, explosores de disparo, resistencias frontales, resistencias de cola, resistencias de carga y soportes aislantes. El cuerpo principal está construido en una estructura de torre o columna, con los condensadores de la etapa conectados en serie para lograr un alto voltaje de salida. Dependiendo del uso, se puede clasificar como tipo exterior, tipo fijo interior o tipo móvil interior.
Equipos de control– Los sistemas de control modernos suelen centrarse en un PLC (controlador lógico programable) con un sistema de control y medición digital. Permiten funciones como control automático de carga de corriente constante-, monitoreo de voltaje y corriente, ajuste automático de distancia de chispa-, activación de disparo y protección contra sobrecorriente/sobrevoltaje.
Sistema de medición– consta de un divisor de tensión capacitivo amortiguado, cables de medición, un registrador digital u osciloscopio, etc., que se utiliza para registrar y analizar con precisión la forma de onda de la tensión de impulso.

4. Formas de onda estándar y requisitos técnicos

Las formas de onda de voltaje de impulso estándar para pruebas de aislamiento se especifican en estándares nacionales e internacionales para técnicas de prueba de alto-voltaje:

Onda completa del impulso del rayo: tiempo de frente T₁=1.2 μs (con desviación permitida de ±30%), tiempo hasta la mitad del valor T₂=50 μs (±20%).
Onda de impulso de conmutación: tiempo frontal Tcr=250 μs, tiempo hasta la mitad del valor T₂=2500 μs.
Onda cortada de impulso de rayo: cortada en el rango de 2 a 6 μs.
Onda de frente-inclinada: tiempo de frente extremadamente corto, con una inclinación de hasta 1000 kV/μs o más.

La fabricación y verificación de generadores de impulso de tensión sigue principalmente las siguientes normas:

DL/T 848.5 – Especificaciones técnicas generales para dispositivos de prueba de alto-voltaje – Parte 5: Generadores de voltaje de impulso (aplicable a voltajes nominales de 300 kV a 4800 kV y energías nominales de 5 kJ a 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2: Serie de técnicas de prueba de alto voltaje-.
IEC 60060: normas de la Comisión Electrotécnica Internacional sobre técnicas de prueba de alto voltaje-.
GB 311.1 – Coordinación del aislamiento para equipos de transmisión y transformación de alto-voltaje.

5. Áreas de aplicación

Los generadores de tensión de impulso se utilizan ampliamente en los siguientes campos:

Pruebas de tipo y pruebas de rutina en equipos de energía: los transformadores, transformadores de instrumentos, aisladores, pararrayos, GIS y otros equipos de transmisión y distribución generalmente requieren pruebas de voltaje de impulso de conmutación y rayos. Estas incluyen pruebas de resistencia al impulso de onda-completa y pruebas de impulso de onda-cortadas, que se utilizan para verificar la capacidad de resistencia del aislamiento de los equipos sometidos a rayos y sobretensiones de conmutación.
Investigación de aislamiento: se utiliza para estudiar el rendimiento del aislamiento de equipos eléctricos sujetos a sobretensiones atmosféricas (rayos) y sobretensiones de conmutación.
Pruebas de equipos de energía renovable: con la integración de la energía eólica, fotovoltaica y otras fuentes renovables, una gran cantidad-de transformadores elevadores y aparamenta requieren pruebas rigurosas de voltaje de impulso.
Investigación científica: también se aplica ampliamente en áreas como la investigación de compatibilidad electromagnética, estudios de mecanismos de descarga y tecnología de energía pulsada.

6. Tendencias de desarrollo

A medida que los sistemas de energía avanzan hacia voltajes ultra-altos y una mayor inteligencia, la industria de los generadores de voltaje de impulso muestra las siguientes tendencias:

Inteligencia y automatización: los generadores de voltaje de impulso modernos generalmente están equipados con sistemas de control automático basados en PLC-, lo que permite el ajuste automático de parámetros, la activación automática y el registro y análisis automáticos de los datos de prueba. La secuencia de prueba se puede programar a través de interfaces de pantalla táctil para lograr una operación en gran medida automatizada. Algunos sistemas han comenzado a integrar funciones de diagnóstico auxiliares para identificar e indicar posibles desviaciones de las pruebas.
Compacidad y todo-estado-sólido: los nuevos generadores basados en interruptores-de estado sólido pueden reducir significativamente el volumen y el peso, mejorar las tasas de repetición de descarga y aumentar la flexibilidad de las formas de onda. Todos los generadores Marx-sólidos-de estado, que utilizan dispositivos electrónicos de potencia en lugar de las tradicionales descargas de chispas, se han convertido en una importante dirección de desarrollo.
Digitalización y conectividad: los generadores modernos emplean grabadores digitales y tarjetas de adquisición de alta-precisión en lugar de los tradicionales osciloscopios de haz de luz-, lo que permite el análisis automático de formas de onda y la generación de informes. Algunos dispositivos pueden interactuar con los sistemas de gestión de información del laboratorio a través de conexiones de red para el intercambio de datos.
Alta precisión y alta confiabilidad: a través de tecnología de sensores mejorada y algoritmos de procesamiento de señales, la precisión y repetibilidad de las mediciones se han mejorado continuamente. Actualmente, la inestabilidad del voltaje de carga de los equipos típicos se puede controlar dentro de ±1%.
Multifuncionalidad: un solo generador puede producir varias formas de onda estándar y no-estándar, incluidas ondas completas de rayos, ondas cortadas, ondas de conmutación, ondas oscilantes y ondas de frente-inclinadas, para adaptarse a diferentes escenarios de aplicación.

7. Conclusión

Como dispositivo fundamental en el campo de las pruebas de alto-voltaje, el nivel técnico del generador de voltaje de impulso afecta directamente la precisión y confiabilidad de la verificación del rendimiento del aislamiento para los equipos eléctricos. Desde el circuito tradicional de Marx hasta las topologías modernas de estado totalmente-sólido-y desde la operación manual hasta el control automático inteligente, la tecnología de los generadores de voltaje de impulso está experimentando una transformación significativa. Con el desarrollo continuo de las redes eléctricas de voltaje ultra-alto-, el crecimiento de las instalaciones de energía renovable y el avance de la transformación digital, los generadores de voltaje de impulso continúan desempeñando un papel importante para garantizar el funcionamiento seguro y confiable de los sistemas eléctricos.