1. はじめに

インパルス電圧発生器は、雷インパルス電圧やスイッチングインパルス電圧などのパルス波形を生成する高電圧装置です。{0}これは高電圧試験所の基本的な機器です。-その主な用途は、絶縁性能を検証するために、電力機器に対してインパルス電圧試験を実行することです-雷インパルス全波、雷インパルス断続波、スイッチングインパルス波を含みます-。電力システムの高電圧電気機器を使用開始する前に、通常、過電圧条件下での絶縁挙動を評価するためにインパルス電圧試験が必要です。

電力システムの電圧レベルが継続的に上昇し、再生可能エネルギー機器が急速に発展するにつれて、電力網の安全で信頼性の高い運用を確保する上でインパルス電圧発生器の重要性がより顕著になってきています。

2. 動作原理

インパルス電圧発生器は一般にマルクス回路 (1924 年にエルヴィン・オットー・マルクスによって提案) を採用しており、その中心概念は複数のコンデンサ段の並列充電と直列放電です。

基本的な動作プロセスは次のとおりです。各段のコンデンサは充電抵抗を介して並列に接続され、整流回路を通じてプリセット電圧まで充電されます。このとき、保護抵抗器は一般に充電抵抗器よりも約 10 倍大きく、整流装置を保護するとともに、各段のコンデンサの比較的均一な充電を保証します。最初の-ステージの点火スパークギャップが点火パルスによってトリガーされると、残りのステージの中間スパークギャップは過電圧とスパーク照射により連続して破壊されます。すべてのスパークギャップが動作した後、ステージコンデンサは前部 (波面) 抵抗を介して直列に接続され、負荷コンデンサに放電します。合計の直列容量は C/n になり、合計電圧は nV になります (n は段数)。負荷容量は比較的小さいため、急速に充電され、その後テール (波尾) 抵抗を介してステージコンデンサとともに放電します。このようにして、負荷コンデンサの両端に短時間の高電圧インパルス波形が生成されます。-

インパルス電圧波形は、フロント-とテール-の抵抗値を変更することで調整できます。振幅は充電電圧によって制御され、極性は整流器スタックの接続を交換することで反転できます。

近年、パワーエレクトロニクスの進歩に伴い、全固体マルクス発電機が研究の重要な方向性となっています。{0}{1}従来のガス-スパーク-ギャップスイッチとは異なり、全固体-発電機はメインスイッチとして MOSFET などの半導体デバイスを使用し、FPGA による正確な制御を備えたモジュラーマルチレベルマルクストポロジに配置されています。このような新しい発電機は、放電繰り返し率と波形の柔軟性を向上させながら、サイズと重量を大幅に削減できます。

3. システム構成

完全なインパルス電圧発生器テストシステムは通常、次のコンポーネントで構成されます。

充電装置– 充電変圧器、高電圧シリコン整流器、保護抵抗、DC 抵抗分圧器、自動接地装置が含まれます。-充電変圧器は主電源周波数電圧を昇圧し、その後 DC に整流して段のコンデンサを充電します。
発電機本体– 複数のパルスコンデンサ、点火スパークギャップ、フロント抵抗器、テール抵抗器、充電抵抗器、および絶縁サポートで構成されます。本体はタワーまたはコラム構造で構成されており、ステージコンデンサは直列に接続されており、高い出力電圧を実現します。用途に応じて屋外型、屋内固定型、屋内可動型に分類されます。
制御機器– 最新の制御システムは通常、デジタル測定および制御システムを備えた PLC (プログラマブルロジックコントローラー) を中心としています。これらにより、自動定電流充電制御、電圧と電流の監視、自動スパークギャップ距離調整、点火トリガー、過電流/過電圧保護などの機能が可能になります。-
測定システム– インパルス電圧波形を正確に記録および分析するために使用される、減衰容量性分圧器、測定ケーブル、デジタルレコーダーまたはオシロスコープなどで構成されます。

4. 標準波形と技術要件

絶縁試験の標準インパルス電圧波形は、高電圧試験技術の国際規格および国内規格で指定されています。-

雷インパルス全波: 前時間 T₁=1.2 μs (許容誤差は ±30%)、半値までの時間 T₂=50 μs (±20%)。
スイッチングインパルス波: フロント時間 Tcr=250 μs、半値までの時間 T₂=2500 μs。
雷インパルスチョップド波：2～6μsの範囲でチョップド。
急峻な前線波: 前線時間が非常に短く、急峻さは最大 1000 kV/μs 以上です。

インパルス電圧発生器の製造と検証は主に次の規格に従います。

DL/T 848.5 – 高電圧試験装置の一般技術仕様- – パート 5: インパルス電圧発生器 (300 kV ～ 4800 kV の定格電圧および 5 kJ ～ 480 kJ の定格エネルギーに適用)。
GB/T 16927.1/.2 – 高電圧テスト技術シリーズ-。
IEC 60060 – 高電圧試験技術に関する国際電気標準会議の規格。-
GB 311.1 – 高電圧送電および変電設備の絶縁調整。-

5. 応用分野

インパルス電圧発生器は次の分野で広く使用されています。

電力機器の型式試験と日常試験 – 変圧器、計器用変圧器、ブッシング、絶縁体、避雷器、GIS、およびその他の送配電機器には、通常、雷およびスイッチングインパルス電圧試験が必要です。これらには、落雷やスイッチング過電圧下での機器の絶縁耐力を検証するために使用される全波インパルス耐性テストや断続波インパルス試験が含まれます。{{1}
絶縁研究 – 大気過電圧 (雷) およびスイッチング過電圧にさらされる電力機器の絶縁性能を研究するために使用されます。
再生可能エネルギー機器のテスト - 風力発電、太陽光発電、その他の再生可能エネルギー源を統合することで、多数の昇圧変圧器や開閉装置に厳格なインパルス電圧テストが必要になります。{0}
科学研究 – 電磁適合性研究、放電メカニズムの研究、パルスパワー技術などの分野にも広く応用されています。

6. 開発動向

電力システムが超高電圧と高度なインテリジェンスに移行するにつれて、インパルス電圧発生器業界では次のような傾向が見られます。{0}

インテリジェンスと自動化 – 最新のインパルス電圧発生器には通常、PLC{0}} ベースの自動制御システムが装備されており、自動パラメータ調整、自動トリガ、テストデータの自動記録と分析が可能です。テストシーケンスはタッチスクリーンインターフェイス経由でプログラムでき、大部分が自動化された操作を実現します。一部のシステムは、潜在的なテスト逸脱を特定して示すための補助診断機能を統合し始めています。
コンパクトさと全固体- - 固体-スイッチをベースにした新しい発電機は、体積と重量を大幅に削減し、放電繰り返し率を改善し、波形の柔軟性を高めることができます。従来のスパークギャップの代わりにパワーエレクトロニクスデバイスを使用する全固体マルクス発電機は、開発の重要な方向性となっています。
デジタル化と接続 – 最新の発電機では、従来の光ビームオシロスコープの代わりにデジタルレコーダーと高精度収集カードが採用されており、自動波形分析とレポート生成が可能です。{0}{1}{1}一部のデバイスは、データ交換のためにネットワーク接続を介して研究室情報管理システムと接続できます。
高精度と高信頼性 – 改良されたセンサー技術と信号処理アルゴリズムにより、測定精度と再現性が継続的に向上しています。現在、一般的な機器の充電電圧の不安定性は ±1% 以内に制御できます。
多機能 – 単一の発生器で、さまざまなアプリケーションシナリオに合わせて、雷の全波、チョップド波、スイッチング波、振動波、急峻なフロント波など、さまざまな標準波形と非標準波形を生成できます。{0}{1}

7. 結論

高電圧試験分野の中核となる基本デバイスであるインパルス電圧発生器の技術レベルは、電力機器の絶縁性能検証の精度と信頼性に直接影響します。{0}従来のマルクス回路から最新のオール-ソリッド-トポロジー、そして手動操作からインテリジェントな自動制御まで、インパルス電圧発生器技術は大きな変革を遂げています。超-高圧-送電網の開発が進行し、再生可能エネルギー設備の増加、デジタル変革の進歩により、インパルス電圧発生器は電力システムの安全で信頼性の高い動作を確保する上で重要な役割を果たし続けています。