1. Introdução

Um gerador de tensão de impulso é um aparelho de alta-tensão que produz formas de onda pulsadas, como tensões de impulso de raios e tensões de impulso de comutação. É um equipamento fundamental em laboratórios de testes de alta-tensão. Seu principal uso é realizar testes de tensão de impulso em equipamentos de energia elétrica-incluindo ondas completas de impulso de raio, ondas cortadas de impulso de raio e ondas de impulso de comutação-para verificar o desempenho do isolamento. Antes de equipamentos elétricos de alta-tensão em sistemas de energia serem colocados em serviço, geralmente são necessários testes de tensão de impulso para avaliar seu comportamento de isolamento sob condições de sobretensão.

Com o aumento contínuo dos níveis de tensão do sistema de energia e o rápido desenvolvimento de equipamentos de energia renovável, a importância dos geradores de tensão de impulso para garantir a operação segura e confiável da rede elétrica tornou-se mais proeminente.

2. Princípio Operacional

Os geradores de tensão de impulso geralmente empregam o circuito Marx (proposto por Erwin Otto Marx em 1924), cujo conceito central é o carregamento paralelo e a descarga em série de vários estágios de capacitores.

O processo operacional básico é o seguinte: cada capacitor de estágio é conectado em paralelo por meio de resistores de carga e carregado com uma tensão predefinida por meio de um circuito retificador. Neste momento, o resistor de proteção é geralmente cerca de dez vezes maior que o resistor de carga, o que protege o equipamento retificador e garante o carregamento relativamente uniforme de cada capacitor de estágio. Quando o centelhador de disparo do primeiro-estágio é acionado por um pulso de ignição, os centelhadores intermediários nos estágios restantes quebram sucessivamente devido à sobretensão e à irradiação de faísca. Após a operação de todos os centelhadores, os capacitores do estágio são conectados em série através dos resistores frontais (frente de onda) e descarregados no capacitor de carga. A capacitância total em série torna-se C/n e a tensão total torna-se nV (onde n é o número de estágios). Como a capacitância de carga é relativamente pequena, ela carrega rapidamente e depois descarrega junto com os capacitores do estágio através dos resistores de cauda (onda-cauda). Dessa forma, uma forma de onda de impulso de tensão de curta-alta{10}}duração é gerada no capacitor de carga.

A forma de onda da tensão de impulso pode ser ajustada alterando os valores dos resistores frontal- e de cauda-; a amplitude é controlada pela tensão de carga e a polaridade pode ser invertida trocando as conexões da pilha retificadora.

Nos últimos anos, com os avanços na eletrônica de potência, o gerador de Marx totalmente-de estado{1}}sólido tornou-se uma importante direção de pesquisa. Ao contrário dos interruptores de gás-faísca-gap convencionais, todos os geradores de estado-sólido-usam dispositivos semicondutores, como MOSFETs, como interruptores principais, organizados em uma topologia Marx modular multinível com controle preciso fornecido por FPGAs. Esses novos geradores podem reduzir significativamente o tamanho e o peso, ao mesmo tempo que melhoram as taxas de repetição de descarga e a flexibilidade da forma de onda.

3. Composição do Sistema

Um sistema completo de teste de gerador de tensão de impulso normalmente consiste nos seguintes componentes:

Dispositivo de carregamento– inclui o transformador de carga, retificador de silício de alta-tensão, resistor de proteção, divisor de tensão resistivo CC e dispositivo de aterramento automático. O transformador de carga aumenta a tensão de frequência da rede elétrica, que é então retificada para CC para carregar os capacitores do estágio.
Corpo principal do gerador– compreende múltiplos capacitores de pulso, centelhadores de disparo, resistores frontais, resistores de cauda, resistores de carga e suportes isolantes. O corpo principal é construído em estrutura de torre ou coluna, com os capacitores de estágio conectados em série para atingir uma alta tensão de saída. Dependendo do uso, pode ser classificado como tipo externo, tipo fixo interno ou tipo móvel interno.
Equipamento de controle– os sistemas de controle modernos são normalmente centrados em um PLC (Controlador Lógico Programável) com um sistema digital de medição e controle. Eles permitem funções como controle automático de carga de-corrente constante, monitoramento de tensão e corrente, ajuste automático da distância-de centelha, acionamento de disparo e proteção contra sobrecorrente/sobretensão.
Sistema de medição– consiste em um divisor de tensão capacitivo amortecido, cabos de medição, um gravador digital ou osciloscópio, etc., usados para registrar e analisar com precisão a forma de onda da tensão de impulso.

4. Formas de onda padrão e requisitos técnicos

As formas de onda de tensão de impulso padrão para testes de isolamento são especificadas em padrões internacionais e nacionais para técnicas de teste de alta-tensão:

Onda completa do impulso do raio: tempo de frente T₁=1.2 μs (com desvio permitido de ±30%), tempo até meio valor T₂=50 μs (±20%).
Onda de impulso de comutação: tempo de frente Tcr=250 μs, tempo até a metade do valor T₂=2500 μs.
Onda cortada por impulso relâmpago: cortada na faixa de 2 a 6 μs.
Onda frontal-íngreme: tempo de frente extremamente curto, com inclinação de até 1.000 kV/μs ou mais.

A fabricação e verificação de geradores de tensão de impulso seguem principalmente as seguintes normas:

DL/T 848.5 – Especificações técnicas gerais para dispositivos de teste de alta-tensão – Parte 5: Geradores de tensão de impulso (aplicável a tensões nominais de 300 kV a 4800 kV e energias nominais de 5 kJ a 480 kJ).
GB/T 16927.1/.2 – Série de técnicas de teste de alta-tensão.
IEC 60060 – Padrões da Comissão Eletrotécnica Internacional sobre técnicas de teste de alta-tensão.
GB 311.1 – Coordenação de isolamento para equipamentos de transmissão e transformação de alta-tensão.

5. Áreas de Aplicação

Os geradores de tensão de impulso são amplamente utilizados nos seguintes campos:

Testes de tipo e testes de rotina em equipamentos de energia – Transformadores, transformadores de instrumentos, buchas, isoladores, pára-raios, GIS e outros equipamentos de transmissão e distribuição normalmente exigem testes de tensão de impulso de raios e comutação. Eles incluem testes de resistência ao impulso de onda-total e testes de impulso de onda-cortada, usados para verificar a capacidade de resistência do isolamento de equipamentos sob raios e sobretensões de comutação.
Pesquisa de isolamento – Utilizada para estudar o desempenho de isolamento de equipamentos de energia sujeitos a sobretensões atmosféricas (raios) e sobretensões de manobra.
Testes de equipamentos de energia renovável: com a integração de energia eólica, fotovoltaica e outras fontes renováveis, um grande número de-transformadores elevadores e painéis de distribuição exigem testes rigorosos de tensão de impulso.
Pesquisa científica – Também amplamente aplicada em áreas como pesquisa de compatibilidade eletromagnética, estudos de mecanismos de descarga e tecnologia de energia pulsada.

6. Tendências de Desenvolvimento

À medida que os sistemas de energia avançam em direção a tensões ultra{0}}altas e maior inteligência, a indústria de geradores de tensão de impulso mostra as seguintes tendências:

Inteligência e automação – Os geradores modernos de tensão de impulso geralmente são equipados com sistemas de controle automático-baseados em CLP, permitindo ajuste automático de parâmetros, acionamento automático e registro e análise automáticos de dados de teste. A sequência de teste pode ser programada através de interfaces touchscreen para obter uma operação amplamente automatizada. Alguns sistemas começaram a integrar funções auxiliares de diagnóstico para identificar e indicar possíveis desvios nos testes.
Compacidade e estado totalmente-sólido- – Novos geradores baseados em interruptores de estado-sólido podem reduzir significativamente o volume e o peso, melhorar as taxas de repetição de descarga e aumentar a flexibilidade da forma de onda. Todos os geradores Marx de estado-sólido-, que usam dispositivos eletrônicos de potência em vez dos centelhadores tradicionais, tornaram-se uma importante direção de desenvolvimento.
Digitalização e conectividade – Os geradores modernos empregam gravadores digitais e cartões de aquisição de alta{0}}precisão em vez dos osciloscópios-de feixe de luz tradicionais, permitindo a análise automática de formas de onda e a geração de relatórios. Alguns dispositivos podem interagir com sistemas de gerenciamento de informações laboratoriais através de conexões de rede para troca de dados.
Alta precisão e alta confiabilidade – Através de tecnologia de sensor aprimorada e algoritmos de processamento de sinal, a precisão e a repetibilidade da medição têm sido continuamente aprimoradas. Atualmente, a instabilidade da tensão de carga de equipamentos típicos pode ser controlada dentro de ±1%.
Multifuncionalidade – Um único gerador pode produzir diversas formas de onda padrão e não{0}}padrão, incluindo ondas completas de relâmpagos, ondas cortadas, ondas de comutação, ondas oscilantes e ondas frontais- íngremes, para atender a diferentes cenários de aplicação.

7. Conclusão

Como um dispositivo fundamental no campo de testes de alta-tensão, o nível técnico do gerador de tensão de impulso afeta diretamente a precisão e a confiabilidade da verificação de desempenho de isolamento para equipamentos de energia. Do circuito Marx tradicional às modernas topologias totalmente de estado-sólido-e da operação manual ao controle automático inteligente, a tecnologia de gerador de tensão de impulso está passando por uma transformação significativa. Com o desenvolvimento contínuo de redes elétricas de ultra-alta-tensão, o crescimento das instalações de energia renovável e o avanço da transformação digital, os geradores de tensão de impulso continuam a desempenhar um papel importante para garantir a operação segura e confiável dos sistemas de energia.