Из табл. 10-1 следует, что для квалификационных испытаний трансформаторов высокого напряжения грозовыми импульсами требуются импульсные напряжения порядка сотен и тысяч киловольт. В качестве источников таких напряжений применяются ГИН с многоступенчатой схемой, которая впервые была осуществлена В. К. Аркадьевым в 1914 г. Принцип действия многоступенчатого ГИН заключается в том, что п параллельно соединенных емкостей заряжают через выпрямитель до напряжения U1, после чего они путем пробоя ряда искровых промежутков автоматически переключаются с параллельного на последовательное соединение. На п последовательно соединенных емкостях напряжение равно nU1.
На рис. 10-8,а дана работа схемы четырехступенчатого ГИН. Все четыре емкости С1, образующие ГИН, соединены параллельно через большие зарядные сопротивления rзар (порядка нескольких килоом) и совместно заряжаются от высоковольтного трансформатора через вентиль В. Когда напряжение на них достигнет заданного значения U1, на первый искровой промежуток П1, установленный на несколько более высокое разрядное напряжение, подается поджигающий импульс и он пробивается.
Рис. 10-8. Схемы многоступенчатых ГИН.
а — прямая; б — двусторонняя; В — вентиль; П1, П2 — искровые промежутки (шаровые разрядники); PC — разрядная схема; Т — объект испытания.
После пробоя этих промежутков все емкости ГИН, заряженные каждая до напряжения U1, образуют вместе с «фронтовыми» сопротивлениями ступеней r последовательную цепь, замкнутую на незаряженную фронтовую емкость Сф — сумму нагрузочной емкости Сд и входной емкости объекта испытания. Емкость Сф сравнительно быстро заряжается приблизительно до суммарного напряжения ГИН, равного nU1, через все последовательные фронтовые сопротивления. Время заряда соответствует фронту импульса.
Одновременно начинается более длительный процесс разряда емкостей ступеней ГИН С1 через соответствующие разрядные сопротивления rр1, а частично — через индуктивность объекта и внешнее нагрузочное сопротивление rд (например, сопротивление омического делителя), если оно имеется. Время разряда до половинного напряжения соответствует длительности импульса. Процесс разряда многоступенчатого ГИН со схемой по рис. 10-8,а эквивалентен разряду более простой одноступенчатой схемы ГИН на рис. 10-12,а, если в последней принять:
(10-2)
Более точно процесс разряда ГИН рассмотрен в § 10-6. В случае большой входной емкости объекта — порядка тысяч пикофарад, что имеет место для мощных трансформаторов, отдельная нагрузочная емкость Сд может отсутствовать.
Рассмотренная схема ГИН на рис. 10-8,а называется прямой, так как она дает импульс того же знака, что и зарядное напряжение. Возможна, но редко применяется, обратная схема многоступенчатого ГИН, где импульс противоположен по знаку питающему напряжению. Весьма распространена схема двустороннего питания ГИН, представленная на рис. 10-8,б, где один ряд конденсаторов заряжается положительно, другой — отрицательно. Ее преимуществом является половинное по отношению к числу ступеней число искровых промежутков.
Номинальным напряжением ГИН называвши произведение номинального зарядного напряжения ступени на число ступеней. Фактическое импульсное напряжение, получаемое на объекте испытания, всегда несколько меньше номинального за счет расхода части заряда емкостей ГИН на зарядку нагрузочной емкости и емкости объекта, падения напряжения на фронтовых сопротивлениях, частичного разряда емкостей ГИН за время фронта. Отношение фактической амплитуды напряжения на объекте к номинальному напряжению называется коэффициентом использования ГИН. Коэффициент использования современных ГИН при нормированном импульсе 1,2/50 мкс составляет обычно 0,8—0,85.
Помимо номинального напряжения ГИН характеризуется разрядной емкостью, т. е. эквивалентной емкостью Сr, которой можно заменить ГИН при его разряде. Последняя равна емкости ступени, деленной на число ступеней п. Вместо разрядной емкости часто указывается значение энергии, запасаемой ГИН при зарядке до полного напряжения. Эти величины связаны соотношением:
(10-3)
где Сr — разрядная емкость ГИН, мкФ; E — номинальная энергия, кДж; U — номинальное напряжение, МВ.
Разрядная емкость современных мощных ГИН имеет порядок нескольких сотых микрофарады при номинальном напряжении порядка нескольких мегавольт. Например, ГИН наиболее мощной серии завода «ТУР» (ГДР), который является основным поставщиком испытательного оборудования высокого напряжения для СССР и социалистических стран, характеризуются параметрами:
Чем больше разрядная емкость ГИН, тем более мощный трансформатор или реактор данного номинального напряжения может быть испытан полным грозовым импульсом без недопустимого уменьшения его длительности. Действительно, при испытаниях по схемам рис.10-7 (кроме схемы 5) нужно учитывать разряд ГИН через индуктивность объекта. В случае реактора — это его номинальная индуктивность, в случае трансформатора — индуктивность рассеяния (поскольку концы неиспытываемых обмоток заземляются, что равносильно, их замыканию накоротко). При достаточно малой индуктивности объекта Lоб разряд имеет характер затухающих колебаний, период которых приблизительно равен·.
(10-1)
Чтобы при этом длительность первого пика до полу- спада была не менее 15 мкс, нужно иметь период колебаний, по крайней мере в 8 раз больший, что приводит к условию:
(10-5)
Учтя, что при данном номинальном напряжении объекта его индуктивность обратно пропорциональна номинальной мощности, убеждаемся, что предельно допустимое значение последней прямо пропорционально С.
Индуктивность объекта резко уменьшается при снижении номинального напряжения испытываемой обмотки. Поскольку при этом снижается и испытательное напряжение, требуемый рост Сг может быть достигнут путем уменьшения числа ступеней ГИН и соответственно увеличения числа параллельно соединенных конденсаторов для каждой ступени. Таким образом конструкция ГИН должна предусматривать возможность быстрого пересоединения на различное число ступеней с использованием всех имеющихся конденсаторов.
С точки зрения конструкции различают следующие основные типы ГИН.
- Этажерочный. Этот ГИН состоит из ряда полок, расположенных одна над другой и разделенных опорной изоляцией. Конденсаторы, образующие основные емкости ГИН С1, устанавливают на полках. На рис. 10-9 показан ГИН завода «ТУР» этажерочной конструкции с конденсаторами в металлических баках, соединенный по двусторонней схеме рис. 10-8,б. Этажерочная конструкция позволяет получать максимальные разрядные емкости ГИН.
- Подвесной. Отличается от предыдущего тем, что полки· заменены рамами, к которым подвешены цилиндрические конденсаторы в бумажно-бакелитовых кожухах (рис. 10-10).
- Одноколонный. Все конденсаторы объединены в одну цилиндрическую колонну, являющуюся основой всей конструкции ГИН, резисторы и разрядники смонтированы на колонне снаружи (рис. 10-11).
Рис. 10-11. ГИН одноколонного типа фирмы «Микафилъ», 4400 кВ (22Х 200 кВ), 176 кДж, с нагрузочной емкостью.
Рис. 10-10. ГИН подвесного типа завода «ТУР», 3600 кВ (12X300 кВ), 144 кДж.
Рис. 10-9. ГИН этажерочного типа завода «ТУР» 2400 кВ (10Х Х240 кВ), 200 кДж, с емкостноомическим делителем.Одноколонный ГИН состоит из нескольких блоков, монтируемых один на другом и включающих ряд ступеней. Каждый блок имеет герметический бумажно-бакелитовый маслонаполненный кожух, внутри которого находятся конденсаторные секции. Одноколонная конструкция ГИН наиболее компактна, но ее обслуживание затруднительно, а пробой одного конденсатора вызывает необходимость замены целого блока. Обычно ГИН одноколонного типа соединяется по односторонней прямой схеме рис. 10-8,а.
- Многоколонный. Отличается от предыдущего тем, что конденсаторы в изолирующих кожухах размещаются в двух или четырех колоннах, между которыми укрепляют резисторы и искровые промежутки.
Искровые промежутки ГИН обычно выполняются в виде шаровых с диаметром шара в пределах 100— 250 мм. Все промежутки раздвигаются одновременно общим валом из электроизоляционного материала. Искровые промежутки располагают так, чтобы при пробое каждого из них ультрафиолетовое излучение образовавшейся искры воздействовало на промежуток следующей ступени, облегчая его пробой.
Фирма «Ферранти» (Великобритания) в своих ГИН применяет многоэлектродный нераздвигающийся искровой промежуток в герметичном кожухе — политригатрон, совмещенный с поджигающим устройством. Последнее обеспечивает пробой политригатрона при подаче на него пускового импульса в весьма широком диапазоне напряжений (10—100% полного зарядного напряжения ступени). Политригатроны соседних ступеней ГИН связаны между собой специальными емкостями, через которые при пробое одного из них происходит подача пускового импульса на поджигающее устройство следующего.
Все резисторы ГИН обычно выполняют металлическими. При этом зарядные и разрядные резисторы необязательно бифилярны, тогда как для фронтовых резисторов бифилярность необходима, так как увеличение индуктивности во фронтовом контуре может вызвать недопустимые колебания на фронте и амплитуде импульса. Обычно предусматривается несколько сменных комплектов различных разрядных и фронтовых резисторов для всех ступеней ГИН, чтобы получить требуемые параметры импульса при различных индуктивностях и входных емкостях объекта испытания.
Зарядные устройства ГИН включают в себя высоковольтный трансформатор и два или более вентиля, образующих каскадную схему. Поэтому можно получить сравнительно высокие зарядные напряжения (200— 300 кВ). В табл. 10-2 приведены параметры и размеры некоторых мощных ГИН.
Допустимые расстояния от ГИН и других частей высоковольтной схемы до стен и потолка, а также до аппаратуры, не находящейся под напряжением, определяют в зависимости от наибольшего испытательного напряжения при грозовой импульсе (Л. 10-17]: 
