CN102435800B - 一种高压脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压脉冲发生器。所述发生器包括用于发生器运行控制和产生高压脉冲的电源机柜、用于显示及输入控制指令的操作台和模拟雷电波发生器三部分；智能晶闸管调压模块输出端依次与整流滤波电路、H桥模块、LC谐振电路连接，LC谐振电路依次与高频高压充电变压器、倍加器、冲击电压发生器电连接，其中由冲击电压发生器外接绝缘测试系统，冲击电压发生器分别通过电阻分压器Ⅰ与外部示波器电连接，通过电阻分压器Ⅱ与电源机柜内可编程控制器PLC的模拟量输入端电连接。本发明可通过对多个参数的调节和转换来分级调节波前时间，实现单次触发或每分钟一次的自动连续触发，操作简单，控制精度高，安全可靠。

Description

一种高压脉冲发生器

技术领域

本发明属于电气设备的领域，具体涉及一种高压脉冲发生器。 

背景技术

目前，公知的雷电波冲击电压发生器技术已经很成熟，能产生基于国家标准的波头1.2 us /波尾50us的模拟雷电波。但现代电力系统安全研究要求冲击电压发生器能对典型小间隙油纸模型在一定时间间隔下连续发出冲击电压以研究其雷击效应，且电压波形可较好调节，方便研究不同陡度及幅值对于油纸表面微观形貌及纤维素分子链断裂等反应的影响。但目前现有冲击电压发生器可控参量单一、输出电压幅值过大、不能自动触发，故不能满足以上要求，需研制新的冲击电压发生器。 

发明内容

为了克服现有冲击电压发生器可控参量单一、输出电压幅值过大、不能自动触发的不足，本发明提供一种高压脉冲发生器。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：高压脉冲发生器主扑拓为，首先IGBT串联逆变，把50Hz的工频交流转化为20kHz的高频交流，经过变压器升高到数十千伏，然后经过倍加器把电压升高到100千伏以上，给脉冲电容器快速充电，脉冲电容器充电完成后，控制系统发出触发脉冲，触发多通道三电极火花间隙开关放电，输出高压脉冲电压；整个脉冲发生器由可编程控制器PLC智能控制；通过对单级Marx发生器回路的高效回路与低效回路的转换，实现对波头的分级调节。 

本发明的高压脉冲发生器，其特点是：所述的发生器包括用于发生器运行控制和产生高压及高压脉冲的电源机柜、用于显示及输入控制指令的操作台和模拟雷电波发生器；其中，电源机柜含有智能晶闸管调压模块、整流滤波电路、H桥模块、LC谐振电路、可编程控制器PLC、触发模块、氢闸流管充放电电路；操作台上设置有触摸屏；模拟雷电波发生器含有高压高频充电变压器、倍加器、冲击电压发生器、电阻分压器Ⅰ、电阻分压器Ⅱ、脉冲高压升压变压器；其连接关系是，智能晶闸管调压模块输入端与外部电源连接，智能晶闸管调压模块输出端与整流滤波电路、H桥模块、LC谐振电路依次连接，LC谐振电路与高压高频充电变压器、倍加器、冲击电压发生器依次电连接，冲击电压发生器外接绝缘测试系统；冲击电压发生器分别通过电阻分压器Ⅰ与外部示波器电连接、通过电阻分压器Ⅱ与电源机柜内可编程控制器PLC的模拟量输入端电连接；可编程控制器PLC的模拟量输出端电连接智能晶闸管调压模块的控制端口，可编程控制器PLC的脉冲输出点与触发模块的输入端电连接，触发模块的输出端依次与氢闸流管充放电电路、脉冲高压升压变压器的输入端电连接；脉冲高压升压变压器的输出端与冲击电压发生器电连接；可编程控制器PLC的通信口与触摸屏电连接。 

本发明中的冲击电压发生器中还含有多通道三电极火花间隙开关，所述的多通道三电极火花间隙开关包括多通道三电极火花间隙开关的阳极、多通道三电极火花间隙开关的阴极、触发极、铜杆Ⅰ、不锈钢均压球Ⅰ、不锈钢支撑架Ⅰ、不锈钢支撑架Ⅱ、半球形不锈钢、不锈钢均压球Ⅱ、铜杆Ⅱ、不锈钢支撑架Ⅲ、中空不锈钢支撑架、不锈钢杆、绝缘材料；其连接关系是，多通道三电极火花间隙开关中的铜杆Ⅰ与不锈钢支撑架Ⅰ上端连接，并由不锈钢均压球Ⅰ固定，多通道三电极火花间隙开关的阳极安装在不锈钢支撑架Ⅱ的右端，不锈钢支撑架Ⅱ可在不锈钢支撑架Ⅰ中旋转可调，不锈钢支撑架Ⅱ左端由与多通道三电极火花间隙开关的阳极形状相同的半球形不锈钢固定；多通道三电极火花间隙开关的阴极为中空半球形，安装在中空不锈钢支撑架左端，由不锈钢杆通过中空不锈钢支撑架内的绝缘材料与触发极连接，圆盘形触发极旋入多通道三电极火花间隙开关的阴极的中空内侧，中空不锈钢支撑架与不锈钢支撑架Ⅲ连接，不锈钢支撑架Ⅲ上端与铜杆Ⅱ连接，并由不锈钢均压球Ⅱ固定。 

本发明高压脉冲发生器中的电源机柜内形成充电电路和高压脉冲电路：智能晶闸管调压模块在可编程控制器PLC的调控下实现调压，经整流滤波电路、H桥模块和LC谐振电路电，构成充电电路；可编程控制器PLC控制氢闸流管触发模块，通过氢闸流管充放电电路稳定工作，构成高压脉冲电路。模拟雷电波发生器内为单级Marx发生器回路：电源机柜内的充电电路与高频高压充电变压器电连接，经倍加器整流升压，在未触通的状态下经限流电阻为储能电容充电，由电阻分压器Ⅱ采样并经同轴电缆反馈充电电压值到可编程控制器PLC；电源机柜内的高压脉冲电路经过脉冲高压升压变压器升压，得到高压脉冲，由可编程控制器PLC控制触通多通道三电极火花间隙开关，储能电容内的电荷经波尾电阻放电，同时经波前电阻对波前电容充电，在试品上形成上升的电压波前，波前电容的电压被充到最大后，反过来经波前电阻和储能电容同时对波尾电阻放电，在试品上形成下降的电压波尾，从而产生了雷电冲击电压的全波形。通过对波前电阻与波尾电阻阻值的调节和高效回路与低效回路接法的转换，实现雷电波：波尾50us时，波头0.1us、1.2us、12us的分段可选；实现操作波：波尾2500us，波头100us、250us、500us的分段可选。将高压脉冲发生器与可编程控制器PLC控制技术相结合，通过可编程控制器PLC接收检测信号和设置参数，实现单次触发和每分钟一次的连续自动触发脉冲，从而考察各种绝缘的单次耐压，也能考察经一定时间间隔对试品进行连续多次冲击下绝缘劣化的积累效应。其中多通道三电极火花间隙开关是由半球形实心阳极、半球形内空阴极和圆片形触发极三者同轴心装配而成，多通道三电极火花间隙开关的阳极、多通道三电极火花间隙开关的阴极和触发极之间的距离是平行可调的。 

本发明能输出雷电和操作两种基本波形。除了能考察各种绝缘的单次耐压，也能考察经一定时间间隔对试品进行连续多次冲击下绝缘劣化的积累效应。采用可编程控制器PLC，实现手动控制、自动控制和外触发控制。 

本发明的高压脉冲发生器适用于多次过电压对以油纸绝缘为代表的电力设备绝缘劣化的累积效应的研究；也适用于通过对典型内绝缘系统进行场路模型的分析，建立起一定幅值及陡度下单次过电压在绝缘介质中产生局放、电弧以致击穿的放电过程，从而提出各种条件下击穿电压判据。本发明可通过对多个参数的调节和转换来分级调节波前时间，实现单次触发或每分钟一次的自动连续触发，操作简单，控制精度高，安全可靠。 

附图说明

   下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是本发明的高压脉冲发生器的总体结构框图。 

图2是本发明中的充电电路图。 

图3是本发明中的模拟雷电波发生器高效回路电路图。 

图4是本发明中的模拟雷电波发生器低效回路电路图。 

图5是本发明中的多通道三电极火花间隙开关的结构示意图。 

图6是本发明中的产生高压脉冲的电路图。 

图7是本发明中的氢闸流管控制模块的结构框图。 

图中：1. 外部电源   2. 智能晶闸管调压模块   3. 整流滤波电路   4. H桥模块   5.LC谐振电路   6. 高压高频充电变压器   7. 倍加器   8. 冲击电压发生器   9. 绝缘测试   10. 电阻分压器Ⅰ   11. 示波器   12. 可编程控制器PLC   13. 电阻分压器Ⅱ   14. 触发模块   15. 氢闸流管充放电电路   16.绝缘材料   17. 脉冲高压升压变压器   18. 触摸屏   19. 空气开关   20. 电流继电器线圈   21. 熔断器   22. 滤波器   23. 交流接触器的一对常开触点   24. 自绕电感Ⅰ   25. 阻容吸收回路   26. 控制端口   27. 整流桥堆   28. 电解电容和高压电容Ⅰ   29. 高压电容Ⅱ   30. 自绕电感Ⅱ   31. 限流电阻Ⅰ  32. 测试端Ⅰ   33. 储能电容   34. 多通道三电极火花间隙开关的阳极   35. 多通道三电极火花间隙开关的阴极   36. 触发极   37. 波尾电阻   38. 波前电阻   39. 测试端Ⅱ   40. 波前电容   41. 试品   42. 限流电阻Ⅱ   43. 铜杆Ⅰ   44. 不锈钢均压球Ⅰ   45. 不锈钢支撑架Ⅰ   46. 不锈钢支撑架Ⅱ   47. 半球形不锈钢   48. 不锈钢均压球Ⅱ   49. 铜杆Ⅱ   50. 不锈钢支撑架Ⅲ   51 中空不锈钢支撑架   53. 不锈钢杆   54. 变压器   55. 整流硅柱   56. 电阻   57. 氢闸流管高的压端   58.氢闸流管的栅极   59，氢闸流管的热丝   60.氢闸流管的阴极   61. 电阻串联高频硅柱   62. 高压瓷介电容   63.光纤   64.比较器LM393   65. 金属氧化物场效应管（ MOSFET）   66. 脉冲变压器   67. 氢闸流管触发信号。 

具体实施方式

图1是本发明的高压脉冲发生器的总体结构框图。图1中，本发明的高压脉冲发生器包括用于发生器运行控制和产生高压及高压脉冲的电源机柜、用于显示及输入控制指令的操作台和模拟雷电波发生器；其中，电源机柜含有智能晶闸管调压模块2、整流滤波电路3、H桥模块4、LC谐振电路5、可编程控制器PLC12、触发模块14、氢闸流管充放电电路15；操作台上设置有触摸屏18；模拟雷电波发生器含有高压高频充电变压器6、倍加器7、冲击电压发生器8、电阻分压器Ⅰ10、电阻分压器Ⅱ13、脉冲高压升压变压器17；其连接关系是，智能晶闸管调压模块2输入端与外部电源1连接，智能晶闸管调压模块2输出端与整流滤波电路3、H桥模块4、LC谐振电路5依次连接，LC谐振电路5与高频高压充电变压器6、倍加器7、冲击电压发生器8依次电连接，冲击电压发生器8外接绝缘测试系统9；冲击电压发生器8分别通过电阻分压器Ⅰ10与外部示波器11电连接、通过电阻分压器Ⅱ13与电源机柜内可编程控制器PLC12的模拟量输入端电连接；可编程控制器PLC12的模拟量输出端与智能晶闸管调压模块2的控制端口26电连接，可编程控制器PLC12的脉冲输出点与触发模块14的输入端电连接，触发模块14的输出端依次与氢闸流管充放电电路15、脉冲高压升压变压器17的输入端电连接；脉冲高压升压变压器17的输出端与冲击电压发生器8电连接；可编程控制器PLC12的通信口与触摸屏18电连接。接通外部电源1，由智能晶闸管调压模块2进行调压，经过整流滤波电路3到IGBT-4组成的H桥模块4和LC谐振电路5，通过高压高频充电变压器6把电压升高，再由倍加器7整流升压，经过单级Marx发生器构成的冲击电压发生器8产生模拟雷电波以满足绝缘测试9的环境，并由电阻分压器Ⅰ10通过示波器11进行波形记录。可编程控制器PLC12，接收电阻分压器Ⅱ13所采样的充电电压，从而驱动智能晶闸管调压模块2进行调压；可编程控制器PLC12控制触发模块14，触通氢闸流管充放电电路15中的氢闸流管，得到高压脉冲，再经过脉冲高压升压变压器17升压，触发触发极，形成系统智能控制网络。通过对触摸屏18的设定和操作来控制可编程控制器PLC12，以上为整个设备的工作回路。 

图2是本发明中的充电电路图。图2中，本发明中的电源充电电路包含智能晶闸管调压模块2、整流滤波电路3、H桥模块4、LC谐振电路5、高压高频充电变压器6、可编程控制器PLC12，还包括空气开关19、电流继电器线圈20、熔断器21、滤波器22、交流接触器的一对常开触点23、自绕电感Ⅰ24、阻容吸收回路25、控制端口26、整流桥堆27、电解电容和高压电容Ⅰ28、高压电容Ⅱ29、自绕电感Ⅱ30。其连接关系是，外部电源与空气开关19电连接,空气开关19通过火线依次与电流继电器线圈20、熔断器21和滤波器22的一端串联，滤波器22通过火线依次与交流接触器的一对常开触点23、自绕电感Ⅰ24和智能晶闸管调压模块2串联,由阻容吸收回路25并联在智能晶闸管调压模块2上，智能晶闸管调压模块2上的控制端口26与可编程控制器PLC的模拟量输出端电连接，智能晶闸管调压模块2的输出端与整流桥堆27的输入端电连接，整流桥堆27的输出端与H桥模块4的输入端电连接，H桥模块4的输出端与高压电容Ⅱ29和自绕电感Ⅱ30串联组成的LC谐振电路5电连接，LC谐振电路5通过电缆与模拟雷电波发生器中高频高压充电变压器6的输入端连接。接通外部电源1,先后经过双控空气开关19、电流继电器、熔断器21来实现通断和保护的作用,经过滤波器22滤波后由智能晶闸管调压模块2在可编程控制器PLC12的控制下智能调压,其中把阻容吸收回路25并接在智能晶闸管调压模块2上，避免晶闸管被击穿；智能晶闸管调压模块2上的控制端口26接收可编程控制器PLC12的控制信号，实现智能调压。后经整流桥堆27整流，电解电容和高压电容Ⅰ28滤波，经H桥模块4，通过高压电容Ⅱ29与自绕电感Ⅱ30组成的LC谐振，再经高频高压充电变压器6升压，实现充电回路。 

图3是本发明中的模拟雷电波发生器的高效回路电路图。图3中，本发明中的模拟雷电波发生器的高效回路电路：包含高压高频充电变压器6、倍加器7、绝缘测试9、电阻分压器Ⅰ10、电阻分压器Ⅱ13、脉冲高压升压变压器17，还包括限流电阻Ⅰ31、测试端Ⅰ32、储能电容33、多通道三电极火花间隙开关的阳极34、多通道三电极火花间隙开关的阴极35、触发极36、波尾电阻37、波前电阻38、测试端Ⅱ39、波前电容40、试品41、限流电阻Ⅱ42。其连接关系是，高压高频升压变压器6与倍加器7电连接后共地，倍加器7通过限流电阻Ⅰ31与储能电容33电连接，电阻分压器Ⅱ13与储能电容33并联接地，储能电容33与多通道三电极火花间隙开关的阳极34电连接，多通道三电极火花间隙开关的阴极35分别与波尾电阻37和波前电阻38电连接，其中波尾电阻37另一端接地，波前电阻38另一端分别与电阻分压器Ⅰ10和波前电容40电连接，电阻分压器Ⅰ10和波前电容40分别接地，试品41与波前电容40并联，脉冲高压升压变压器17通过限流电阻Ⅱ42与触发极36电连接。由高压高频升压变压器6升压，再经过倍加器7整流滤波升压，通过限流电阻Ⅰ31限流，为储能电容33储能，由电阻分压器Ⅱ13监控储能电容33的储能，并从测试端Ⅰ32处反馈给可编程控制器PLC12。当多通道三电极火花间隙开关被触通时，储能电容33内的电荷经波尾电阻37放电，同时经波前电阻38对波前电容40充电，在试品41上形成上升的电压波前，波前电容40的电压被充到最大后，反过来经波前电阻38和储能电容33同时对波尾电阻37放电，在试品41上形成下降的电压波尾，从而产生了雷电冲击电压的全波形。储能电容33能量瞬间释放，由电阻分压器Ⅰ10进行采样，连接外部示波器来监测波形。其中通过对波尾电阻37、波前电阻38位置的调整，便可实现高效和低效两种结果。 

图4是本发明中的模拟雷电波发生器低效回路电路图。图4为本发明的另一种实施方式，用低效回路电路替代高效回路电路，组成高压脉冲发生器。本发明中的模拟雷电波发生器的低效回路电路：包含高压高频充电变压器6、倍加器7、绝缘测试9、电阻分压器Ⅰ10、电阻分压器Ⅱ13、脉冲高压升压变压器17，还包括限流电阻Ⅰ31、测试端Ⅰ32、储能电容33、多通道三电极火花间隙开关的阳极34、多通道三电极火花间隙开关的阴极35、触发极36、波尾电阻37、波前电阻38、测试端Ⅱ39、波前电容40、试品41、限流电阻Ⅱ42。将高效回路中的多通道三电极火花间隙开关的阴极35依次与波前电阻38、波尾电阻37、电阻分压器Ⅰ10电连接, 电阻分压器Ⅰ10另一端接地，波前电容40并联在波尾电阻37和电阻分压器Ⅰ10两端，试品41与波前电容40并联。脉冲高压升压变压器17通过限流电阻Ⅱ42与触发极36电连接。 

图5是本发明中的多通道三电极火花间隙开关的结构示意图。图5中，所述的冲击电压发生器8中含有的多通道三电极火花间隙开关的结构如下，图中左侧为多通道三电极火花间隙开关的阳极，右侧为多通道三电极火花间隙开关的阴极和触发极。多通道三电极火花间隙开关包含多通道三电极火花间隙开关的阳极34、多通道三电极火花间隙开关的阴极35、触发极36，还包含铜杆Ⅰ43、不锈钢均压球Ⅰ44、不锈钢支撑架Ⅰ45、不锈钢支撑架Ⅱ46、半球形不锈钢47、不锈钢均压球Ⅱ48、铜杆Ⅱ49、不锈钢支撑架Ⅲ50、中空不锈钢支撑架51、不锈钢杆53、绝缘材料16。其连接关系是，铜杆Ⅰ43与不锈钢支撑架Ⅰ45上端连接，并由不锈钢均压球Ⅰ44固定，多通道三电极火花间隙开关的阳极34安装在不锈钢支撑架Ⅱ46的右端，不锈钢支撑架Ⅱ46可在不锈钢支撑架Ⅰ45中旋转可调，不锈钢支撑架Ⅱ46左端由与多通道三电极火花间隙开关的阳极34形状相同的半球形不锈钢47固定。多通道三电极火花间隙开关的阴极35为中空半球形，安装在中空不锈钢支撑架51左端，由不锈钢杆53穿过中空不锈钢支撑架51内的绝缘材料16与触发极36连接，圆盘形触发极36旋入多通道三电极火花间隙开关的阴极35的中空内侧，中空不锈钢支撑架51旋入不锈钢支撑架Ⅲ 50，不锈钢支撑架Ⅲ50上端由铜杆Ⅱ49电连接主线路，并由不锈钢均压球Ⅱ48固定。 

图6是本发明中的产生高压脉冲的电路图。图6中，产生高压脉冲的电路包含氢闸流管充放电电路15、脉冲高压升压变压器17，还包括变压器54、整流硅柱55、电阻56、氢闸流管的高压端57、氢闸流管的栅极58、氢闸流管的热丝59、氢闸流管的阴极60、电阻串联高频硅柱61、高压瓷介电容62。其连接关系是，变压器54输入端接通电源，变压器54输出端依次与整流硅柱55、电阻56、氢闸流管高压端57电连接，其中氢闸流管的热丝59和氢闸流管的阴极60与能提供稳定的6.3V电压的变压器的输出端电连接，氢闸流管的栅极58和氢闸流管的阴极60与氢闸流管控制模块提供的一组触发信号电连接，氢闸流管的高压端57分别与电阻串联高频硅柱61和高压瓷介电容62电连接，电阻串联高频硅柱61与氢闸流管的阴极60电连接，高压瓷介电容62与脉冲高压升压变压器17电连接。由变压器54升压，整流硅柱55整流，电阻56限流，能量到达氢闸流管的高压端57，其中为氢闸流管的热丝59提供稳定的6.3V电压，为氢闸流管的栅极58提供触发信号，以保证氢闸流管的工作环境，电阻串联高频硅柱61起到消反峰的保护作用。在氢闸流管不导通时给高压瓷介电容62充电，在氢闸流管导通后高压瓷介电容62放电，形成高压脉冲。 

图7是本发明中的氢闸流管控制模块的结构框图。图7中，本发明中的氢闸流管控制模块包含光纤63、比较器LM393 64、金属氧化物场效应管（MOSFET）65、脉冲变压器66、氢闸流管触发信号67。结构如下，可编程控制器PLC12发出脉冲信号通过光纤63与比较器LM393 64的输入端电连接，比较器LM393 64的输出端与金属氧化物场效应管（MOSFET）65的输入端电连接，金属氧化物场效应管（MOSFET）65的输出端与脉冲变压器66电连接。由可编程控制器PLC12发出脉冲信号通过光纤63提供给氢闸流管触发模块，经比较器LM393 64，为金属氧化物场效应管（MOSFET）65提供脉冲信号；外部电源经过整流滤波电路为金属氧化物场效应管（MOSFET）65提供450V的电源；金属氧化物场效应管（MOSFET）65发出的脉冲信号经过脉冲变压器66以 1:3的变比升压后，经过滤波电路产生氢闸流管触发信号67。 

Claims (1)

1.一种高压脉冲发生器，其特征在于：所述的发生器包括用于发生器运行控制和产生高压及高压脉冲的电源机柜、用于显示及输入控制指令的操作台和模拟雷电波发生器；其中，电源机柜含有智能晶闸管调压模块（2）、整流滤波电路（3）、H桥模块（4）、LC谐振电路（5）、可编程控制器PLC（12）、触发模块（14）、氢闸流管充放电电路（15）；操作台上设置有触摸屏（18）；模拟雷电波发生器含有高压高频充电变压器（6）、倍加器（7）、冲击电压发生器（8）、电阻分压器Ⅰ（10）、电阻分压器Ⅱ（13）、脉冲高压升压变压器（17）；其连接关系是，智能晶闸管调压模块（2）输入端与外部电源（1）连接，智能晶闸管调压模块（2）输出端与整流滤波电路（3）、H桥模块（4）、LC谐振电路（5）依次连接，LC谐振电路（5）与高压高频充电变压器（6）、倍加器（7）、冲击电压发生器（8）依次电连接，冲击电压发生器（8）外接绝缘测试（9）系统；冲击电压发生器（8）分别通过电阻分压器Ⅰ（10）与外部示波器（11）电连接、通过电阻分压器Ⅱ（13）与电源机柜内可编程控制器PLC（12）的模拟量输入端电连接；可编程控制器PLC（12）的模拟量输出端与智能晶闸管调压模块（2）的控制端口（26）电连接，可编程控制器PLC（12）的脉冲输出点与触发模块（14）的输入端电连接，触发模块（14）的输出端依次与氢闸流管充放电电路（15）、脉冲高压升压变压器（17）的输入端电连接；脉冲高压升压变压器（17）的输出端与冲击电压发生器（8）电连接；可编程控制器PLC（12）的通信口与触摸屏（18）电连接。

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