CN103401536A - 纳秒脉冲整形与前沿锐化装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，该装置为同轴圆柱结构，包括油箱外壳、GIS模拟罐体、沿GIS模拟罐体轴线方向设置的波前脉冲整形电阻、导杆、锐化开关和锐化开关间隙调整单元以及沿与GIS模拟罐体轴线垂直方向设置的两个支撑绝缘子，锐化开关的两端分别固定在两个支撑绝缘子上，其第一端与导杆的一端相连，导杆的另一端与波前脉冲整形电阻的一端相连；波前脉冲整形电阻的另一端与冲击电压发生器的输出端相连；锐化开关的第二端与锐化开关间隙调整单元的一端相连；锐化开关间隙调整单元的另一端设置在GIS模拟罐体的外壳外部；导杆与油箱外壳形成中间储能油线。本公开可解决因存在回路电感而出现的纳秒脉冲波形不达标的问题。

Description

纳秒脉冲整形与前沿锐化装置

技术领域

本公开涉及脉冲整形，特别地，涉及一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置。

背景技术

目前，大多数是通过冲击电压发生器产生纳秒脉冲，具体地，可以通过普通冲击电压发生器输出冲击电压，经过架空母线，然后由锐化开关对普通冲击电压发生器输出的冲击电压进行锐化，得到所需的纳秒脉冲。

但是，上述纳秒脉冲整形与前沿锐化装置由于包含架空母线，导致结构分散，回路电感大，影响波头上升时间和振荡频率，由于波头上升时间随负载电容的增大而增加，因此对大容量试品进行试验时，往往得不到所需的纳秒脉冲。同时，对波头上升时间和振荡频率的调节不便，通常需要重新搭建试验回路来变更波头波尾电阻，这给测试带来了极大的不便。

发明内容

本公开鉴于以上问题中的至少一个提出了新的技术方案。

本公开在其一个方面提供了一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其能够解决因存在回路电感而出现的纳秒脉冲波形不达标的问题。

根据本公开，提供一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，该装置为同轴圆柱结构，包括油线外壳、气体绝缘开关设备GIS模拟罐体、沿GIS模拟罐体轴线方向设置的波前脉冲整形电阻、导杆、锐化开关和锐化开关间隙调整单元、以及沿与GIS模拟罐体轴线垂直的方向设置的两个支撑绝缘子，其中，

锐化开关包括相对设置的第一端与第二端，第一端与第二端分别固定在两个支撑绝缘子上，两个支撑绝缘子分别与GIS模拟罐体的外壳形成相互独立的两个密封空间并在两个密封空间中填充气体；

锐化开关的第一端与导杆的一端相连；

导杆的另一端与波前脉冲整形电阻的一端相连；

波前脉冲整形电阻的另一端与冲击电压发生器的输出端相连；

锐化开关的第二端与锐化开关间隙调整单元的一端相连；

锐化开关间隙调整单元的另一端设置在GIS模拟罐体的外壳的外部；

锐化开关间隙调整单元用于调整锐化开关的第一端与第二端之间的间隙距离，以控制锐化开关的击穿电压和击穿时刻；

导杆与油箱外壳形成中间储能油线。

在本公开的一些实施例中，锐化开关的第一端的屏蔽电极为外环、放电电极通过螺纹结构旋入屏蔽电极。

在本公开的一些实施例中，锐化开关的第二端的屏蔽电极为带中孔的柱套，放电电极通过动密封方式插入屏蔽电极。

在本公开的一些实施例中，锐化开关的第一端的屏蔽电极的曲率半径和第二端的屏蔽电极的曲率半径与GIS模拟罐体的外壳曲率半径之比均为1/e。

在本公开的一些实施例中，波前脉冲整形电阻浸于油中。

在本公开的一些实施例中，波前脉冲整形电阻的电阻值与纳秒脉冲整形与前沿锐化装置的回路电感相关并可调。

在本公开的一些实施例中，装置还包括波尾脉冲整形电阻，其与电力设备试品并联并通过GIS短母线与锐化开关的第二端相连。

在本公开的一些实施例中，波尾脉冲整形电阻为兆欧级水电阻。

在本公开的一些实施例中，波前脉冲整形电阻为线绕电阻，采用双线对绕方式。

在本公开的技术方案中，由于没有采用架空母线，采用了同轴圆柱结构设计、结构紧凑，在保证绝缘要求的情况下通过合理的设计将整个回路的电感值降低到最小，进而使得脉冲整形与前沿锐化后的脉冲波形更陡，从而达到试验所需的纳秒脉冲波形要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：

图1是本公开一个实施例的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置的结构示意图。

图2是本公开实施例中的锐化开关的结构示意图。

图3是未加波尾脉冲整形电阻时的波形示意图。

图4是加装波尾脉冲整形电阻后的波形示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本公开。要注意的是，以下的描述在本质上仅是解释性和示例性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本公开的范围。另外，本领域技术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况下意在成为说明书的一部分。

传统的纳秒脉冲是通过“冲击电压发生器+高压架空线+套管+锐化开关”的形式产生的，其发生装置回路复杂、结构不紧凑、回路电感大、设备造价高、输出纳秒脉冲电压波形前沿不够陡、不能满足要求。

同时，由于高压架空线等电连接本身就具有一定电感值，结构分散就会使装置的整体结构变大，增长的高压引线等电连接相当于多个电感串联，所以结构越大，整体电感就越大，因此，存在的较大回路电感会使得纳秒脉冲电压波形前沿受试品电容影响较大，且不方便调节。

此外，需要指出的是，波头上升时间Tf与负载电容（即，试品电容）成正比关系，对于大容量的试品，负载电容值大，对于同样的波头电阻而言，波头时间就变大了。另外，对于回路存在电感的情况，Tf与

成正比，其中，C为负载电容值，L为回路电感。

有鉴于此，本公开下述实施例提供了一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其采用同轴圆柱结构设计、结构紧凑且回路电感小，因此通过纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，能够较好地解决因存在回路电感而出现的纳秒脉冲波形不达标的问题，并且实现纳秒脉冲前沿分档可调。

图1是本公开一个实施例的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置的结构示意图。

如图1所示，该实施例中的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置为同轴圆柱结构，可以包括油箱外壳1、气体绝缘开关设备GIS模拟罐体12、沿GIS模拟罐体轴线方向设置的波前脉冲整形电阻2、导杆15、锐化开关6和锐化开关间隙调整单元11、以及沿与GIS模拟罐体12轴线垂直的方向设置的两个支撑绝缘子5-1和5-2，其中，

锐化开关6包括相对设置的第一端6-1与第二端6-2，第一端6-1与第二端6-2分别固定在支撑绝缘子5-1和5-2上，支撑绝缘子5-1和5-2分别与GIS模拟罐体12的外壳形成相互独立的两个密封空间A和B，并在两个密封空间中填充气体；

锐化开关6的第一端6-1与导杆15的一端相连；

导杆15的另一端与波前脉冲整形电阻2的一端相连；

导杆15与油线外壳1形成中间储能油线16；

波前脉冲整形电阻2的另一端与冲击电压发生器的输出端相连；

锐化开关6的第二端6-2与锐化开关间隙调整单元11的一端相连；

锐化开关间隙调整单元11的另一端设置在GIS模拟罐体12的外壳的外部；

锐化开关间隙调整单元11用于调整锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2之间的间隙距离，以控制锐化开关6的击穿电压和击穿时刻，具体地，第一端6-1与第二端6-2之间距离的调节要根据试验所需波形而定，在相同气压下，如果要输出幅值较高的电压，则可以将锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2之间的距离拉大，如果要输出幅值较低的电压，则可以将锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2之间的距离变小，对于相同的电极结构，电极间的距离越大，电场越不均匀，电场不均匀系数越大，反之则越小。

在该实施例中，由于没有采用架空母线，采用了同轴圆柱结构设计、结构紧凑，在保证绝缘要求的情况下通过合理的设计将整个回路的电感值降低到最小，进而使得脉冲整形与前沿锐化后的脉冲波形更陡，从而达到试验所需的纳秒脉冲波形要求。其中，不同的试验对纳秒脉冲波形的要求不同，可参见相关标准。

进一步地，可以在两个密封空间A和B的外壳处设置气压表7-1和7-2。可以通过设置在GIS模拟罐体外壳处的气压表分别调节两个气室A和B内的气压。

需要指出的是，锐化开关6的锐化效果不仅与锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2之间的距离有关还与气室A内的气压有关，气室B为试验气室，通过改变其气压可以研究气压对气体间隙或绝缘子放电电压的影响。

此外，锐化开关6可以采用不锈钢材料，其第一端6-1的屏蔽电极为外环、放电电极通过螺纹结构旋入屏蔽电极，其第二端6-2的屏蔽电极为带中孔的柱套，放电电极通过动密封方式插入屏蔽电极，并且锐化开关6的第一端6-1的屏蔽电极的曲率半径和第二端6-2的屏蔽电极的曲率半径与GIS模拟罐体的外壳曲率半径之比均为1/e，即，屏蔽电极边沿的圆弧所对应的曲率半径和气室（圆柱形）的半径之比为1/e以改善其表面电场强度，避免造成电极对外壳放电和绝缘子沿面闪络。锐化开关6的第一段6-1的放电电极和第二段6-2的放电电极之间距离较两者屏蔽电极间距离短，且其电场不均匀度更高，故每次放电发生在放电电极上，放电电极是脉冲前沿锐化的重要部分。

进一步地，波前脉冲整形电阻2和导杆15浸于油中，由于变压器油绝缘强度大，因此可减小波前脉冲整形电阻2的结构，并且油有利于散热。波前脉冲整形电阻2的电阻值与纳秒脉冲整形与前沿锐化装置的回路电感相关并可调，其可以为线绕电阻，采用双线对绕方式。

进一步地，该装置还可以包括波尾脉冲整形电阻13，其与电力设备试品并联并通过GIS短母线10与锐化开关6的第二端6-2相连，起到泄放残余电荷的作用。可选地，波尾脉冲整形电阻13可以为兆欧级水电阻，可以包括两个并联的波尾脉冲整形电阻13-1和13-2。

接下来，再对图1所示装置作进一步的说明。

冲击电压发生器通过波前脉冲整形电阻2、导杆15与锐化开关6的第一端6-1相连，锐化开关6的第二端6-2可连接GIS短母线10作为纳秒脉冲输出端，锐化开关间隙调整单元11通过旋转手轮11-2控制锐化开关6的第二端6-2的放电电极来调整锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2的间隙距离。其中，导杆15与油箱外壳1形成中间储能油线16。

波前脉冲整形电阻2为可调电阻，可通过转动结构调整其阻值，减小了更换波前脉冲整形电阻的不便。波前脉冲整形电阻2的前端连接冲击电压发生器的输出端，其后端通过导杆15与锐化开关6的第一端6-1相连。

波前脉冲整形电阻2的阻值的选取与回路电感相关，既要保证纳秒脉冲上升沿足够陡且使整个回路处于欠阻尼状态，又要兼顾限制放电电流，不至使放电电流过大而对试验设备和试品造成损害。

中间储能油线16在锐化时将纳秒脉冲波头部分的能量进行暂时存储，在锐化开关6动作时，即，当锐化开关6的两端6-1和6-2之间的电压差达到了锐化开关间隙放电电压而放电导通时，储能电容将储存的能量通过锐化开关6释放。

在锐化开关6的第一端6-1和第二端6-2分别连接有支撑绝缘子5-1和5-2；两个相邻的支撑绝缘子相互配合，与外壳形成为相互独立的两个密闭空间A和B；在锐化开关6的第一端6-1的后端与导杆15连接，导杆15与波前脉冲整形电阻2连接；在密闭空间A位于外壳处设置有精密气压表7-1和进/出气孔8-1，在锐化开关6的第二端6-2的后端设置有绝缘棒11-1，与绝缘棒11-1相连的是设置在壳体外部的旋转手轮11-2，绝缘棒11-1与旋转手轮11-2共同构成锐化开关间隙调整单元11。在密闭空间B位于外壳处也设置有精密气压表7-2和进/出气孔8-2。

图2是本公开实施例中的锐化开关的结构示意图。

如图2所示，锐化开关的第一端6-1与第二端6-2对应设置；锐化开关的第一端6-1的屏蔽电极6-11为外环，第一端6-1的放电电极6-12通过螺纹结构旋入屏蔽电极6-11的外环；锐化开关的第二端6-2的屏蔽电极6-21为带中孔的柱套，第二端6-2的放电电极6-22采用动密封方式插入其所述中孔。第一端6-1的屏蔽电极6-11的曲率半径和第二端6-2的屏蔽电极6-21的曲率半径与气室腔体外壳的曲率半径之比为1/e，可以改善其表面电场强度、降低沿面闪络发生概率、并保证装置的可靠性。

具体地，锐化开关中的放电电极与屏蔽电极可以采用不锈钢材料，通过锐化间隙调整单元11实现第一端6-1与第二端6-2中放电电极距离0cm～10cm的连续可调，其电场不均匀系数f的变化范围为1.87～3.97，密闭腔体A内气压的变化范围为0～0.8MPa。

其中，锐化开关的第二端6-2的放电电极6-22采用动密封方式装配，以保证电极棒两端的密闭气室各自独立。锐化开关的第一端6-1的屏蔽电极6-11与第二端6-2的屏蔽电极6-21能有效减小开关与支撑绝缘子接触面的电场强度。

锐化开关的第一端6-1的放电电极6-12与第二端6-2的放电电极6-22近似为球板电极，通过调节间隙距离，增大其电场不均匀系数，以降低锐化开关击穿的分散性，使得锐化开关输出的纳秒脉冲更为稳定。

可以在锐化开关对应的密闭空间A中添加SF6气体，锐化开关对应的密闭空间A为锐化开关的第一端6-1和第二端6-2上连接的两个绝缘子5-1和5-2对应形成的密闭空间；锐化开关电极通过屏蔽电极与放电电极配合，以削弱其与支撑绝缘子接触面的电场强度，减小放电分散性和开关抖动，以确保锐化开关每次放电过程一致，对后级输出的波形的稳定性有很大作用。

锐化开关间隙调整单元11由绝缘棒11-1和旋转手轮11-2构成，用于调整锐化开关6的第一端6-1与第二端6-2的间隙距离，从而改变锐化开关电场不均匀系数，以便调节锐化开关的击穿电压和击穿时刻，进而限制开关动作时纳秒脉冲出现抖动，降低锐化开关击穿的分散性，使得锐化开关输出的纳秒脉冲更为稳定，锐化效果更好，具体地，输出电压波形可以通过锐化开关所在气室内的气压和锐化开关两端之间的距离来调节。

第一波尾脉冲整形电阻13-1和第二波尾脉冲整形电阻13-2均与试品并联布置，起到泄放残余电荷的作用，可以使波形从电压值0起始，并能使波尾下降到0，以保证每次试验的独立性。例如，第一波尾脉冲整形电阻13-1和第一波尾脉冲整形电阻13-2可为大功率兆欧级水电阻。另外，可以将试品布置在图1中平台14上。

图3是未加波尾脉冲整形电阻时的波形示意图。

图4是加装波尾脉冲整形电阻后的波形示意图。

将图3与图4进行比较可以看出，加装波尾脉冲整形电阻后，波形的起始点在0V附近，终结点也在0V附近，与图3相比，起始点电压、终结点电压与0V的差别明显减小，很好地泄放了试验过程中产生的残余电荷。

此外，在试验气室B的外壳处还设置了锥形电压传感器9，波前脉冲整形电阻2通过绝缘拉杆4与油箱外壳1相连，图1中的3为冲击电压发生器输出端附近的均压环。

上述装置通过波前脉冲整形电阻、中间储能油线和锐化开关的配合实现了对冲击电压发生器输出陡波的整形与前沿锐化。

接下来，通过一个具体实例详细说明本公开的纳秒脉冲锐化和前沿整形装置。

在实际应用中，图1中的波前脉冲整形电阻2需根据试验电压波形要求和回路总电感选取，要同时满足波头上升时间、放电电流和振荡频率要求，波前脉冲整形电阻2可取5～50Ω，对应的纳秒脉冲波头时间可为8ns～100ns。中间储能油线16采用同轴圆柱结构，长度可为0.2m～1.2m，圆柱内外径之比可为1:2，其储能电容约可为20pF～200pF，需要指出的是，中间储能油线16的长度与圆柱内外径之比与储能电容值有关，长度越长，电容值越大，内外半径之比越小，电容值越大。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分可以相互参见。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处可以参见方法实施例部分的说明。

虽然已参照示例性实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述装置为同轴圆柱结构，包括油箱外壳、气体绝缘开关设备GIS模拟罐体、沿所述GIS模拟罐体轴线方向设置的波前脉冲整形电阻、导杆、锐化开关和锐化开关间隙调整单元、以及沿与所述GIS模拟罐体轴线垂直的方向设置的两个支撑绝缘子，其中，

所述锐化开关包括相对设置的第一端与第二端，所述第一端与所述第二端分别固定在所述两个支撑绝缘子上，所述两个支撑绝缘子分别与所述GIS模拟罐体的外壳形成相互独立的两个密封空间并在所述两个密封空间中填充气体；

所述锐化开关的第一端与所述导杆的一端相连；

所述导杆的另一端与所述波前脉冲整形电阻的一端相连；

所述波前脉冲整形电阻的另一端与冲击电压发生器的输出端相连；

所述锐化开关的第二端与所述锐化开关间隙调整单元的一端相连；

所述锐化开关间隙调整单元的另一端设置在所述GIS模拟罐体的外壳的外部；

所述锐化开关间隙调整单元用于调整所述锐化开关的第一端与第二端之间的间隙距离，以控制所述锐化开关的击穿电压和击穿时刻；

所述导杆与所述油箱外壳形成中间储能油线。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述锐化开关的第一端的屏蔽电极为外环、放电电极通过螺纹结构旋入所述屏蔽电极。

3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述锐化开关的第二端的屏蔽电极为带中孔的柱套，放电电极通过动密封方式插入所述屏蔽电极。

4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述锐化开关的第一端的屏蔽电极的曲率半径和第二端的屏蔽电极的曲率半径与所述GIS模拟罐体的外壳曲率半径之比均为1/e。

5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述波前脉冲整形电阻浸于油中。

6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述波前脉冲整形电阻的电阻值与所述纳秒脉冲整形与前沿锐化装置的回路电感相关并可调。

7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述装置还包括波尾脉冲整形电阻，其与电力设备试品并联并通过GIS短母线与所述锐化开关的第二端相连。

8.根据权利要求7所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述波尾脉冲整形电阻为兆欧级水电阻。

9.根据权利要求1所述的纳秒脉冲整形与前沿锐化装置，其特征在于，所述波前脉冲整形电阻为线绕电阻，采用双线对绕方式。

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