CN103532424A - 基于igbt串联的高压脉冲叠加直流电场发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，该装置通过IGBT单管串联电路产生双极性高压脉冲，并通过叠加电路在前述IGBT单管串联电路产生的双极性高压脉冲基础上叠加高压直流。将前述基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器产生的复合电压作用于拥有正、负极板的净油装置后，将在正、负极板间产生直流陡脉冲复合电场。双极性陡脉冲电场所具有的丰富频率成分将能够作用于多种胶体杂质微粒上，使之产生往复运动而脱离油分子，然后在高压直流电场作用下向极板作定向运动，并被吸附在极板上，从而净化劣化变压器油。

Description

基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器。

背景技术

变压器油是变压器中重要的绝缘和散热介质，对变压器的安全运行起着重要作用。但在变压器油的生产、储存、运输、安装过程中不可避免的会混进杂质，并且在变压器长期运行后，会在电、光、热、化学等因素作用下老化，产生大量杂质微粒，包括金属微粒、油中分解气体、胶体以及纤维等，影响变压器油的性能。

传统的净化变压器油的方法如压力式滤油机过滤法、吸附过滤法、真空过滤法等对老化变压器油的净化效果有限，并且由于各种限制难以满足在线净化的需要。日本于上世纪七十年代最早开始研究静电净油法，主要应用于液压油的净化处理。前苏联、美国、印度等随之开展该方法的研究，并相继推出了各种不同规格型号的静电净油设备。例如，日本东京KLEENTEK工业公司生产的EOC-R系列静电净油机在世界各地广泛应用于液压油和润滑油的净化处理。我国自上世纪八十年代开始研究这项技术，天津市滤油器厂、吉林市第一机械厂等单位相继研制出具有自主知识产权的静电净油机。另外，中国矿业大学北京研究生部的周士瑜等人自1980年开始开展静电净油的理论分析与集尘体的设计。然而人们也发现静电净油法同样存在一定缺陷，即无法清除溶于油中的胶体杂质。这种胶体杂质吸附在油分子周围，无法在高压直流电场作用下定向运动，从而难以被清除。假使能够使得劣化变压器油中胶体杂质颗粒得到净化，就可以回收劣化变压器油进行净化处理，无疑将会极大减小变压器油使用成本，最大限度地经济利用变压器油。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，该装置通过IGBT单管串联电路产生双极性高压脉冲（时域中具有快速上升沿、较高幅值的指数衰减脉冲，其在频域中所具有的频率成分非常丰富，频带很宽，本文中称之为陡脉冲），并通过叠加电路在前述IGBT单管串联电路产生的双极性高压脉冲基础上叠加高压直流。将前述基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器产生的复合电压作用于拥有正、负极板的净油装置后，将在正、负极板间产生直流陡脉冲复合电场。双极性陡脉冲电场所具有的丰富频率成分将能够作用于多种胶体杂质微粒上，使之产生往复运动而脱离油分子，然后在高压直流电场作用下向极板作定向运动。这样，直流电场处理劣化变压器油中一般杂质颗粒的同时，由于双极性陡脉冲电场作用而脱离油分子的胶体杂质颗粒带电之后也将在直流电场作用下向两侧极板运动。这样，在净化一般杂质颗粒的同时可以显著提高对劣化变压器油中胶体杂质微粒的净化效果。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，其特征在于：包括电源系统、双极性高压脉冲形成系统，直流陡脉冲叠加电路，信号转换系统，同步触发模块和负载,以及若干IGBT单管模块。

所述电源系统包括市电电源，以及由所述市电电源供电的高压直流模块、双极性高压直流模块和开关电源。所述高压直流模块产生并输出不高于+20kV的高压直流电。所述双极性高压直流模块产生并通过正极性输出端输出一路不高于+12kV的高压直流电，同时，产生并通过负极性输出端输出一路不高于-12kV的高压直流电，所述正极性输出端和负极性输出端输出电压的绝对值相等。所述开关电源产生并输出15V的直流电。

每一个所述IGBT单管模块包括一个IGBT单管、DC－DC模块、光/电转换器、开关驱动器和栅极保护电路,所述DC－DC模块接收电源系统中开关电源输入的直流电，所述DC－DC模块的输出端向所述开关驱动器和光/电转换器的电源端供电。所述光/电转换器接收到光信号时，输出控制信号到开关驱动器的控制端；所述开关驱动器接收到控制信号时，输出驱动信号到IGBT单管的栅极；所述栅极保护电路输入端通过电路接线与IGBT单管的栅极连接，所述栅极保护电路输出端通过电路接线与IGBT单管的输出端（本文中将IGBT单管的管脚C称作IGBT单管的输入端，IGBT单管的管脚E称作IGBT单管的输出端，余者类同）连接。

所述双极性高压脉冲形成系统包括充电电阻R1、正极性脉冲充电开关、正极性脉冲回路电容器C1和正极性脉冲放电开关。所述正极性脉冲充电开关包括N个串联的IGBT单管模块，所述正极性脉冲放电开关包括N个串联的IGBT单管模块,N为正整数；所述N个IGBT单管模块的串联是指：将第一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输出端与下一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输入端连接，以此类推。

所述正极性脉冲充电开关中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输入端是所述正极性脉冲充电开关的输入端，第N个IGBT单管模块的IGBT单管的输出端是所述正极性脉冲充电开关的输出端；

所述正极性脉冲放电开关中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输入端是所述正极性脉冲放电开关的输入端，第N个IGBT单管模块中的IGBT单管的输出端是所述正极性脉冲放电开关的输出端。

特别地，当N≧2时，每个IGBT单管模块的IGBT单管的输入端、输出端需要分别与动/静态均压电路的输入端、输出端连接（即并联均压），以此避免N个IGBT单管模块的IGBT单管串联连接时各个IGBT单管模块的IGBT单管之间由于分压不均引起IGBT单管损坏。

所述充电电阻R1的一端与双极性高压直流模块的正极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R1的另一端与正极性脉冲充电开关的输入端连接；所述正极性脉冲充电开关的输出端与正极性脉冲回路电容器C1的一端连接，所述正极性脉冲回路电容器C1的另一端则与大地连接；所述正极性脉冲放电开关的输入端与所述正极性脉冲充电开关的输出端连接。

所述双极性高压脉冲形成系统还包括充电电阻R2、负极性脉冲充电开关、负极性脉冲回路电容器C2和负极性脉冲放电开关；所述负极性脉冲充电开关包括N个串联的IGBT单管模块，负极性脉冲放电开关包括N个串联的IGBT单管模块,N为正整数。

所述负极性脉冲充电开关中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输入端是所述负极性脉冲充电开关的输入端，第N个IGBT单管模块的IGBT单管的输出端是所述负极性脉冲充电开关的输出端。

所述负极性脉冲放电开关中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管的输入端是所述负极性脉冲放电开关的输入端，第N个IGBT单管模块中的IGBT单管的输出端是所述负极性脉冲放电开关的输出端。

所述充电电阻R2的一端与双极性高压直流模块的负极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R2的另一端与负极性脉冲充电开关的输入端连接；所述负极性脉冲充电开关的输出端与负极性脉冲回路电容器C2的一端连接，所述负极性脉冲回路电容器C2的另一端则与大地连接；所述负极性脉冲放电开关的输入端与所述负极性脉冲充电开关的输出端连接。

所述直流陡脉冲叠加电路3包括电阻Ⅰ R3、电阻Ⅱ R4和耦合电容C；所述电阻Ⅰ R3包括A、B两端，电阻Ⅱ R4包括C、D两端，耦合电容C包括E、F两端，

所述电阻Ⅰ R3的A端接收来自高压直流模块输出的不高于+20kV的高压直流电；电阻Ⅰ R3的B端与耦合电容C的E端连接，所述耦合电容C的F端、所述正极性脉冲放电开关的输出端和负极性脉冲放电开关输出端连接在一起；所述电阻Ⅱ R4的C端与电阻ⅠR3的B端连接，所述电阻Ⅱ R4的D端与负载的一极连接，所述负载的另一极接地；

所述信号转换系统包括电/光转换器（即电/光转换器J1和电/光转换器J2）；所述电/光转换器得电时输出的光信号通过光纤传递给所有IGBT单管模块的光/电转换器；所述IGBT单管模块的光/电转换器接收到光信号后，向开关驱动器输出电信号，使得开关驱动器向IGBT单管传递驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管模块的IGBT单管的通/断。

所述同步触发模块的输出端分别与信号转换系统的电/光转换器J1及电/光转换器J2相连接。

所述负载包括容纳老化变压器油的腔体，所述腔体内具有两块浸入老化变压器油的极板，所述电阻Ⅱ R4的D端与其中一块极板连接，另一块极板接地。

本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：

1、本发明采用IGBT器件，使用寿命更长、工作频率更高、大大缩小了电路体积，并降低了整个电路的损耗。结构紧凑，布局合理，减小了放电回路的杂散电感，采用无感电阻负载，提高了输出脉冲陡度。

2、本发明采用光纤作为信号传输通道，实现强、弱信号之间的电气隔离。与常用的采用光耦合器件的方式相比，光纤的隔离电压更高，并且响应速度快。光纤的高抗干扰性能大大避免了光信号在传输过程中受周围环境的电磁干扰。

3、本发明设计的基于3个IGBT串联串联方式的充、放电回路输出双极性陡脉冲（具有快速上升沿的指数衰减脉冲），技术参数如下：上升沿200～400ns，幅值±10kV（双极性）,脉冲宽度10us～1ms，频率0.2～46Hz。

4、本发明设计的直流陡脉冲叠加电路将幅值达到±10kV的双极性陡脉冲叠加到20kV高压直流上，在负载上得到：±10kV（双极性陡脉冲）+20kV（直流）复合电压。

5、采用多个IGBT串联（优选为3个）方式获取幅值达到±10kV陡脉冲；采用RCD型无源缓冲电路解决多个IGBT串联情况下动态（开通/关断瞬态）均压问题，采用并联等值均压电阻改善多个IGBT串联情况下的静态均压。

6、该装置采用标准化、模块化设计，各单元可以方便地进行拆卸与组装；输出的双极性陡脉冲可以用于很多脉冲功率技术应用场合，且输出双极性陡脉冲幅值0～±10kV可调，满足不同应用场合的需要。

7、该装置预留了相关的接口，可以对其中的一些组件进行扩展。例如，可以通过增加双极性高压脉冲形成系统中正（或负）极性脉冲充、放电开关中IGBT单管模块的串联数目，以期达到输出更高幅值双极性陡脉冲的目的。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为实施例1正（或负）极性脉冲充、放电开关中IGBT单管模块的结构示意图；

图3为实施例1直流陡脉冲叠加电路结构示意图；

图4为实施例1双极性高压脉冲形成系统输出双极性陡脉冲波形；

图5为实施例1直流9.5kV+脉冲1kV时输出电压波形。

图中：1电源系统,2双极性高压脉冲形成系统，3直流陡脉冲叠加电路，4信号转换系统，5同步触发模块,6负载，7DC-DC模块，8光/电转换器，9开关驱动器，10 IGBT，11栅极保护电路，12动/静态均压电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

如图1～3所示，一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，包括电源系统1、双极性高压脉冲形成系统2，直流陡脉冲叠加电路3，信号转换系统4，同步触发模块5和负载6,以及若干IGBT单管模块。

所述电源系统1包括市电电源1-1，以及由所述市电电源1-1供电的高压直流模块1-2、双极性高压直流模块1-3和开关电源1-4。所述高压直流模块为输出DC 0～20000V可调，输出电流为1mA，具有限压保护功能；所述双极性高压直流模块1-3产生并通过正极性输出端输出一路不高于+12kV的高压直流电，同时，产生并通过负极性输出端输出一路不高于-12kV的高压直流电，所述正极性输出端和负极性输出端输出电压的绝对值相等，前述高压直流模块和双极性高压直流模块为整合在一起的市购模块。所述开关电源1-4为将220V交流电转换为15V直流电后，通过导线与双极性高压脉冲形成系统2、信号转换系统4和同步触发模块5连接，用以为上述几部分提供电源。

每一个所述IGBT单管模块包括一个IGBT单管10、DC－DC模块7、光/电转换器8、开关驱动器9和栅极保护电路11,所述DC－DC模块7接收电源系统1中开关电源1-4输入的直流电，所述DC－DC模块7的输出端向所述开关驱动器9和光/电转换器8的电源端供电；所述光/电转换器8接收到光信号时，输出控制信号到开关驱动器9的控制端；所述开关驱动器9接收到控制信号时，输出驱动信号到IGBT单管10的栅极；所述栅极保护电路11输入端通过电路接线与IGBT单管10的栅极连接，所述栅极保护电路11输出端通过电路接线与IGBT单管10的输出端（本文中将IGBT单管10的管脚C称作IGBT单管10的输入端，IGBT单管10的管脚E称作IGBT单管10的输出端，余者类同）连接。

所述双极性高压脉冲形成系统2包括充电电阻R1、正极性脉冲充电开关2-1、正极性脉冲回路电容器C1和正极性脉冲放电开关2-2。所述正极性脉冲充电开关2-1包括一个(即N=1)IGBT单管模块，所述正极性脉冲放电开关2-2包括一个(即N=1)IGBT单管模块。

所述正极性脉冲充电开关2-1中：IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述正极性脉冲充电开关2-1的输入端，IGBT单管模块的IGBT单管10的输出端是所述正极性脉冲充电开关2-1的输出端。

所述正极性脉冲放电开关2-2中：IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述正极性脉冲放电开关2-2的输入端，IGBT单管模块中的IGBT单管10的输出端是所述正极性脉冲放电开关2-2的输出端。

所述充电电阻R1的一端与双极性高压直流模块1-3的正极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R1的另一端与正极性脉冲充电开关2-1的输入端连接。所述正极性脉冲充电开关2-1输出端与正极性脉冲回路电容器C1的一端连接，所述正极性脉冲回路电容器C1的另一端则与大地连接。所述正极性脉冲放电开关2-2输入端与所述正极性脉冲充电开关2-1的输出端连接。

所述双极性高压脉冲形成系统2还包括充电电阻R2、负极性脉冲充电开关2-3、负极性脉冲回路电容器C2和负极性脉冲放电开关2-4。所述负极性脉冲充电开关2-3包括一个(即N=1)IGBT单管模块，所述负极性脉冲放电开关2-4包括一个(即N=1)IGBT单管模块。

所述负极性脉冲充电开关2-3中：IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述负极性脉冲充电开关2-3的输入端，IGBT单管模块的IGBT单管10的输出端是所述负极性脉冲充电开关2-3的输出端。

所述负极性脉冲放电开关2-4中：IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述负极性脉冲放电开关2-4的输入端，IGBT单管模块中的IGBT单管10的输出端是所述负极性脉冲放电开关2-4的输出端。

所述充电电阻R2的一端与双极性高压直流模块1-3的负极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R2的另一端与负极性脉冲充电开关2-3的输入端连接。所述负极性脉冲充电开关2-3的输出端与负极性脉冲回路电容器C2的一端连接，所述负极性脉冲回路电容器C2的另一端则与大地连接。所述负极性脉冲放电开关2-4的输入端与前述负极性脉冲充电开关2-3的输出端连接。

所述直流陡脉冲叠加电路3包括电阻Ⅰ R3、电阻Ⅱ R4和耦合电容C。所述电阻Ⅰ R3包括A、B两端，电阻Ⅱ R4包括C、D两端，耦合电容C包括E、F两端。

所述电阻Ⅰ R3的A端接收来自高压直流模块1-2输出的不高于+20kV的高压直流电。电阻Ⅰ R3的B端与耦合电容C的E端连接，所述耦合电容C的F端、所述正极性脉冲放电开关2-2的输出端和负极性脉冲放电开关2-4的输出端连接在一起。所述电阻Ⅱ R4的C端与电阻Ⅰ R3的B端连接，所述电阻Ⅱ R4的D端与负载6的一极连接，所述负载6的另一极接地。由于负载6（一般为净油室，相较于R3、R4阻值很大），前述电源系统1中高压直流模块1-2输出高压直流将会施加到负载6上，再通过前述耦合电容C将前述双极性高压脉冲形成系统2中正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲放电开关2-4输出的双极性陡脉冲耦合到负载6上，从而在负载6上得到直流陡脉冲复合电压，从而在负载6（一般为带正、负极板的净油室）的正、负极板间的净油腔内产生直流陡脉冲复合电场。

所述信号转换系统4包括电/光转换器J1和电/光转换器J2。所述电/光转换器J1得电所输出的光信号通过光纤传递给所述正极性脉冲充电开关2-1中的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中的所述光/电转换器8。所述正极性脉冲充电开关2-1中的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中的所述光/电转换器8输出的电信号传递给各自相连的开关驱动器9以产生驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管10的开通/关断。所述电/光转换器J2得电所输出的光信号通过光纤传递给所述正极性脉冲放电开关2-2中的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中的所述光/电转换器8。所述正极性脉冲放电开关2-2中的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中的所述光/电转换器8输出的电信号传递给各自相连的开关驱动器9以产生驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管10的开通/关断。

所述的同步触发模块5包括定时器芯片、外接电阻R5、外接电阻R6、外接电容C、反相器。所述定时器芯片为市购的NE555芯片，由开关电源15V输出端对其供电。所述定时器芯片外接固定电阻R5阻值为1kΩ，可调电阻R6阻值为470kΩ。可调电阻R6调节至15kΩ时，双极性高压脉冲形成系统2中正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲放电开关2-4输出的双极性陡脉冲重复频率为46Hz，也即最终在负载6（一般为带正、负极板的净油室）的净油室内产生直流陡脉冲复合电场的重复频率为46Hz。所述的外接电容C为容值为10uF的贴片电容。所述反相器为市购元件，型号为CD4068。所述定时器芯片输出端一分为二：①一路信号接信号转换系统4中电/光转换器J1，②另一路经过反相器后接信号转换系统4中电/光转换器J2。因此，信号转换系统4中电/光转换器J1和电/光转换器J2中信号工作时序刚好相反。

因此，当同步触发模块5发出正极性脉冲回路电容器C1充电而负极性脉冲回路电容器C2放电信号时：①一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J1传至正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4中IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管10开通（即正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4均开通）。前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3正极性输出端通过正极性脉冲充电开关2-1对正极性脉冲回路电容器C1充电；同时，负极性脉冲回路电容器C2通过负极性脉冲放电开关2-4对直流陡脉冲叠加电路3放电。②另一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J2传至正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3中IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管10关断（即正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3均关断）。断开正极性脉冲回路电容器C1与直流陡脉冲叠加电路3的连接，同时，断开负极性脉冲回路电容器C2与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3负极性输出端的连接。相反地，当同步触发模块5发出正极性脉冲回路电容器C1放电而负极性脉冲回路电容器C2充电信号时：①一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J1传至正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4中IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管10关断（即正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4均关断）。断开正极性脉冲回路电容器C1与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3正极性输出端的连接；同时，断开负极性脉冲回路电容器C2与直流陡脉冲叠加电路3的连接。②另一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J2传至正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3中IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管10开通（正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3均开通）。正极性脉冲回路电容器C1通过正极性脉冲放电开关2-2对直流陡脉冲叠加电路3放电；同时，负极性脉冲回路电容器C2通过负极性脉冲充电开关2-3与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3负极性输出端连接，用以获取充电电源。这样，正极性脉冲回路电容器C1充电和负极性脉冲回路电容器C2交替充、放电，形成最终的正、负双极性脉冲。

所述6包括容纳老化变压器油的腔体，所述腔体内具有两块浸入老化变压器油的极板，所述电阻Ⅱ R4的D端与其中一块极板连接，另一块极板接地。

实施例2：

如图1～3所示，一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，包括电源系统1、双极性高压脉冲形成系统2，直流陡脉冲叠加电路3，信号转换系统4，同步触发模块5和负载6，以及若干IGBT单管模块。

所述电源系统1包括市电电源1-1，以及由所述市电电源1-1供电的高压直流模块1-2、双极性高压直流模块1-3和开关电源1-4。所述高压直流模块为输出DC 0～20000V可调，输出电流为1mA，具有限压保护功能；所述双极性高压直流模块1-3产生并通过正极性输出端输出一路不高于+12kV的高压直流电，同时，产生并通过负极性输出端输出一路不高于-12kV的高压直流电，所述正极性输出端和负极性输出端输出的电压绝对值相等，前述高压直流模块和双极性高压直流模块为整合在一起的市购模块。所述开关电源1-4为将220V交流电转换为15V直流电后，通过导线与双极性高压脉冲形成系统2、信号转换系统4和同步触发模块5连接，用以为上述几部分提供电源。

每一个所述IGBT单管模块包括一个IGBT单管10、DC－DC模块7、光/电转换器8、开关驱动器9和栅极保护电路11,所述DC－DC模块7接收电源系统1中开关电源1-4输入的直流电，所述DC－DC模块的输出端向所述开关驱动器9和光/电转换器8的电源端供电；所述光/电转换器8接收到光信号时，输出控制信号到开关驱动器9的控制端；所述开关驱动器9接收到控制信号时，输出驱动信号到IGBT单管10的栅极；所述栅极保护电路11输入端通过电路接线与IGBT单管10的栅极连接，所述栅极保护电路11输出端通过电路接线与IGBT单管10的输出端（本文中将IGBT单管10的管脚C称作IGBT单管10的输入端，IGBT单管10的管脚E称作IGBT单管10的输出端，余者类同）连接。

所述双极性高压脉冲形成系统2包括充电电阻R1、正极性脉冲充电开关2-1、正极性脉冲回路电容器C1和正极性脉冲放电开关2-2。

所述正极性脉冲充电开关2-1包括3个串联的IGBT单管模块，所述正极性脉冲放电开关2-2包括3个串联的IGBT单管模块。所述3个IGBT单管模块的串联是指：将第1个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输出端与第2个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端连接；第2个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输出端又与第3个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端连接。

所述正极性脉冲充电开关2-1中：第1个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述正极性脉冲充电开关2-1的输入端，第3个IGBT单管模块的IGBT单管10的输出端是所述正极性脉冲充电开关2-1的输出端；

所述正极性脉冲放电开关2-2中：第1个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输入端是所述正极性脉冲放电开关2-2的输入端，第3个IGBT单管模块中的IGBT单管10的输出端是所述正极性脉冲放电开关2-2的输出端；

由于采用3个IGBT单管模块串联（即N≧2时），因此每个IGBT单管模块的IGBT单管10的输入端、输出端需要分别与动/静态均压电路12输入端、输出端连接（即并联均压），以此避免3个IGBT单管模块的IGBT单管10串联连接时各个IGBT单管模块的IGBT单管10之间由于分压不均引起IGBT单管10损坏；

所述充电电阻R1的一端与双极性高压直流模块1-3的正极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R1的另一端与正极性脉冲充电开关2-1的输入端连接。所述正极性脉冲充电开关2-1输出端与正极性脉冲回路电容器C1的一端连接，所述正极性脉冲回路电容器C1的另一端则与大地连接。所述正极性脉冲放电开关2-2的输入端与所述正极性脉冲充电开关2-1的输出端连接。

所述双极性高压脉冲形成系统2还包括充电电阻R2、负极性脉冲充电开关2-3、负极性脉冲回路电容器C2和负极性脉冲放电开关2-4。所述负极性脉冲充电开关2-3、负极性脉冲放电开关2-4中均存在3个串联的IGBT单管模块，其内部结构、接线方式与前述正极性脉冲充电开关2-1、正极性脉冲放电开关2-2相同。

所述充电电阻R2的一端与双极性高压直流模块1-3的负极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻R2的另一端与负极性脉冲充电开关2-3输入端连接。所述负极性脉冲充电开关2-3的输出端与负极性脉冲回路电容器C2的一端连接，所述负极性脉冲回路电容器C2的另一端则与大地连接。所述负极性脉冲放电开关2-4的输入端与所述负极性脉冲充电开关2-3的输出端连接。

所述直流陡脉冲叠加电路3包括电阻Ⅰ R3、电阻Ⅱ R4和耦合电容C。所述电阻Ⅰ R3包括A、B两端，电阻Ⅱ R4包括C、D两端，耦合电容C包括E、F两端。

所述电阻Ⅰ R3的A端接收来自高压直流模块1-2输出的不高于+20kV的高压直流电。电阻Ⅰ R3的B端与耦合电容C的E端连接，所述耦合电容C的F端通过导线与所述正极性脉冲放电开关2-2的输出端和负极性脉冲放电开关2-4的输出端连接在一起；所述电阻Ⅱ R4的C端与电阻Ⅰ R3的B端连接，所述电阻Ⅱ R4的D端与负载6的一极连接，所述负载6的另一极接地。由于负载6（一般为净油室，相较于R3、R4阻值很大），前述电源系统1中高压直流模块1-2输出高压直流将会施加到负载6上，再通过前述耦合电容C将前述双极性高压脉冲形成系统2中正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲放电开关2-4输出的双极性陡脉冲耦合到负载6上，从而在负载6上得到直流陡脉冲复合电压，从而负载6（一般为带正、负极板的净油室）的正、负极板间的净油腔内产生直流陡脉冲复合电场。

所述信号转换系统4包括电/光转换器J1和电/光转换器J2。所述电/光转换器J1得电所输出的光信号通过光纤传递给所述正极性脉冲充电开关2-1中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的所述光/电转换器8。所述正极性脉冲充电开关2-1中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8输出的电信号传递给各自相连的开关驱动器9以产生驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10的开通/关断。所述电/光转换器J2得电所输出的光信号通过光纤传递给所述正极性脉冲放电开关2-2中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的所述光/电转换器8。所述正极性脉冲放电开关2-2中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中的IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8输出的电信号传递给各自相连的开关驱动器9以产生驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10的关断/开通。

所述的同步触发模块5包括定时器芯片、外接电阻R5、外接电阻R6、外接电容C、反相器。所述定时器芯片为市购的NE555芯片，由开关电源15V输出端对其供电。所述定时器芯片外接固定电阻R5阻值为1kΩ，可调电阻R6阻值为470kΩ。可调电阻R6调节至15kΩ时，双极性高压脉冲形成系统2中正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲放电开关2-4输出的双极性陡脉冲重复频率为46Hz，也即最终在负载6（一般为带正、负极板的净油室）的净油室内产生直流陡脉冲复合电场的重复频率为46Hz。所述的外接电容为容值为10uF的贴片电容。所述反相器为市购元件，型号为CD4068。所述定时器芯片输出端一分为二：①一路信号接信号转换系统4中电/光转换器J1，②另一路经过反相器后接信号转换系统4中电/光转换器J2；因此信号转换系统4中电/光转换器J1和电/光转换器J2中信号工作时序刚好相反。

因此，当同步触发模块5发出正极性脉冲回路电容器C1充电而负极性脉冲回路电容器C2放电信号时：①一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J1传至正极性脉冲充电开关2-1中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10开通（即正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4均开通）。前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3通过正极性脉冲充电开关2-1对正极性脉冲回路电容器C1充电；同时，负极性脉冲回路电容器C2通过负极性脉冲放电开关2-4对直流陡脉冲叠加电路3放电。②另一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J2传至正极性脉冲放电开关2-2中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10关断（即正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3均关断）。断开正极性脉冲回路电容器C1与直流陡脉冲叠加电路3的连接；同时，断开负极性脉冲回路电容器C2与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3负极性输出端的连接。相反地，当同步触发模块5发出正极性脉冲回路电容器C1放电而负极性脉冲回路电容器C2充电信号时：①一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J1传至正极性脉冲充电开关2-1中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲放电开关2-4中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10关断（即正极性脉冲充电开关2-1和负极性脉冲放电开关2-4均关断）。断开正极性脉冲回路电容器C1与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3正极性输出端的连接；同时，断开负极性脉冲回路电容器C2与直流陡脉冲叠加电路3的连接。②另一路信号经信号转换系统4中电/光转换器J2传至正极性脉冲放电开关2-2中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8和负极性脉冲充电开关2-3中IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的光/电转换器8，使得开关驱动器9输出驱动信号使IGBT单管模块串联组的3个IGBT单管模块的IGBT单管10开通（正极性脉冲放电开关2-2和负极性脉冲充电开关2-3均开通）。正极性脉冲回路电容器C1通过正极性脉冲放电开关2-2对直流陡脉冲叠加电路3放电；同时，负极性脉冲回路电容器C2通过负极性脉冲充电开关2-3与前述电源系统1中双极性高压直流模块1-3负极性输出端的连接，用以获取充电电源。这样，正极性脉冲回路电容器C1充电和负极性脉冲回路电容器C2交替充、放电，形成最终的正、负双极性脉冲。

所述6包括容纳老化变压器油的腔体，所述腔体内具有两块浸入老化变压器油的极板，所述电阻Ⅱ R4的D端与其中一块极板连接，另一块极板接地。

采用上述实施例2，将在负载6输入端得到±10kV（双极性陡脉冲）+20kV（直流）复合电压，所述的±10kV具体技术参数如下：上升沿200～400ns，幅值±10kV（双极性）,脉冲宽度10us～1ms，频率0.2～46Hz。

实施例3

本实施例中，所述负载6包括容纳老化变压器油的腔体，所述腔体内具有两块浸入老化变压器油的极板，所述电阻Ⅱ R4的D端与其中一块极板连接，另一块极板接地。采用实施例2所得±10kV（双极性陡脉冲）+20kV（直流）复合电压输入负载6，将在前述负载6正、负极板间的腔体中产生直流陡脉冲复合电场。直流电场处理劣化变压器油中一般杂质颗粒的同时，由于双极性陡脉冲电场作用而脱离油分子的胶体杂质颗粒带电之后也将在直流电场作用下向两侧极板运动。这样，在净化一般杂质颗粒的同时可以显著提高对劣化变压器油胶体杂质微粒的净化效果，具体表现在可以改善劣化变压器油介电常数、介质损耗、酸值、击穿电压、界面张力、水分含量等，经处理后的劣化变压器油可以部分参数达到变压器油运行标准。

Claims (5)

1.一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，其特征在于：包括电源系统（1）、双极性高压脉冲形成系统（2），直流陡脉冲叠加电路（3），信号转换系统（4），同步触发模块（5）和负载（6），以及若干IGBT单管模块；

所述电源系统（1）包括市电电源（1-1），以及由所述市电电源（1-1）供电的高压直流模块（1-2）、双极性高压直流模块（1-3）和开关电源（1-4）；所述高压直流模块（1-2）产生并输出不高于+20kV的高压直流电；所述双极性高压直流模块（1-3）产生并通过正极性输出端输出一路不高于+12kV的高压直流电，同时，产生并通过负极性输出端输出一路不高于-12kV的高压直流电，所述正极性输出端和负极性输出端输出的电压绝对值相等；所述开关电源（1-4）产生并输出15V的直流电；

每一个所述IGBT单管模块包括一个IGBT单管（10）、DC－DC模块(7)、光/电转换器(8)、开关驱动器(9)和栅极保护电路(11),所述DC－DC模块(7)接收电源系统(1)中开关电源（1-4）输入的直流电，所述DC－DC模块(7)的输出端向所述开关驱动器(9)和光/电转换器(8)的电源端供电；所述光/电转换器(8)接收到光信号时，输出控制信号到开关驱动器(9)的控制端；所述开关驱动器(9)接收到控制信号时，输出驱动信号到IGBT单管（10）的栅极；所述栅极保护电路(11)输入端通过电路接线与IGBT单管（10）的栅极连接，所述栅极保护电路(11)输出端通过电路接线与IGBT单管（10）的输出端连接；

所述双极性高压脉冲形成系统（2）包括充电电阻（R1）、正极性脉冲充电开关（2-1）、正极性脉冲回路电容器（C1）和正极性脉冲放电开关（2-2）；所述正极性脉冲充电开关（2-1）包括N个串联的IGBT单管模块，所述正极性脉冲放电开关（2-2）包括N个串联的IGBT单管模块,N为正整数；

所述正极性脉冲充电开关（2-1）中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输入端是所述正极性脉冲充电开关（2-1）的输入端，第N个IGBT单管模块的IGBT单管（10）的输出端是所述正极性脉冲充电开关（2-1）的输出端；

所述正极性脉冲放电开关（2-2）中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输入端是所述正极性脉冲放电开关（2-2）的输入端，第N个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输出端是所述正极性脉冲放电开关（2-2）的输出端；

所述充电电阻（R1）的一端与双极性高压直流模块（1-3）的正极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻（R1）的另一端与正极性脉冲充电开关（2-1）的输入端连接；所述正极性脉冲充电开关（2-1）的输出端与正极性脉冲回路电容器（C1）的一端连接，所述正极性脉冲回路电容器（C1）的另一端则与大地连接；所述正极性脉冲放电开关（2-2）的输入端与所述正极性脉冲充电开关（2-1）的输出端连接；

所述双极性高压脉冲形成系统（2）还包括充电电阻（R2）、负极性脉冲充电开关（2-3）、负极性脉冲回路电容器（C2）和负极性脉冲放电开关（2-4）；所述负极性脉冲充电开关（2-3）包括N个串联的IGBT单管模块，负极性脉冲放电开关（2-4）包括N个串联的IGBT单管模块,N为正整数；

所述负极性脉冲充电开关（2-3）中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输入端是所述负极性脉冲充电开关（2-3）的输入端，第N个IGBT单管模块的IGBT单管（10）的输出端是所述负极性脉冲充电开关（2-3）的输出端；

所述负极性脉冲放电开关（2-4）中：第一个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输入端是所述负极性脉冲放电开关（2-4）的输入端，第N个IGBT单管模块中的IGBT单管（10）的输出端是所述负极性脉冲放电开关（2-4）的输出端；

所述充电电阻（R2）的一端与双极性高压直流模块（1-3）的负极性输出端连接以获取充电电源，充电电阻（R2）的另一端与负极性脉冲充电开关（2-3）的输入端连接；所述负极性脉冲充电开关（2-3）的输出端与负极性脉冲回路电容器（C2）的一端连接，所述负极性脉冲回路电容器（C2）的另一端则与大地连接；所述负极性脉冲放电开关（2-4）的输入端与所述负极性脉冲充电开关（2-3）的输出端连接；

所述直流陡脉冲叠加电路（3）包括电阻Ⅰ（R3）、电阻Ⅱ（R4）和耦合电容（C）；所述电阻Ⅰ（R3）包括A、B两端，电阻Ⅱ（R4）包括C、D两端，耦合电容（C）包括E、F两端；

所述电阻Ⅰ（R3）的A端接收来自高压直流模块（1-2）输出的不高于+20kV的高压直流电；电阻Ⅰ（R3）的B端与耦合电容（C）的E端连接，所述耦合电容（C）的F端与所述正极性脉冲放电开关（2-2）输出端和负极性脉冲放电开关（2-4）的输出端连接在一起；所述电阻Ⅱ（R4）的C端与电阻Ⅰ（R3）的B端连接，所述电阻Ⅱ（R4）的D端与负载（6）的一极连接，所述负载（6）的另一极接地；

所述信号转换系统（4）包括电/光转换器；所述电/光转换器得电时输出的光信号通过光纤传递给所有IGBT单管模块的光/电转换器(8)；所述IGBT单管模块的光/电转换器(8)接收到光信号后，向开关驱动器（9）输出电信号，使得开关驱动器（9）向IGBT单管（10）传递驱动信号，所述驱动信号控制IGBT单管模块的IGBT单管（10）的通/断。

2.根据权利要求1所述的基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，其特征在于：所述正极性脉冲充电开关（2-1）、正极性脉冲放电开关（2-2）、负极性脉冲充电开关（2-3）和负极性脉冲放电开关（2-4）中均存在三个串联的IGBT单管模块，即N＝3。

3.根据权利要求1所述的基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，其特征在于：所述信号转换系统（4）包括两个电/光转换器，其中一个电/光转换器控制正极性脉冲充电开关（2-1）和负极性脉冲放电开关（2-4）中IGBT单管模块的IGBT单管（10）的通/断；另一个电/光转换器控制正极性脉冲放电开关（2-2）和负极性脉冲充电开关（2-3）中IGBT单管模块的IGBT单管（10）的通/断。

4.根据权利要求1所述的基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，其特征在于：所述栅极保护电路(11)的输入端与所述IGBT单管（10）的栅极连接，栅极保护电路(11)的输出端与IGBT单管（10）的输出端连接。

5.应用1～4任一权利要求所述的基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器净化老化变压器油，其特征在于：所述负载（6）包括容纳老化变压器油的腔体，所述腔体内具有两块浸入老化变压器油的极板，所述电阻Ⅱ（R4）的D端与其中一块极板连接，另一块极板接地。

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