CN103746567B - 一种波前连续可调的冲击高电压发生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波前连续可调的冲击高电压发生方法。该方法采用三段串接叠落式高电压发生装置实现，所述装置包括缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元以及通过光纤与之分别连接的监控单元；所述方法包括下述步骤：（1）采用缓变段电压发生单元产生缓变上升的连续可调电压波形；（2）采用渐陡段电压发生单元产生渐陡上升的连续可调电压波形；（3）采用陡变段电压发生单元产生陡变上升的连续可调电压波形，最终得到波前连续可调的冲击高电压波形。该方法可产生高幅值、大陡度和波前上升率连续可调的冲击电压输出波形，用于解决雷电屏蔽性能研究中的高压试验电源问题，也可用于其它对电压波形有特殊要求的电气绝缘和放电试验。
Description
技术领域
本发明涉及高电压试验技术领域的电压发生方法，具体涉及一种波前连续可调的冲击高电压发生方法。
背景技术
电气绝缘和放电试验中普遍采用的冲击电压发生器和各种前沿电压源均是基于Marx型或改进的Marx型电压发生方法，其产生的冲击电压波形为上升率随时间递减的固定指数波形式，改变相关参数虽可在一定范围内调节波前和波尾时间但不能改变波形的总体特征，从原理上无法实现波前上升率连续可调的冲击电压波形。
有文献报道过一种200kV级高电压任意波形发生原型装置，该装置虽然能够实现波前上升率的连续可调，但其带负载能力不强且产生的冲击电压幅值和最大电压上升率等指标受原理所限很难提高，采用该电压发生方法无法满足高幅值和大陡度的冲击电压发生要求。
试验条件下的模拟长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽性能的主要手段。间隙试验电场与自然雷电电场的等效性是雷云地闪全过程模拟试验(简称雷电模拟试验)的关键因素，故而对试验电源波形提出了特殊的要求。实测和仿真研究表明雷云地闪过程中的自然雷电电场具有高幅值、大陡度和上升率由缓及陡渐变的特点，传统的高压试验电源由于输出电压波形特征不符或输出电压能力有限，故不能保证模拟试验的电场等效性，无法应用于此类长间隙放电试验。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种波前连续可调的冲击高电压发生方法，该方法可产生高幅值、大陡度和波前上升率连续可调的冲击电压输出波形，用于解决雷电屏蔽性能研究中的高压试验电源问题，也可用于其它对电压波形有特殊要求的电气绝缘和放电试验。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种波前连续可调的冲击高电压发生方法，其改进之处在于，所述方法采用三段串接叠落式高电压发生装置实现，所述装置包括缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元以及通过光纤与之分别连接的监控单元；
所述方法包括下述步骤：
(1)采用缓变段电压发生单元产生缓变上升的连续可调电压波形；
(2)采用渐陡段电压发生单元产生渐陡上升的连续可调电压波形；
(3)采用陡变段电压发生单元产生陡变上升的连续可调电压波形，最终得到波前连续可调的冲击高电压波形。
进一步地，所述缓变段电压发生单元由10级低功率充电组件串接构成，每级低功率充电组件包括低功率反激式拓扑电路，所述低功率反激式拓扑电路由直流电源Ui、功率半导体全控器件S、反激变压器T、高压硅堆D和输出电容C组成；所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
进一步地，所述渐陡段电压发生单元由50级高功率充电组件串接构成；每级高功率充电组件包括高功率反激式拓扑电路，所述高功率反激式拓扑电路由直流电源Ui、至少两个功率半导体全控器件S、至少两个反激变压器T、至少两个高压硅堆D和至少两个高压输出电容C组成；所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
进一步地，所述陡变段电压发生单元由三级电容放电组件串接构成，每级电容放电组件由充电变压器T、充电硅堆D、触发球隙gt、隔离球隙g、充电电阻R、充电保护电阻r、充放电电阻rt和rf、储能电容Cg和输出电容C组成，所述充电变压器T的原边与电源连接，充电变压器T的副边一端与充电硅堆D的阳极连接，充电变压器T的副边另一端通过充放电电阻rt和rf、储能电容Cg、充电电阻R和充电保护电阻r与充电硅堆D的阴极连接构成储能电容Cg的充电回路；所述触发球隙gt、隔离球隙g、储能电容Cg和充放电电阻rt和rf经串并连接后与输出电容C并联构成储能电容Cg的放电回路；所述触发球隙gt与球隙触发和光纤接口电路连接；球隙触发和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
进一步地，所述监控单元由带有数字逻辑控制功能的工业控制计算机、网络交换机、前端接口电路、电/光转换电路和监控软件组成，根据总电压波形生成缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元的控制命令，通过光纤通信发送实时驱动和触发控制信号，并对波前连续可调的冲击高电压发生的全过程进行监控。
进一步地，所述步骤(1)中，监控单元根据缓变段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至缓变段电压发生单元的各级低功率充电组件；每级低功率充电组件对功率半导体全控器件S实施高频通断控制，在功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对反激变压器T充磁；在功率半导体全控器件S关断期间，反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C转移磁能，实现对输出电容C的可控充电；
10级低功率充电组件串接构成的缓变段电压发生单元产生上升率小范围连续可调的高电压波形；每级低功率充电组件实现电压上升率连续调节范围为0-0.01kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，缓变段电压发生单元具备产生电压上升率0-0.1kV/us，电压幅值0-200kV连续可调电压波形的能力。
进一步地，所述步骤(2)中，监控单元根据渐陡段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至渐陡段电压发生单元的各级高功率充电组件；每级高功率充电组件对至少两个功率半导体全控器件S同时实施高频通断控制，在各功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对各反激变压器T同时充磁；在各功率半导体全控器件S关断期间，各反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C同时转移磁能，实现对多个串联输出电容C的可控充电；
50级高功率充电组件串接构成的渐陡段电压发生单元产生上升率大范围连续可调的高电压波形；每级高功率充电组件实现电压上升率连续调节范围为0.002-0.1kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，渐陡段电压发生单元具备产生电压上升率0.1-5kV/us，电压幅值0-1000kV连续可调电压波形的能力。
进一步地，所述步骤(3)中，各级电容放电组件中的储能电容Cg经充电回路预先完成并联充电；监控单元根据陡变段电压波形生成时序脉冲触发信号，通过光纤分别送至陡变段电压发生单元的各级电容放电组件；每级电容放电组件中的触发球隙gt在外触发信号下导通，同时引起隔离球隙g在过电压作用下瞬时同步导通，储能电容Cg通过导通的触发球隙gt和隔离球隙g及充放电电阻rf，实现对输出电容C的串联放电；
三级电容放电组件串接构成的陡变段电压发生单元产生上升率近似连续可调的陡变高电压波形；每级电容放电组件实现电压上升率不低于1.5kV/us，电压幅值800kV；陡变段电压发生单元具备产生电压上升率大于5kV/us，电压幅值0-2400kV近似连续可调电压波形的能力。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
本发明提供的波前连续可调的冲击高电压发生方法，可产生高幅值、大陡度和波前上升率连续可调的冲击电压输出波形，用于解决雷电屏蔽性能研究中的高压试验电源问题，可用于开发与雷云地闪过程中自然雷电电场波形等效的高电压试验电源，以支撑试验条件下的雷电屏蔽性能研究，并对冲击电压波前有特殊要求的各类电气绝缘和放电试验的电源开发均有应用价值。
附图说明
图1是典型电压波形三分段示意图；
图2是本发明提供的三段式冲击高电压发生原理图；
图3是本发明提供的缓变段电压发生单元原理图；
图4是本发明提供的渐陡段电压发生单元原理图；
图5是本发明提供的陡变段电压发生单元原理图；
图6是本发明提供的三段式冲击高电压发生方法实现的典型电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种新型原理的冲击高电压发生方法，可产生高幅值、大陡度和波前上升率连续可调的冲击电压输出波形，用于解决雷电屏蔽性能研究中的高压试验电源问题，也可用于其它对电压波形有特殊要求的电气绝缘和放电试验。
图1所示为雷电模拟试验中的典型电压波形三分段示意图。波形分段的依据是可实现的电压上升率范围，其中第一段波形Uo1的电压上升率范围为0-0.1kV/us；第二段波形Uo2的电压上升率范围为0.1-5kV/us；第三段波形Uo3的电压上升率范围大于5kV/us。
本发明提供的新型原理冲击高电压发生方法采用三段串接叠落式高电压发生装置实现，所述装置包括缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元以及通过光纤与之分别连接的监控单元。
图2所示为实现典型电压波形的三段式冲击高电压发生原理图。三段电压发生单元采用输出串接和绝缘支撑叠落布置，其中缓变段电压发生单元产生与图1对应的第1段缓变上升的连续可调电压波形Uo1；渐陡段电压发生单元产生与图1对应的第2段渐陡上升的连续可调电压波形Uo2；陡变段电压发生单元产生与图1对应的陡变上升的可调电压波形Uo3；监控单元根据总期望波形Uo生成各电压发生单元的控制命令，通过光纤通信向各单元发送实时驱动和触发控制信号，并对电压发生的全过程进行监控。
缓变段和渐陡段电压发生单元由于输出电压上升率不很陡，本发明提出以功率型反激式拓扑电路为核心的基于电容可控充电原理的多级串接式电压发生方法，来实现这两段电压波形的连续可调，其原理分别如图3和图4所示。
图3所示的缓变段电压发生单元由10级低功率隔离型电容可控充电组件(简称低功率充电组件)串接而成。每级低功率充电组件由直流电源Ui、功率半导体全控器件S、反激变压器T、高压硅堆D和高压输出电容C等基本元件组成低功率反激式拓扑电路，所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
图4所示的渐陡段电压发生单元由50级高功率隔离型电容可控充电组件(简称高功率充电组件)串接而成。每级高功率充电组件由直流电源Ui、多个功率半导体全控器件S、多个反激变压器T、多个高压硅堆D和多个高压输出电容C等元件组成高功率反激式拓扑电路，所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
陡变段电压发生单元由于输出电压上升率很陡，采用功率半导体全控器件受器件功率限额影响而实现困难，本发明提出基于电容可控放电原理的三级串接式电压发生方法，来实现该段电压波形的近似连续可调，其原理如图5所示。陡变段电压发生单元由三级高电压大功率电容放电组件(简称电容放电组件)串接而成。每级电容放电组件由高绝缘充电变压器T、充电硅堆D、触发球隙gt、隔离球隙g、充电电阻R、充电保护电阻r、充放电电阻rt和rf、储能电容Cg和高压输出电容C等基本元件配置而成，所述充电变压器T的原边与电源连接，充电变压器T的副边一端与充电硅堆D的阳极连接，充电变压器T的副边另一端通过充放电电阻rt和rf、储能电容Cg、充电电阻R和充电保护电阻r与充电硅堆D的阴极连接构成储能电容Cg的充电回路；所述触发球隙gt、隔离球隙g、储能电容Cg和充放电电阻rt和rf经串并连接后与输出电容C并联构成储能电容Cg的放电回路；所述触发球隙gt与球隙触发和光纤接口电路连接；球隙触发和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
监控单元由带有数字逻辑控制功能的工业控制计算机、网络交换机、前端接口电路、电/光转换电路和监控软件组成，根据总电压波形生成缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元的控制命令，通过光纤通信发送实时驱动和触发控制信号，并对波前连续可调的冲击高电压发生的全过程进行监控。
所述方法包括下述步骤：
(1)采用缓变段电压发生单元产生缓变上升的连续可调电压波形：监控单元根据缓变段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至缓变段电压发生单元的各级低功率充电组件；每级低功率充电组件对功率半导体全控器件S实施高频通断控制，在功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对反激变压器T充磁；在功率半导体全控器件S关断期间，反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C转移磁能，实现对输出电容C的可控充电；10级低功率充电组件串接构成的缓变段电压发生单元可产生上升率小范围连续可调的高电压波形；每级低功率充电组件可实现电压上升率连续调节范围为0-0.01kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，缓变段电压发生单元具备产生电压上升率0-0.1kV/us，电压幅值0-200kV连续可调电压波形的能力。
(2)采用渐陡段电压发生单元产生渐陡上升的连续可调电压波形：监控单元根据渐陡段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至渐陡段电压发生单元的各级高功率充电组件；每级高功率充电组件对至少两个功率半导体全控器件S同时实施高频通断控制，在各功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对各反激变压器T同时充磁；在各功率半导体全控器件S关断期间，各反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C同时转移磁能，实现对多个串联输出电容C的可控充电；50级高功率充电组件串接构成的渐陡段电压发生单元可产生上升率大范围连续可调的高电压波形；每级高功率充电组件可实现电压上升率连续调节范围为0.002-0.1kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，渐陡段电压发生单元具备产生电压上升率0.1-5kV/us，电压幅值0-1000kV连续可调电压波形的能力。
(3)采用陡变段电压发生单元产生陡变上升的连续可调电压波形，最终得到波前连续可调的冲击高电压波形：各级电容放电组件中的储能电容Cg经充电回路预先完成并联充电；监控单元根据陡变段电压波形生成时序脉冲触发信号，通过光纤分别送至陡变段电压发生单元的各级电容放电组件；每级电容放电组件中的触发球隙gt在外触发信号下导通，同时引起隔离球隙g在过电压作用下瞬时同步导通，储能电容Cg通过导通的触发球隙gt和隔离球隙g及充放电电阻rf，实现对输出电容C的串联放电；三级电容放电组件串接构成的陡变段电压发生单元可产生上升率近似连续可调的陡变高电压波形；每级电容放电组件可实现电压上升率不低于1.5kV/us，电压幅值800kV，陡变段电压发生单元具备产生电压上升率大于5kV/us，电压幅值0-2400kV近似连续可调电压波形的能力。采用三段式冲击高电压发生方法实现的典型电压波形示意图如图6所示。
通过本发明的方法，可产生波前连续可调的冲击高电压波形，本发明可用于开发与雷云地闪过程中自然雷电电场波形等效的高电压试验电源，以支撑试验条件下的雷电屏蔽性能研究，并对冲击电压波前有特殊要求的各类电气绝缘和放电试验的电源开发均有应用价值。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种波前连续可调的冲击高电压发生方法，其特征在于，所述方法采用三段串接叠落式高电压发生装置实现，所述装置包括缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元以及通过光纤与之分别连接的监控单元；
所述方法包括下述步骤：
(1)采用缓变段电压发生单元产生缓变上升的连续可调电压波形；
(2)采用渐陡段电压发生单元产生渐陡上升的连续可调电压波形；
(3)采用陡变段电压发生单元产生陡变上升的连续可调电压波形，最终得到波前连续可调的冲击高电压波形；
所述缓变段电压发生单元由10级低功率充电组件串接构成，每级低功率充电组件包括低功率反激式拓扑电路，所述低功率反激式拓扑电路由直流电源Ui、功率半导体全控器件S、反激变压器T、高压硅堆D和输出电容C组成；所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元；
所述渐陡段电压发生单元由50级高功率充电组件串接构成；每级高功率充电组件包括高功率反激式拓扑电路，所述高功率反激式拓扑电路由直流电源Ui、至少两个功率半导体全控器件S、至少两个反激变压器T、至少两个高压硅堆D和至少两个高压输出电容C组成；所述直流电源Ui的负极与功率半导体全控器件S的漏极连接，正极与反激变压器T的原边连接，反激变压器T的副边与高压硅堆D的阴极连接，高压硅堆D的阳极与输出电容C连接；功率半导体全控器件S的源极和衬底均与变压器T的原边连接；功率半导体全控器件S的栅极与驱动和光纤接口电路连接；驱动和光纤接口电路通过光纤接至监控单元；
所述陡变段电压发生单元由三级电容放电组件串接构成，每级电容放电组件由充电变压器T、充电硅堆D、触发球隙gt、隔离球隙g、充电电阻R、充电保护电阻r、充放电电阻rt和rf、储能电容Cg和输出电容C组成，所述充电变压器T的原边与电源连接，充电变压器T的副边一端与充电硅堆D的阳极连接，充电变压器T的副边另一端通过充放电电阻rt和rf、储能电容Cg、充电电阻R和充电保护电阻r与充电硅堆D的阴极连接构成储能电容Cg的充电回路；所述触发球隙gt、隔离球隙g、储能电容Cg和充放电电阻rt和rf经串并连接后与输出电容C并联构成储能电容Cg的放电回路；所述触发球隙gt与球隙触发和光纤接口电路连接；球隙触发和光纤接口电路通过光纤接至监控单元。
2.如权利要求1所述的冲击高电压发生方法，其特征在于，所述监控单元由带有数字逻辑控制功能的工业控制计算机、网络交换机、前端接口电路、电/光转换电路和监控软件组成，根据总电压波形生成缓变段电压发生单元、渐陡段电压发生单元和陡变段电压发生单元的控制命令，通过光纤通信发送实时驱动和触发控制信号，并对波前连续可调的冲击高电压发生的全过程进行监控。
3.如权利要求1所述的冲击高电压发生方法，其特征在于，所述步骤(1)中，监控单元根据缓变段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至缓变段电压发生单元的各级低功率充电组件；每级低功率充电组件对功率半导体全控器件S实施高频通断控制，在功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对反激变压器T充磁；在功率半导体全控器件S关断期间，反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C转移磁能，实现对输出电容C的可控充电；
10级低功率充电组件串接构成的缓变段电压发生单元产生上升率小范围连续可调的高电压波形；每级低功率充电组件实现电压上升率连续调节范围为0-0.01kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，缓变段电压发生单元具备产生电压上升率0-0.1kV/us，电压幅值0-200kV连续可调电压波形的能力。
4.如权利要求1所述的冲击高电压发生方法，其特征在于，所述步骤(2)中，监控单元根据渐陡段电压波形时间离散值生成多脉宽调制信号，通过光纤分别送至渐陡段电压发生单元的各级高功率充电组件；每级高功率充电组件对至少两个功率半导体全控器件S同时实施高频通断控制，在各功率半导体全控器件S导通期间，直流电源Ui对各反激变压器T同时充磁；在各功率半导体全控器件S关断期间，各反激变压器T通过高压硅堆D向输出电容C同时转移磁能，实现对多个串联输出电容C的可控充电；
50级高功率充电组件串接构成的渐陡段电压发生单元产生上升率大范围连续可调的高电压波形；每级高功率充电组件实现电压上升率连续调节范围为0.002-0.1kV/us，电压幅值连续调节范围为0-20kV，渐陡段电压发生单元具备产生电压上升率0.1-5kV/us，电压幅值0-1000kV连续可调电压波形的能力。
5.如权利要求1所述的冲击高电压发生方法，其特征在于，所述步骤(3)中，各级电容放电组件中的储能电容Cg经充电回路预先完成并联充电；监控单元根据陡变段电压波形生成时序脉冲触发信号，通过光纤分别送至陡变段电压发生单元的各级电容放电组件；每级电容放电组件中的触发球隙gt在外触发信号下导通，同时引起隔离球隙g在过电压作用下瞬时同步导通，储能电容Cg通过导通的触发球隙gt和隔离球隙g及充放电电阻rf，实现对输出电容C的串联放电；
三级电容放电组件串接构成的陡变段电压发生单元产生上升率连续可调的陡变高电压波形；每级电容放电组件实现电压上升率不低于1.5kV/us，电压幅值800kV；陡变段电压发生单元具备产生电压上升率大于5kV/us，电压幅值0-2400kV连续可调电压波形的能力。
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