CN105137136A

CN105137136A - 一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器

Info

Publication number: CN105137136A
Application number: CN201510595830.8A
Authority: CN
Inventors: 陈水胜; 周平; 张业鹏; 项晓鸣
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN105137136B

Abstract

本发明公开一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，包括自下而上依层排列的25级充放电装置，每一级包括相互串联的充电电阻、主电容、点火开关、波尾电阻、主电容和充电电阻，相邻两级之间连接有二个充电开关。充电时，充电开关同时导通、点火开关断开；放电时，充电关同时断开、点火开关导通。发生器的主体空间布置采用逆向螺旋“8”字型错层对称式空间结构，立柱分前后二排，每排分左中右三列对称布置，每一级的二个主电容及二个充电电阻分前后排对称布置在该级平面上，所述波尾电阻及点火开关也是水平布置在该级平面上的前后排之间且位于中列。本发明输出电压波前时间范围宽达1.2μs～2500μs、充电电压7500kV，输出效率大于70%，无调波电容。

Description

一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，具体为特高压试验中，应用于冲击电压实验的低固有电感结构的高电压大容量冲击电压发生器，属电力行业高压试验技术领域。

背景技术

[0002] 冲击电压试验是研究选择特高压架空输电线路过电压作用下空气间隙的主要依据之一，进行该种试验需要设计一种冲击电压发生器，可产生雷电冲击电压波，以及1000〜2500 μ S的长波前时间操作冲击电压，且波前时间及幅值均能满足特高压输电试验需要。为此，实用新型专利《长波前操作冲击电压发生器》(申请号CN200720300383.X)公开了一种多达25级的带波头电阻Rf和波尾电阻Rt的并联充电、串联放电型冲击电压发生器，波头电阻Rf —端接在本级的波尾电阻Rt和主电容Cs之间，另一端接在后一级波尾电阻Rt和主电容Cs之间。冲击发生器共25级，每级电压300kV，两个主电容最大充电电压分别为±150kV，标准操作冲击波前时间250 μ s的产生效率为70%〜80%，产生2500 μ s波前时间操作冲击输出效率在70%，总最高充电电压7500kV。该试验装置的主体空间布置如图2所示，是采用前后二排、每排三根立柱结构，自下至上共25层；第一层水平方向的左侧分布有前后排二只充电电阻Rd、右侧前后排有二个主电容Cs，二个主电容Cs之间的左侧是点火开关gap、右侧是波尾电阻Rt，波头电阻Rf跨接在第一层前排主电容Cs与第二层后排主电容Cs之间，最左侧前后排之间的二根立柱是充电开关Kal和Kbl ;第二至第25层以此类推。图2中带箭头的点划线是该试验装置放电时的电流回路走向示意图，该电流回路是一种逆时针螺旋上升走向，第25层的波头电阻Rf引向顶部均压罩，被测试试品自所述均压罩与大地之间耐受最高7500kV的电压试验。

[0003] 另一方面，特高压输电线路及输变电站设备因安全距离等原因，其高压杆塔非常容易遭受雷击，因此对线路防雷击闪络特性的研究十分重要，进行该种试验需要设计一种雷电冲击电压试验设备，可产生7500kV冲击电压，且雷电冲击波前时间(1.2 μ s ± 30%)。现有的雷电冲击电压试验设备，是采用冲击电压发生器模拟雷电，对线路或设备进行冲击试验。公知的冲击电压发生器的工作原理如附图1所示，是多级电容并联充电，然后串联放电，以达到产生高压冲击的目的。若产生5000kV以上雷电冲击，冲击发生器中需要安装几十组电容，整个发生器的尺寸非常大。过大的设备尺寸造成了放电回路中杂散参数对冲击波形有很大的影响，尤其是对于雷电冲击，杂散电感会在放电过程中产生较为严重的振荡，不能产生符合国标要求的波形。即使采用波头波尾电阻调整产生雷电冲击波形方法，也无法抑制由于杂散电感产生的振荡。如中国电科院的7500kV冲击发生装置，采用电阻调波方法，产生的雷电冲击波前时间为2.3 μ s，难于达到国标要求。

[0004] —种安装补偿电容调试标准雷电冲击的方案被广泛接受。如发明专利《高电压大容量冲击电压发生器》(申请号CN201010524680.9)所公开的技术方案，是在波头电阻两端并联安装调波电容，用以补偿放电回路中的杂散电感对雷电冲击波形的影响，抑制由于杂散电感的产生的振荡并有效的降低波前时间，并抵消由于电感引起的回路振荡，从该技术方案可看出，并入适量的调波电容，可达到波前时间1.38 μ S、过冲10%的最佳效果。由于该冲击电压发生器结构尺寸大，本身固有的杂散电容和寄生电感大，经现场测量，该冲击发生器本体回路电感约为178 μΗ。安装调波电容的方法虽然可缩短波前时间，但调波电容既占用了设备宝贵的空间结构资源，又因受试验设备所使用材质差别、加工与组装工艺、还有试验现场地理气候等原因影响，使得采用该方法复制时，一致性差，每一单台设备均需通过对比大量的仿真计算研究结果，经过实验现场多次改变电阻电容配置方案进行调试后，方能最终选定最佳配置方案。冲击发生器本体回路电感越大，所需调波电容越多。

[0005] 上述雷电冲击电压试验设备的调波电容并联在波头电阻Rf的两端，其空间结构与前述的长波前时间操作冲击电压试验设备相似。

[0006] —种综合了长波前时间操作冲击电压试验和雷电冲击电压试验的设备，需使其输出电压波前时间范围宽达1.2μ8〜2500μ8、总最高充电电压7500kV，且输出效率大于70%。设计该种设备所需解决的最大问题是尽可能减小结构电感，从而降低杂散电感在放电过程中产生严重振荡，另一方面，从节省空间绝缘间距、结构简单、调试方便、制造成本低等综合因素考虑，不需接入调波电容。现有的国内外专利或其它公开文献中，未见于能达到该要求的技术方案或试验装置的报导。

发明内容

[0007] 本发明目的是针对背景技术所述问题，设计一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，用于长波前时间操作冲击电压试验和雷电冲击电压试验的设备，所述冲击电压发生器的输出电压波前时间范围宽达1.2μ8〜2500μ8、充电电压7500kV，且输出效率大于70%。是采用逆向螺旋“8”字型空间结构，尽最大可能的减小了结构电感，从而降低杂散电感在放电过程中产生严重振荡，结构简单、调试方便、制造成本低，且无需接入调波电容。

[0008] 本发明的技术方案是:一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，包括:充电变压器、硅堆、限流电阻(Ri)、安全接地开关、充电开关，还有自下而上依次层叠分布的至少25级充放电装置，设定最下层充放电装置为第一级，每一级充放电装置额定电压至少300kV，总最高充电电压至少7500kV ；

每一级充放电装置中，包括相互串联的充电电阻(Rd)、主电容(Cs)、点火开关(gap)、波头电阻(Rf )、波尾电阻(Rt);所述每一级充放电装置中的主电容(Cs )及充电电阻(Rd)均有二个，每个主电容(Cs)的最大充电电压分别为+150kV和-150kV，所述每一级充放电装置中的点火开关(gap)有一个；相邻两级充放电装置之间有二个充电开关，所述充电开关的两端连接在相邻两级充放电装置的充电电阻(Rd)之间；

第一级充放电装置中，有波头电阻(Rf )的一端接在本级的波尾电阻(Rt)和主电容(Cs)之间，波头电阻(Rf)的另一端接在第二级充放电装置的波尾电阻(Rt)和主电容(Cs)之间；

第一级充放电装置的电源输入端连接有充电变压器和硅堆，所述硅堆采用全波整流电路，两个硅堆的输出端分别串联限流电阻(Ri)后，再与第一级充放电装置的两个充电电阻(Rd)连接，所述限流电阻(Ri )与充电电阻(Rd)的连接处与地之间，均接有常闭式安全接地开关; 充电时，各充电开关同时导通、点火开关(gap)断开；放电时，各充电关同时断开、点火开关导通；

所述低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器的主体空间布置是采用前后二排、每一排分左、中、右三列的对称式立柱结构，每一级的二个主电容(Cs)及二个充电电阻(Rd)分前后排对称布置在该级平面上，所述波尾电阻(Rt)及点火开关(gap)也是水平布置在该级平面上的前后排之间且位于中列，自下至上共25级；其特征在于:

所述第一级点火开关(gap)位于右列前后排之间，点火开关(gap)两端均并联有主电容(Cs)和充电电阻(Rd)，位于中列的波尾电阻(Rt)串接在二个主电容(Cs)的另一端；所述第二级点火开关(gap)位于左列前后排之间，点火开关(gap)两端均并联有主电容(Cs)和充电电阻(Rd)，位于中列的波尾电阻(Rt)串接在二个主电容(Cs)的另一端；所述前后排中列垂直方向分布有充电开关A (Kal)和充电开关B (Kbl);所述充电开关A (Kal)的下端接第一级前排充电电阻(Rd)的电源输入端负极、充电开关A (Kal)的上端接第二级前排充电电阻(Rd)的电源输入端；所述充电开关B (Kbl)的下端接第一级后排充电电阻(Rd)的电源输入端正极、充电开关B (Kbl)的上端接第二级后排充电电阻(Rd)的电源输入端；

所述波头电阻(Rf)位于中列且跨接在第一级前排主电容(Cs)与第二级后排主电容(Cs)之间；

自下至上每一奇数级的主电容(Cs)、充电电阻(Rd)、波尾电阻(Rt)和点火开关(gap)的分布与第一级相同；每一偶数级的主电容(Cs)、充电电阻(Rd)、波尾电阻(Rt)和点火开关(gap)的分布与第二级相同；所述波头电阻(Rf)位于中列且跨接在奇数前排主电容(Cs)与偶数级后排主电容(Cs)之间；

依此类推至第25级，所述第25级前排主电容(Cs)所跨接的波头电阻(Rf)的上端接至位于最上部的顶部均压罩上。

[0009] 本发明的有益效果是:

⑴奇数级与偶数级之间，放电电流的走向是互为逆向螺旋的“8”字型走向，若奇数级放电电流为顺时针走向，则偶数级放电电流为逆时针走向，该逆向螺旋的8字型电流走向，从而在结构上抵消了回路结构电感的耦合作用，降低了回路电感在放电过程中产生的严重振荡。

[0010] ⑵本发明无需接入调波电容、结构简单、调试方便、制造成本低，实际测算本发明所述冲击电压发生器本体回路电感约为138 μ H，比发明专利《高电压大容量冲击电压发生器》(申请号CN201010524680.9)所公开技术方的回路电感降低值达20%，使得波前时间1.2 μ s标准雷电冲击波形满足IEC和GBT标准要求。

[0011] ⑶本发明冲击电压发生器的输出电压波前时间范围宽达1.2μ8〜2500μ8、充电电压7500kV，且输出效率大于70%。

附图说明

[0012] 图1是公知的冲击电压发生器电路原理图；

图2是发明专利《高电压大容量冲击电压发生器》(申请号CN201010524680.9)所公开的各元件布置结构示意图；图3是本发明一种低结构电感冲击电压发生器各元件布置结构示意图。

具体实施方式

[0013] 以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

[0014] 参见图1和图3，本发明一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，包括:充电电阻Rd、主电容Cs、点火开关gap、波头电阻Rf、波尾电阻Rt和充电开关，还包括充电变压器和硅堆；所述波尾电阻Rt阻值远远大于波头电阻Rf阻值，所述充电电阻Rd、主电容Cs、点火装置gap、波尾电阻Rt、主电容Cs、充电电阻Rd串联作为冲击发生器的一级；充电开关接在两级之间，分别和两级的充电电阻Rd的一端相连，每级两端各接有一个充电开关；波头电阻Rf —端接在本级的波尾电阻Rt和主电容Cs之间，另一端接在后一级波尾电阻Rt和主电容Cs之间，所述冲击电压发生器共25级，每级电压300kV，每一级共两个主电容Cs，每个电容的最大充电电压分别为±150kV，总最高充电电压7500kV ;所述充电变压器和硅堆是冲击电压发生器变压及整流电源，采用全波整流电路，接在第一级之前，两个硅堆输出分别通过限流电阻Ri与第一级两个充电电阻Rd连接，每个限流电阻Ri的后端还分别接有常闭式安全接地开关ESl和安全接地开关ES2 ;

充电时，各充电开关同时导通、点火开关gap断开；放电时，各充电关同时断开、点火开关导通；

所述冲击电压发生器的主体空间布置是采用前后二排、每一排分左、中、右三列的对称式立柱结构，每一级的二个主电容Cs及二个充电电阻Rd分前后排对称布置在该级平面上，所述波尾电阻Rt及点火开关gap也是水平布置在该级平面上的前后排之间且位于中列，自下至上共25级。

[0015] 第一级点火开关gap位于右列前后排之间，点火开关gap两端均并联有主电容Cs和充电电阻Rd，位于中列的波尾电阻Rt串接在二个主电容Cs的另一端。第二级点火开关gap位于左列前后排之间，点火开关gap两端均并联有主电容Cs和充电电阻Rd，位于中列的波尾电阻Rt串接在二个主电容Cs的另一端。

[0016] 前后排中列垂直方向分布有充电开关A和充电开关B，在图3中分别标不为充电开关Kal和充电开关Kbl ;其中:充电开关Kal的下端接第一级前排充电电阻Rd的电源输入端负极、充电开关Kal的上端接第二级前排充电电阻Rd的电源输入端；所述充电开关Kbl的下端接第一级后排充电电阻Rd的电源输入端正极、充电开关Kbl的上端接第二级后排充电电阻Rd的电源输入端。

[0017] 波头电阻Rf位于中列且跨接在第一级前排主电容Cs与第二级后排主电容Cs之间。

[0018] 由图3可看出，自下至上每一奇数级的主电容Cs、充电电阻Rd、波尾电阻Rt和点火开关gap的分布与第一级相同；每一偶数级的主电容Cs、充电电阻Rd、波尾电阻Rt和点火开关gap的分布与第二级相同；所述波头电阻Rf位于中列且跨接在奇数前排主电容Cs与偶数级后排主电容Cs之间，依此类推，第25级前排主电容Cs所跨接的波头电阻Rf的上端接至位于最上部的顶部均压罩上。

[0019] 本发明冲击电压发生器的本体结构是一个多个绝缘柱绝缘支撑的多级结构平台、以及安装在各级平台上的充放电回路及其功能组件，由充电限流电阻R1、充电电阻Rd、波头电阻Rf、波尾电阻Rt、主电容Cs、放电球间隙gap及充电开关连接而成的充放电回路。充电开关K分为Ka和Kb两组，同步动作。

[0020] 本发明冲击电压发生器充电前，各充电开关执行同步合闸操作，使得Kal、

Ka2.....Kan-1、Kan处于接通状态，同时Kbl、Kb2.....Kbn-1、Kbn也处于接通状态，对主电容Cs构成充电回路，实现并联充电。冲击电压发生器放电前，充电开关执行同步分闸操作，使得KaU Ka2.....Kan-UKan处于分断状态，同时使得KbU Kb2.....Kbn-1、Kbn也处于分断状态，当触发器接到触发信号后，放电球隙gap导通，主电容Cs构成串联放电回路，实现高压放电，放电电流的流向如图3中带箭头的点划线所示。

[0021] 本冲击发生器输出的高压极性与图3中输入端Ul极性相同。

[0022] 本发明冲击电压发生器的奇数级与偶数级之间，放电电流的走向是互为逆向螺旋的“8”字型走向，即如图3所示，若奇数级放电电流为顺时针走向、则偶数级放电电流为逆时针走向，相对于传统双边对称充放电回路在放电时电流呈螺旋方式流向(类似于单根螺旋弹簧的电感性负载)，本发明结构电流呈“8”字形走向，同向电流回路间距比原来增加了一倍，从而削弱了整个放电回路的电感，在结构上抵消了杂散电感的耦合作用，降低了杂散电感在放电过程中产生严重振荡，双边对称并联充电，效率高，结构简单、调试方便、制造成本低，且无需接入调波电容。实际测算本发明所述冲击电压发生器本体回路电感约为145 μ Ho

[0023] 本发明冲击电压发生器公开了由充电电阻Rd、主电容Cs、点火装置gap、波尾电阻Rt、主电容Cs、充电电阻Rd串联作为至少25级结构，其突出优点是大降低了回路结构电感，放电电流呈“8”字形走向，需要指出的是，当冲击电压发生器所需实验电压低于7500kV时，也可采用与本发明相同结构的低于25级的结构形式，同样的可达到降低结构电感有益效果O

[0024] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0025] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0026] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0027] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims

1.一种低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器，包括:充电变压器、娃堆、限流电阻(Ri)、安全接地开关、充电开关，还有自下而上依次层叠分布的至少25级充放电装置，设定最下层充放电装置为第一级，每一级充放电装置额定电压至少300kV，总最高充电电压至少 7500kV ；每一级充放电装置中，包括相互串联的充电电阻(Rd)、主电容(Cs)、点火开关(gap)、波头电阻(Rf )、波尾电阻(Rt);所述每一级充放电装置中的主电容(Cs )及充电电阻(Rd)均有二个，每个主电容(Cs)的最大充电电压分别为+150kV和-150kV，所述每一级充放电装置中的点火开关(gap)有一个；相邻两级充放电装置之间有二个充电开关，所述充电开关的两端连接在相邻两级充放电装置的充电电阻(Rd)之间；第一级充放电装置中，有波头电阻(Rf )的一端接在本级的波尾电阻(Rt)和主电容(Cs)之间，波头电阻(Rf)的另一端接在第二级充放电装置的波尾电阻(Rt)和主电容(Cs)之间；第一级充放电装置的电源输入端连接有充电变压器和硅堆，所述硅堆采用全波整流电路，两个硅堆的输出端分别串联限流电阻(Ri)后，再与第一级充放电装置的两个充电电阻(Rd)连接，所述限流电阻(Ri )与充电电阻(Rd)的连接处与地之间，均接有常闭式安全接地开关; 充电时，各充电开关同时导通、点火开关(gap)断开；放电时，各充电关同时断开、点火开关导通；所述低结构电感的高电压大容量冲击电压发生器的主体空间布置是采用前后二排、每一排分左、中、右三列的对称式立柱结构，每一级的二个主电容(Cs)及二个充电电阻(Rd)分前后排对称布置在该级平面上，所述波尾电阻(Rt)及点火开关(gap)也是水平布置在该级平面上的前后排之间且位于中列，自下至上共25级；其特征在于: 所述第一级点火开关(gap)位于右列前后排之间，点火开关(gap)两端均并联有主电容(Cs)和充电电阻(Rd)，位于中列的波尾电阻(Rt)串接在二个主电容(Cs)的另一端；所述第二级点火开关(gap)位于左列前后排之间，点火开关(gap)两端均并联有主电容(Cs)和充电电阻(Rd)，位于中列的波尾电阻(Rt)串接在二个主电容(Cs)的另一端；所述前后排中列垂直方向分布有充电开关A (Kal)和充电开关B (Kbl);所述充电开关A (Kal)的下端接第一级前排充电电阻(Rd)的电源输入端负极、充电开关A (Kal)的上端接第二级前排充电电阻(Rd)的电源输入端；所述充电开关B (Kbl)的下端接第一级后排充电电阻(Rd)的电源输入端正极、充电开关B (Kbl)的上端接第二级后排充电电阻(Rd)的电源输入端；所述波头电阻(Rf)位于中列且跨接在第一级前排主电容(Cs)与第二级后排主电容(Cs)之间；自下至上每一奇数级的主电容(Cs)、充电电阻(Rd)、波尾电阻(Rt)和点火开关(gap)的分布与第一级相同；每一偶数级的主电容(Cs)、充电电阻(Rd)、波尾电阻(Rt)和点火开关(gap)的分布与第二级相同；所述波头电阻(Rf)位于中列且跨接在奇数前排主电容(Cs)与偶数级后排主电容(Cs)之间；依此类推至第25级，所述第25级前排主电容(Cs)所跨接的波头电阻(Rf)的上端接至位于最上部的顶部均压罩上。