CN105675933A - 电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，220V的交流电经过升压变压器转换成高压交流电压，再经过高压硅堆转换成直流高压，直流高压输出一路接高压电容器，对高压电容器C1进行充电，一路通过由串联IGBT组成的高压固体开关接地端；高压电容器低压端一路通过电阻接放电球隙点火针，另一路通过高压电阻接地端，放电球隙球壳接地端；高频变压器通过磁耦合在副边形成相同频率的电压，副边电压经全桥整流电路整流成直流，全桥整流电路输出接串联IGBT的控制端，控制放电球隙进行稳定快速的放电，保证放电电压的稳定，同时保证脉冲振荡波形的稳定和绝缘测试采集信号的稳定、有效。

Description

电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路

技术领域

本发明涉及一种放电球隙的点火控制技术，特别涉及一种电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路。

背景技术

干式空心电抗器一般由多个同轴绕组包封组成，所有包封在电气上是并联的，在每个包封中有若干个并联连接的线圈，每层线圈又有数根小截面金属导线(一般为铝导线)并绕而成，每根导线上包有聚酷薄膜或玻璃丝作匝绝缘，每个包封用浸有环氧树脂的长玻璃丝纤维包绕.电抗器绕制完毕后，经加热固化，整个绕组包封形成一个坚固的整体。

干式空心电抗器与传统的油浸式铁心电抗器相比，具有结构简单、重量轻、体积小、线性度好、损耗低、维护方便等优点，因此得到了迅速发展和广泛应用。随着干式空心电抗器在电网中大量使用，由于产品质量潜在隐患或绝缘老化等原因，其故障逐步增加，电抗器着火燃烧事故时有发生，给电网造成了巨大的经济损失。国内外空心电抗器的运行情况和大量资料表明，线圈的匝间绝缘损坏事故在空心电抗器运行时出现的故障中占多数，而且，由于这种事故往往会造成电抗器发生匝间绝缘直接短路，导致电抗器烧毁，造成很大的直接和间接经济损失。

目前，对于高压干式电抗器的绝缘检测主要集中在绕组电阻检测、绝缘电阻检测和外施耐压等方法。当电抗器局部匝间发生短路时，对于整体的直流电阻、电感量和对地绝缘强度的影响很小，这造成这些方法在应用的过程中对于匝间故障的检测不是十分有效，尤其是当匝间短路的线圈匝数很少时（如只有1匝的情况下）。针对于上述的情况，可采用脉冲振荡原理对电抗器匝间绝缘性进行检测。在电抗器上产生所需高压振荡波是重要环节，而振荡波主要由放电球能在1秒时间内稳定放电50次来保证，因此放电球隙的控制非常重要。

发明内容

本发明是针对运用脉冲振荡原理来对电抗器匝间绝缘性进行检测时，对放电球隙放电要求高的问题，提出了一种电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，可控制放电球隙实现在某一电压下进行稳定而可靠的放电，避免传统不可控球隙在重复放电状态下电压降低的现象。

本发明的技术方案为：一种电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，包括升压变压器、IGBT固体开关、高压电容、高压硅堆、高压电阻和触发控制器，220V的交流电经过升压变压器转换成高压交流电压，再经过高压硅堆转换成直流高压，直流高压输出一路接高压电容器，对高压电容器C1进行充电，一路通过由串联IGBT组成的高压固体开关接地端；高压电容器低压端一路通过电阻接放电球隙点火针，另一路通过高压电阻接地端，放电球隙球壳接地端；触发控制器输出接串联IGBT的控制端。

所述触发控制器包括电力电子器件、高频变压器和整流电路，电力电子器件产生高频电压，高频电压接高频变压器原边，高频变压器通过电磁耦合在副边形成相同频率的电压，副边电压经全桥整流电路整流成直流，全桥整流电路输出接串联IGBT的控制端，实现对IGBT导通和关断的控制。

本发明的有益效果在于：本发明电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，可控制放电球隙实现在某一电压下进行稳定而可靠的放电，保证放电电压的稳定，同时保证脉冲振荡波形的稳定和绝缘测试采集信号的稳定、有效。

附图说明

图1为本发明脉冲振荡原理的匝间绝缘检测装置框图；

图2为本发明充电电容稳定放电的电压波形图；

图3为本发明充电电容放电电压下降的电压波形图；

图4为点火球隙结构示意图；

图5为传统的球隙点火电路图；

图6为本发明基于固体开关的点火控制电路原理图；

图7为本发明IGBT固体开关自耦方式驱动原理图。

具体实施方式

如图1所示脉冲振荡原理的匝间绝缘检测装置框图，T1为调压器；T2为高压试验变压器；D为整流硅堆；R为保护电阻；R_c为阻尼电阻；S为可控放电球隙；L为电抗器试品；C为主电容；R_H为电阻分压器高压臂电阻；R_L为电阻分压器低压臂电阻；C_H为电容分压器高压臂电容；C_L为电容分压器低压臂电容。整个系统工作原理为：首先利用高压试验变压器T₂将输入的交流升压到高压交流，然后通过高压硅堆D和保护电阻R，将交流高压变为直流高压，并通过由R_H和R_L组成的电阻分压器将输出的直流高压输入到控制单元，控制单元根据所设定的值对调压器T₁进行控制，使输出的直流高压稳定在一定的值上。接着将得到的直流高压通过阻尼电阻对高压电容C进行充电，达到试验电压，充电完成后，通过控制单元控制停止高压直流电源的输出，同时控制球隙s放电，电容C与被试线圈L、阻尼电阻R₁形成阻尼振荡。当振荡放电电压衰减到足够小时，电弧熄灭，启动直流高压电源，电容C又开始充电，循环上述过程。在振荡的过程中，采用示波器通过由C_H和C_L组成的电容分压器实现对振荡波的测量。

在电路中一般，球隙单次自然放电电压稳定。但经过多次放电会造成空气电离，球隙间的离子改变球隙间电场，自然放电电压下降。因此，在重复放电状态下，球隙的自然放电电压会迅速降低。在这种情况下，电容C上的充电电压还未达到试验电压幅值时，球隙便发生放电，这造成电抗器上得到脉冲振荡波形的幅值的降低，使试验参数达不到试验标准的要求，造成试验失败。

利用orcad软件分析球隙放电电压对脉冲振荡电路影响，可直观地说明这一现象。保护电阻为40kΩ，充电电容为6nF，电抗器试品为10mH，放电回路阻抗为50Ω，得到充电电容工作电压波形。稳定放电时，电压波形图如图2所示，充电电容每个工频周期充放电1次，充电电容上能得到接近交流电源电压峰值的充电电压。如图3所示，当球隙放电电压下降时，电容充电电压达到交流电源电压峰值前便开始放电。放电回路振荡过程结束后，放电球隙开路，交流电源继续对充电电容充电，充电电压仍能满足球隙放电电压条件，又会出现一次放电。如此，一个工频周期可能完成了多次充放电，但每次电压幅值都不能满足试验要求。

出现以上问题的原因是在重复放电条件下球隙自然放电电压下降。可尝试可控放电来解决这个问题。传统的点火球隙的结构如图4，球隙的一个球作触发球，在球隙轴心位置安装触发针。触发球和触发针之间空气绝缘，通过触发脉冲触发球与触发针之间形成放电火花畸变球隙间电场，点火脉冲发生回路如图5。先有一低压正脉冲使闸流管动作，Ca向Ra放电，于是送出一负高压脉冲使点火球点燃，同时又送出一低压脉冲去启动传统的高压示波器。在不触发状态下，球隙电场为稍不均匀电场，且间隙大，自然放电电压远大于试验电压，即使球隙间含空气电离离子也不放电。一旦触发，点火火花破坏球隙稍不均匀电场的条件，球隙发生放电。

由上面的球隙的点火脉冲发生电路可知，传统的球隙点火电路采用闸流管来实现，该方法在实际的冲击电压发生器的电路中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。但对于电抗器匝间过电压试验来讲，其要求单位时间内放电次数为50次/s，该球隙的点火电路存在如下问题：

1）、对于本系统的点火球隙来讲，其要求高压开关电压高、电流小，而对于闸流管来讲其运行电流随着电压的增加而增加，由于闸流管自身的特点，无法实现对串联低电压闸流管的同步控制。这使得对于需要较高电压等级的高压开关，则需要高电压、大电流的闸流管来实现，导致系统资源的浪费；

2）在闸流管控制的过程中，其对于闸流管栅极电压的宽度、幅度等参数要求很高，导致整个控制电路复杂；

3）闸流管在运行过程中，对于运行的条件十分苛刻，如预热时间、氢压大小、灯丝电压的稳定度、散热条件和状态监测等，这导致闸流管在恶劣的环境下很难被应用。

通过上述对采用闸流管的球隙点火电路分析，本发明采用IGBT串联的固体开关来实现，整个系统具有易于控制，受环境条件影响小等特点。如图6所示基于固体开关的点火控制电路原理图。

从上述的原理图可以看出，整个球隙的点火电路由升压变压器T、IGBT固体开关、高压电容C1、高压硅堆D1、高压电阻和球隙组成，其整个系统的过程过程为：系统首先利用高压试验变压器将220V的交流电转换成高压交流电压，然后利用高压硅堆D1将交流电转换成直流电压，完成对高压电容器C1进行充电，此时球隙的球壳和球针都接地，出于等电位，故不放电。然后利用触发控制器控制由IGBT组成的高压固体开关，使其导通，此时电容器C1的高压端接地，电容器原来接地端此时变为负电位，通过电阻R1到达球针，使球针和球壳出现电位差，在球针附近形成极不均匀电场，实现局域放电，在球隙的周围形成大量的带电粒子，从而触发存在电位差的整个球间隙击穿。对于系统中由串联IGBT组成的固体高压开关采用电磁耦合方式实现对开关导通和关断的控制，其原理如图7所示。

整个系统的工作过程为：首先利用电力电子器件，在原边形成高频电压，通过点磁耦合在副边形成相同频率的电压，然后利用全桥整流电路将高频交流电压整流成直流，从而实现对IGBT的驱动，实现开关的整体导通，当施加在原边的高频电压消失，此时副边电压消失，IGBT的驱动电压消失，IGBT同时关断，从而实现高压开关的整体关断。

Claims (2)

1.一种电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，其特征在于，包括升压变压器、IGBT固体开关、高压电容、高压硅堆、高压电阻和触发控制器，220V的交流电经过升压变压器转换成高压交流电压，再经过高压硅堆转换成直流高压，直流高压输出一路接高压电容器，对高压电容器C1进行充电，一路通过由串联IGBT组成的高压固体开关接地端；高压电容器低压端一路通过电阻接放电球隙点火针，另一路通过高压电阻接地端，放电球隙球壳接地端；触发控制器输出接串联IGBT的控制端。

2.根据权利要求1所述电抗器匝间绝缘检测装置中可控放电球隙的点火电路，其特征在于，所述触发控制器包括电力电子器件、高频变压器和整流电路，电力电子器件产生高频电压，高频电压接高频变压器原边，高频变压器通过磁耦合在副边形成相同频率的电压，副边电压经全桥整流电路整流成直流，全桥整流电路输出接串联IGBT的控制端。