CN107564752A - 一种基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，低压直流源的电压输出端与IGBT芯片的集电极相连接，高压脉冲源的接地端及高压直流源的接地端均与真空灭弧室的一端相连接，真空灭弧室的另一端与高压直流源的高压端、高压脉冲源的高压端及IGBT芯片的发射极相连接，电流检测单元的输出端及电压检测单元的输出端均与信号检测及IGBT触发控制单元的输入端相连接，信号检测及IGBT触发控制单元的输出端与IGBT芯片的门极相连接，该装置能够实现对真空灭弧室的击穿及老炼，并且击穿过程中对电源的要求较低，老炼较为充分。
Description
技术领域
本发明属于真空灭弧室老炼技术领域，涉及一种基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置。
背景技术
老炼作为真空灭弧室生产工艺的重要环节,已在电真空领域中得到了广泛应用，主要包括电流老炼、电压火花老炼、脉冲老炼技术。近年来的研究和实践结果表明，现有的老炼技术存在以下几个问题：
电流老炼可去除电极表面的气体、氧化物、微凸起等绝缘弱点，有利于抑制弧后真空间隙的击穿，从而提高真空灭弧室的大电流分断能力，但在实际应用中，直流电流老炼会造成触头表面偏烧，致使触头表面区域老炼不充分，且存在局部过老炼问题。
电压老炼可通过火花放电清除触头和屏蔽罩表面的场致增强点，从而提高真空绝缘等级。但无论是传统电压老炼技术，还是真空灭弧室两端并联电容、电感串联支路的改进型电压老炼技术，其单次放电能量、放电频率均存在较大的随机性，造成对老炼程度、老炼趋势和一致性难以有效控制。
文献(米伦.真空高压器件脉冲老炼台的研制[J].真空,2006,43(4):P23-25)及文件(米伦,刘铁,张鹏.程控真空高压器件老炼台的研制[J].信息与电子工程,2007,5(2):154-157)提出了一种高压真空器件的脉冲老炼方法，由于该装置采用了单台主电源提供击穿电压和老炼电流，因此在设计脉冲电源时，需要同时兼顾主机电源的绝缘和功率要求，成本和技术难度较高，另外，在脉冲电源的输出回路串接限流电阻进行老炼能量调节时，由于真空间隙电容效应的存在，会影响到脉冲电压的峰值，其调节方式存在较大的技术局限性。
对于脉冲老炼技术，根据文献(Xiaoshe Zhai,Wei Zhang,Xiaofei Yao,Distribution of High-Voltage and High Frequency Impulse Breakdown Sparks inConitioned Contact Surface[C],in proceedings of the 27th ISDEIV,Suzhou,China,pp 33-36.2016.Sep)的研究结果，基于窄脉冲的击穿和老炼，由于单次击穿能量是有限的和可控的，因此抑制了触头的去老炼过程，即，每次脉冲击穿总是能够定位于触头表面的绝缘弱点区域，避免击穿过程在触头表面的局部集中，从而保证了老炼的均匀度，但由于受到单次放电能量的限制，存在触头表面的老炼深度和老炼持久性不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，该装置能够实现对真空灭弧室的击穿及老炼，并且击穿过程中对电源的要求较低，老炼较为充分。
为达到上述目的，本发明所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置包括低压直流源、IGBT芯片、高压脉冲源、高压直流源、信号检测及IGBT触发控制单元、用于检测真空灭弧室上电流的电流检测单元以及用于检测真空灭弧室上电压的电压检测单元；
低压直流源的电压输出端与IGBT芯片的集电极相连接，高压脉冲源的接地端及高压直流源的接地端均与真空灭弧室的一端相连接，真空灭弧室的另一端与高压直流源的高压端、高压脉冲源的高压端及IGBT芯片的发射极相连接，电流检测单元的输出端及电压检测单元的输出端均与信号检测及IGBT触发控制单元的输入端相连接，信号检测及IGBT触发控制单元的输出端与IGBT芯片的门极相连接。
IGBT芯片的发射极依次经高压快速导通二极管及第一隔离电感与真空灭弧室相连接。
高压直流源的高压端经第二隔离电感与真空灭弧室相连接。
高压脉冲源的高压端经耦合电容与真空灭弧室相连接。
高压脉冲源的接地端经阻尼电阻与真空灭弧室相连接。
高压直流源输出的高电压Uz与高压脉冲源输出的脉冲电压Up相叠加后作用于真空灭弧室的两端，使真空灭弧室产生脉冲击穿，然后信号检测及IGBT触发控制单元控制IGBT芯片导通，通过低压直流源向真空灭弧室注入大电流对真空灭弧室进行老炼。
高压直流源输出电压的调节范围为0-50kV；高压脉冲源输出脉冲电压的峰值调节范围为0～300kV。
耦合电容的电容值为10nf，阻尼电阻的电阻值为100Ω，第一隔离电感及第二隔离电感的电感值均为100mH。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置在具体操作时，通过高压直流源输出的直流电压与高压脉冲源输出的高压脉冲相叠加，实现对真空灭弧室的击穿，相对于单一电源对真空灭弧室的击穿，本发明对电源的电压幅值要求较低，电源的击穿难度较小，同时系统的绝缘要求及成本开销较低，同时当在窄脉冲作用下的击穿老炼时，能够实现对真空灭弧室触头表面绝缘弱点的准确定位，提高整个触头表面的老炼均匀度。当真空灭弧室被击穿时，信号检测及IGBT触发单元控制IGBT芯片导通，通过低压直流源输出的大电流完成对真空灭弧室的充分老炼，结构简单，操作方便，实用性极强。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中脉冲叠加直流电压的示意图；
图3为本发明中真空灭弧室6击穿及老炼过程的原理图。
其中，1为高压直流源、2为高压脉冲源、3为低压直流源、4为耦合电容、5为第二隔离电感、6为真空灭弧室、7为电流检测单元、8为电压检测单元、9为信号检测及IGBT触发控制单元、10为IGBT芯片、11为高压快速导通二极管、12为阻尼电阻、13为第一隔离电感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置包括低压直流源3、IGBT芯片10、高压脉冲源2、高压直流源1、信号检测及IGBT触发控制单元9、用于检测真空灭弧室6上电流的电流检测单元7以及用于检测真空灭弧室6上电压的电压检测单元8；低压直流源3的电压输出端与IGBT芯片10的集电极相连接，高压脉冲源2的接地端及高压直流源1的接地端均与真空灭弧室6的一端相连接，真空灭弧室6的另一端与高压直流源1的高压端、高压脉冲源2的高压端及IGBT芯片10的发射极相连接，电流检测单元7的输出端及电压检测单元8的输出端均与信号检测及IGBT触发控制单元9的输入端相连接，信号检测及IGBT触发控制单元9的输出端与IGBT芯片10的门极相连接。
IGBT芯片10的发射极依次经高压快速导通二极管11及第一隔离电感13与真空灭弧室6相连接；高压直流源1的高压端经第二隔离电感5与真空灭弧室6相连接；高压脉冲源2的高压端经耦合电容4与真空灭弧室6相连接；高压脉冲源2的接地端经阻尼电阻12与真空灭弧室6相连接。
高压直流源1输出电压的调节范围为0-50kV；高压脉冲源2输出脉冲电压的峰值调节范围为0～300kV；耦合电容4的电容值为10nf，阻尼电阻12的电阻值为100Ω，第一隔离电感13及第二隔离电感5的电感值均为100mH。
本发明具体老炼过程可分为真空击穿阶段、续流过渡阶段及大电流引入阶段，具体的，1)先将高压直流源1输出的直流电压施加于真空灭弧室6触头的两端，以该直流电压作为真空灭弧室6的直流偏置电压，并调节该直流电压，使该直流电压的电压值小于真空灭弧室6的击穿值；2)启动高压脉冲源2，使高压脉冲源2输出的高压脉冲与上述直流电压串联叠加，然后共同作用于真空灭弧室6触头的两端，从而使真空灭弧室6被击穿；3)当信号检测及IGBT触发控制单元9根据电流检测单元7及电压检测单元8检测的结果判断得出真空灭弧室6被击穿后，则控制IGBT芯片10导通，将低压直流源3输出的大电流引入到真空灭弧室6上，使真空灭弧室6充分老炼。
需要说明的是，本发明针对真空间隙绝缘强度高、击穿难度大的问题，通过直流电压与高压脉冲相叠加，以实现真空灭弧室6的击穿，避免单一电压源击穿难度大的问题，同时降低对单一电源的电压幅值要求，从而降低系统绝缘要求及成本开销。
另外，当高压脉冲采用窄脉冲的老炼方式，真空击穿的发生总是能够定位于触头表面的绝缘弱点区域，因此，为后续的大电流引入及触头表面的均匀和充分老炼奠定良好的基础。
本发明中高压直流源1、耦合电容4及阻尼电阻12构成续流回路，该续流回路能够为真空间隙提供数微秒的单向续流电流，从而延续击穿过程，为后续大电流的引入提供检测、触发及导通时间。
本发明的具体操作过程为：
高压直流源1对耦合电容4进行充电，此时耦合电容4的电压为Uz，高压脉冲源2输出的脉冲电压Up通过耦合电容4与Uz进行叠加，然后作用于真空灭弧室6触头的两端，从而使真空灭弧室6击穿，如图2所示，当真空灭弧室6产生脉冲击穿后，通过已充电的耦合电容4及阻尼电阻12对真空灭弧室6进行放电，产生单向非振荡续流电流，电流检测单元7及电压检测单元8分别检测真空灭弧室6上的电流信号及电压信号，并将检测得到的电压信号及电流信号发送至信号检测及IGBT触发控制单元9中，信号检测及IGBT触发控制单元9根据接收的电压信号及电流信号判断真空灭弧室6是否被击穿，当真空灭弧室6被击穿时，则控制IGBT芯片10导通，使低压直流源3输出的大电流作用于真空灭弧室6上，实现真空灭弧室6的充分老炼，其中，击穿及大电流引入过程如图3所示。
低压直流源3的开路电压为1kV，电流调节范围为0～200A，单次电流老炼时间≤1ms。本发明中高压放电回路的时间常数为1微秒，按照5倍时间常数计算，续流时间为5微秒，如图3所示，满足低压大电流引入所需要的检测、触发及导通时间。第一隔离电感13及第二隔离电感5电感值均为100mH。
Claims (8)
1.一种基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，包括低压直流源(3)、IGBT芯片(10)、高压脉冲源(2)、高压直流源(1)、信号检测及IGBT触发控制单元(9)、用于检测真空灭弧室(6)上电流的电流检测单元(7)以及用于检测真空灭弧室(6)上电压的电压检测单元(8)；
低压直流源(3)的电压输出端与IGBT芯片(10)的集电极相连接，高压脉冲源(2)的接地端及高压直流源(1)的接地端均与真空灭弧室(6)的一端相连接，真空灭弧室(6)的另一端与高压直流源(1)的高压端、高压脉冲源(2)的高压端及IGBT芯片(10)的发射极相连接，电流检测单元(7)的输出端及电压检测单元(8)的输出端均与信号检测及IGBT触发控制单元(9)的输入端相连接，信号检测及IGBT触发控制单元(9)的输出端与IGBT芯片(10)的门极相连接。
2.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，IGBT芯片(10)的发射极依次经高压快速导通二极管(11)及第一隔离电感(13)与真空灭弧室(6)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，高压直流源(1)的高压端经第二隔离电感(5)与真空灭弧室(6)相连接。
4.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，高压脉冲源(2)的高压端经耦合电容(4)与真空灭弧室(6)相连接。
5.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，高压脉冲源(2)的接地端经阻尼电阻(12)与真空灭弧室(6)相连接。
6.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，高压直流源(1)输出的高电压Uz与高压脉冲源(2)输出的脉冲电压Up相叠加后作用于真空灭弧室(6)的两端，使真空灭弧室(6)产生脉冲击穿，然后信号检测及IGBT触发控制单元(9)控制IGBT芯片(10)导通，通过低压直流源(3)向真空灭弧室(6)注入大电流对真空灭弧室(6)进行老炼。
7.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，高压直流源(1)输出电压的调节范围为0-50kV；高压脉冲源(2)输出脉冲电压的峰值调节范围为0～300kV。
8.根据权利要求1所述的基于多电源合成的真空灭弧室老炼装置，其特征在于，耦合电容(4)的电容值为10nf，阻尼电阻(12)的电阻值为100Ω，第一隔离电感(13)及第二隔离电感(5)的电感值均为100mH。
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