CN108233715A - 一种特高压直流发生器的一体化倍压整流筒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种特高压直流发生器的一体化倍压整流筒，包括：两台中频变压器和多级对称式倍压整流电路，两台中频变压器的原边分别接输入电压，且两台中频变压器原边接入的输入电压的极性相反，在输入正半周期，第一台中频变压器经第一硅堆给第一倍压电容器充电；在输入负半周期，第一倍压电容器经第三硅堆给第三倍压电容器充电的同时，第二台中频变压器经第二硅堆给第二倍压电容器充电。上一级倍压整流电路的输出端电压作为下一级倍压整流电路的输入电压。本发明提高倍压整流电路输出响应速度，降低输出电压的纹波；将倍压电路、测压电路、滤波电路进行一体化得到四柱式倍压筒，安装结构牢固可靠，便于运输和现场组装，满足工程应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及高电压设备技术领域，更具体地，涉及一种特高压直流发生器的一体化倍压整流筒。
背景技术
随着我国特高压直流输电的发展，对特高压直流试验的需求越来越大，作为特高压直流试验主要设备的特高压直流发生器的应用也日益广泛。特高压直流发生器一般由中频电源和倍压筒构成，倍压筒的设计对于特高压直流发生器的性能和体积具有决定性的影响。倍压筒的设计，主要包括元件参数的选取、倍压回路拓扑的选型、倍压筒结构的设计三个方面。
现有关于特高压直流发生器的研究文献很少，少量相关文献主要侧重于对中频电源等方面的研究，缺乏对倍压筒设计的研究。诸如倍压元件参数的选取等有关倍压筒的设计方法实际当中大多基于经验，由此导致倍压筒设计方法的科学性、合理性不足，电路虽然可用但是体积不当增大或者性能存在缺陷。
现有特高压直流发生器的倍压筒给出的倍压回路中，没有限流电阻，仅适用于较低的高电压，不适用于特高压。另外，其中给出的倍压回路适合较低的超高压，但是采用基本的倍压回路拓扑，输出电压的纹波系数较大。
现有技术也给出了适合特高压的倍压回路拓扑，但是采用了1μF/200kV的倍压电容器，仅电容器的体积就非常庞大，不适合常规特高压直流试验的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有直流发生器的倍压电路或者仅适用于较低的高电压、不适用于特高压，或者输出电压的波纹系数较大、电容器的体积较为庞大，不适合常规特高压直流试验的应用等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种特高压直流发生器的一体化倍压整流筒，包括：两台中频变压器和多级对称式倍压整流电路；
每级对称式倍压整流电路包括三个倍压电容器和四个硅堆，两台中频变压器的原边分别接输入电压，且两台中频变压器原边接入的输入电压的极性相反，第一台中频变压器T1副边的一端连接第一倍压电容器C1的一端，第一倍压电容器C1的另一端连接第一硅堆D1的阴极，第一硅堆D1的阳极连接第一台中频变压器T1副边的另一端；
第二台中频变压器T2副边的一端连接第二倍压电容器C2的一端，第二倍压电容器C2的另一端连接第二硅堆D2的阴极，第二硅堆D2的阳极连接第二台中频变压器T2副边的另一端；
第一台中频变压器T1副边的另一端和第二台中频变压器T2副边的另一端相连，且其连接点与第三倍压电容器C3的一端相连接，第三倍压电容器C3的另一端分别连接第三硅堆D3的阴极和第四硅堆D4的阴极，第三硅堆D3的阳极连接第一倍压电容器C1的另一端，第四硅堆D4的阳极连接第二倍压电容器C2的另一端；
第三倍压电容器C3的另一端作为每级2倍压电路的输出端；
在输入电压的正半周期，第一台中频变压器T1经第一硅堆D1给第一倍压电容器C1充电；在输入电压的负半周期，第一倍压电容器C1经第三硅堆D3给第三倍压电容器C3充电的同时，第二台中频变压器T2经第二硅堆D2给第二倍压电容器C2充电；
多级对称式倍压整流电路中上一级倍压整流电路的输出端电压作为下一级倍压整流电路的输入电压。
需要说明的是，第一级倍压整流电路的输入电压接两台中频变压器的副边输出电压，后续各级倍压整流电路的输入电压接其上一级倍压整流电路的输出端电压。
可选地，第一台中频变压器T1副边的另一端与第一硅堆D1阳极之间接入一个电阻Rp，第二台中频变压器T2副边的另一端与第二硅堆D2阳极之间也接入一个电阻Rp，第一硅堆D1的阴极与第三硅堆D3的阳极之间也接入一个电阻Rp，第二硅堆D2的阴极与第四硅堆D4的阳极之间也接入一个电阻Rp。
可选地，两台中频变压器的输入电压为400V方波，输出电压为67kV，频率为20kHz。
可选地，三个倍压电容器的电容值均为1nF，RP＝50kΩ。
可选地，三个倍压电容柱和一个测压柱一体化设计到一个倍压筒中。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明所提出的倍压元件参数的选取方法和所设计的倍压整流电路拓扑，提出了倍压元件参数选取的两步法，根据输出电流计算限流电阻的阻值，根据给定纹波系数计算倍压电容器的电容值。可以提高倍压整流电路输出的响应速度，降低输出电压的纹波，输出稳定性较高。
本发明将倍压电路、测压电路、滤波电路进行一体化设计的四柱式倍压筒，安装结构牢固可靠，体积和重量相对较小，便于运输和现场组装，满足工程应用的要求。
附图说明
图1为本发明提供的单级对称式倍压整流电路结构示意图；
图2为本发明提供的单级对称式倍压整流电路输出波形示意图；
图3为本发明提供的多级对称式倍压整流电路拓扑结构示意图；
图4为本发明提供的两种倍压整流电路输出电压波形对比示意图，图4a为基本倍压整流电路输出电压波形，图4b为对称式倍压整流电路输出电压波形；
图5为本发明提供的两种倍压整流电路输出电压波纹对比示意图，图5a为基本倍压整流电路输出电压波纹，图5b为对称式倍压整流电路输出电压波纹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采用两台中频变压器构成单级对称式倍压整流电路，原理如图1所示，在这种电路拓扑中输出电压不存在充、放电形成的纹波。
具体地，图1中，每级倍压整流电路包括三个倍压电容柱和两台中频变压器，两台中频变压器的原边分别接输入电压，且两台中频变压器原边接入的输入电压的极性相反，第一台中频变压器T1副边的一端连接第一倍压电容器C1的一端，第一倍压电容器C1的另一端连接第一硅堆D1的阴极，第一硅堆D1的阳极连接第一台中频变压器T1副边的另一端；
第二台中频变压器T2副边的一端连接第二倍压电容器C2的一端，第二倍压电容器C2的另一端连接第二硅堆D2的阴极，第二硅堆D2的阳极连接第二台中频变压器T2副边的另一端；第一台中频变压器T1副边的另一端和第二台中频变压器T2副边的另一端相连，且其连接点与第三倍压电容器C3的一端相连接，第三倍压电容器C3的另一端分别连接第三硅堆D3的阴极和第四硅堆D4的阴极，第三硅堆D3的阳极连接第一倍压电容器C1的另一端，第四硅堆D4的阳极连接第二倍压电容器C2的另一端；
第三倍压电容器C3的另一端作为每级2倍压电路的输出端；在输入电压的正半周期，第一台中频变压器T1经第一硅堆D1给第一倍压电容器C1充电；在输入电压的负半周期，第一倍压电容器C1经第三硅堆D3给第三倍压电容器C3充电的同时，第二台中频变压器T2经第二硅堆D2给第二倍压电容器C2充电；
多级对称式倍压整流电路中上一级倍压整流电路的输出端电压作为下一级倍压整流电路的输入电压。
可选地，第一台中频变压器T1副边的另一端与第一硅堆D1阳极之间接入一个电阻Rp，第二台中频变压器T2副边的另一端与第二硅堆D2阳极之间也接入一个电阻Rp，第一硅堆D1的阴极与第三硅堆D3的阳极之间也接入一个电阻Rp，第二硅堆D2的阴极与第四硅堆D4的阳极之间也接入一个电阻Rp。
可选地，两台中频变压器的输入电压为400V方波，输出电压为67kV，频率为20kHz。
可选地，三个倍压电容器的电容值均为1nF，Rp＝50kΩ。
在对称式倍压整流电路中，输入电源电压的正半周，变压器T1经硅堆D1给电容器C1充电；输入电源电压的负半周，电容器C1经硅堆D3给电容器C3充电的同时，变压器T2经硅堆D2给电容器C2充电。在理想条件下，输出电压波形如图2所示。
由图2可知，对称式倍压整流电路的升压速度快，即电路的响应速度快，在电路元件为理想的情况下，输出电压不存在充、放电固有的纹波。因此本发明采用图1所示的电路拓扑，构建倍压整流电路，实际设计的倍压电路拓扑如图3所示。对称式倍压整流电路虽然比基本倍压整流电路的元件数量多，但是电容器的容量较小，实际构成倍压筒的体积并不比基本倍压整流电路的体积大。其中，若干个电容器连接、安装在一起，称为电容柱。图3中，A、B、C柱为倍压电容柱，D柱为测压电阻及滤波电容柱，L1、L2为输出电压滤波电抗器。
在一个具体的示例中，若要求设计的倍压筒额定输出电压为1200kV，额定输出电流为10mA，纹波系数小于0.1％。基于上文所述的元件参数确定方法，取三个倍压电容器的电容值C＝1nF，Rp＝50kΩ。采用9级18倍压，中频变压器的输入电压为400V方波，输出电压为67kV，频率为20kHz。
ATP-EMPT是一种适用于电磁暂态分析的软件工具，该软件以电路原型为基础，连接模块节点，用数学方程的形式将各元件等值为一个复杂的数学计算过程，并利用计算机强大的计算能力，计算得到电路系统中任何点的电压、电流等量。因此本文根据以上设计的电路参数，在ATP-Draw环境下搭建电路模型，负载电阻取1200kV/10mA。利用相同的倍压级数和电路参数，分别搭建基本倍压整流电路和对称式倍压整流电路模型并进行仿真，得到的输出电压波形如图4所示。
由图4可知，对称式倍压整流输出在约0.12s时达到稳态输出电压1200kV，而参数相同的基本倍压整流电路在约0.20s时才达到稳态输出。相较于基本倍压整流电路，对称式倍压整流电路输出电压上升时间更短，响应速度更快。
两种倍压整流电路达到稳态之后的局部放大纹波如图5所示，基本倍压整流电路输出电压包络线的最大值为1.1987MV，最小值为1.1962MV，对称式倍压整流电路输出电压包络线的最大值为1.2111MV，最小值为1.2101MV。
由下式可以分别计算得到基本倍压整流电路纹波系数Sa和对称式倍压整流电路的纹波系数Sb：
其中，ΔU为最大电压与最小电压之差，UN为额定工作电压，由此可知，对称式倍压整流电路的输出电压纹波远小于基本倍压整流电路，具有良好的输出电压稳定性。
另外，本发明提供的设计，在安装倍压筒时，在外部结构设计上，除了放大上均压罩、中均压环，还加装了底部均压环，以降低局部放电的可能性。在内部结构设计上，将3个倍压电容柱、一个测压柱及T型滤波回路集成到一个筒中，实现一体化设计，以提高系统的集成度，减小装置的体积和重量。采用四柱式结构，比三柱式结构提高了装置的坚固可靠性。
在内部结构设计中，将9级18倍压回路分成6节。每节倍压筒均都采用完全对称结构设计，并有安装极性对齐标志，以便于现场安装施工。
对所设计倍压筒进行现场测试，试验结果如表1所示。
表1现场试验结果
由表1可以看出，输出电压的性能，各项参数优于相关行业标准(DL/T848.1-2004《高压试验装置通用技术条件第1部分：直流高压发生器》)的要求，设计达到了预期的目标，能够满足实际工程应用的需要。
本发明根据输出电流选取限流电阻的阻值，根据给定纹波系数选取倍压电容器的电容值，较经验法获得的元件参数更合理，减小了元件的体积。采用对称式倍压整流电路拓扑，设计出倍压电路、测压滤波电路一体化倍压筒，仿真分析和现场试验的结果表明：
本发明所提出的倍压元件参数的选取方法和所设计的倍压整流电路拓扑，可以提高倍压整流电路输出的响应速度，降低输出电压的纹波，输出稳定性较高；本发明将倍压电路、测压电路、滤波电路进行一体化设计的四柱式倍压筒，安装结构牢固可靠，体积和重量相对较小，便于运输和现场组装，满足工程应用的要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种特高压直流发生器的一体化倍压整流筒，其特征在于，包括：两台中频变压器和多级对称式倍压整流电路；
每级对称式倍压整流电路包括三个倍压电容器和四个硅堆，两台中频变压器的原边分别接输入电压，且两台中频变压器原边接入的输入电压的极性相反，第一台中频变压器T1副边的一端连接第一倍压电容器C1的一端，第一倍压电容器C1的另一端连接第一硅堆D1的阴极，第一硅堆D1的阳极连接第一台中频变压器T1副边的另一端；
第二台中频变压器T2副边的一端连接第二倍压电容器C2的一端，第二倍压电容器C2的另一端连接第二硅堆D2的阴极，第二硅堆D2的阳极连接第二台中频变压器T2副边的另一端；
第一台中频变压器T1副边的另一端和第二台中频变压器T2副边的另一端相连，且其连接点与第三倍压电容器C3的一端相连接，第三倍压电容器C3的另一端分别连接第三硅堆D3的阴极和第四硅堆D4的阴极，第三硅堆D3的阳极连接第一倍压电容器C1的另一端，第四硅堆D4的阳极连接第二倍压电容器C2的另一端；
第三倍压电容器C3的另一端作为每级对称式倍压整流电路的输出端；
在输入电压的正半周期，第一台中频变压器T1经第一硅堆D1给第一倍压电容器C1充电；在输入电压的负半周期，第一倍压电容器C1经第三硅堆D3给第三倍压电容器C3充电的同时，第二台中频变压器T2经第二硅堆D2给第二倍压电容器C2充电；
多级对称式倍压整流电路中上一级倍压整流电路的输出端电压作为下一级倍压整流电路的输入电压。
2.根据权利要求1所述的一体化倍压整流筒，其特征在于，第一台中频变压器T1副边的另一端与第一硅堆D1阳极之间接入一个电阻Rp，第二台中频变压器T2副边的另一端与第二硅堆D2阳极之间也接入一个电阻Rp，第一硅堆D1的阴极与第三硅堆D3的阳极之间也接入一个电阻Rp，第二硅堆D2的阴极与第四硅堆D4的阳极之间也接入一个电阻Rp。
3.根据权利要求1或2所述的一体化倍压整流筒，其特征在于，两台中频变压器的输入电压为400V方波，输出电压为67kV，频率为20kHz。
4.根据权利要求2所述的一体化倍压整流筒，其特征在于，三个倍压电容器的电容值均为1nF，RP＝50kΩ。
5.根据权利要求1或2所述的一体化倍压整流筒结构，其特征在于，三个倍压电容柱和一个测压柱一体化设计到一个倍压筒中。
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