CN109061417A - 一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统，包括：大电流系统、高电压预电离系统、续流系统以及测控回路；其中高压预电离系统包括充电电路、储能电容、开关、硅堆和限流电阻；大电流系统包括充电回路、储能电容和开关；续流系统主要是由高压电源、硅堆、限流电阻、采样电阻构成；测控回路主要是继电器；续流系统设置采样电阻，当高压预电离系统放电击穿长间隙后，续流系统自动导通，保持长间隙导通状态的弧压，此时继电器接受采样电阻电压信号控制电流回路开关闭合，实现大电流注入长间隙。本发明适用于长间隙的大电流试验，通过视在功率平衡原则，较大程度上降低试验所需电容成本，并提高试验的安全可靠性。

Description

一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统

技术领域

本发明涉及高电压技术与脉冲功率技术，具体是一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统。

背景技术

高电压技术与脉冲功率技术虽然很成熟，但是传统方法实现长间隙的大电流注入，不仅要满足击穿该间隙的电压等级，还要满足电流等级，这就使得完成间隙长度100mm以上，10kA 注入电流的试验器材的成本特别大，比如完成间隙长度1000mm，200kA注入电流的试验，视在功率S约为200000MVA，这几乎是不可能达到的。实际脉冲试验中，有时会对1000mm 长间隙注入大电流，比如雷电防护试验中的分流条试验，目前国内现在几乎没有能力做 200mm以上的长间隙注入200kA大电流的试验。

发明内容

本发明为解决现有技术的问题，提供一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统，以期利用高压发生电路预电离长间隙的方式，在远低于长间隙击穿电压等级下实现长间隙的大电流击穿导通，从而在较大程度上降低试验所需电容成本，并提高试验的安全可靠性。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统的特点包括：大电流系统、高电压预电离系统、续流系统以及测控回路；

所述高压预电离系统包括：电压充电回路、第一储能电容C1、第一开关K1、第一硅堆 D1和第一限流电阻R1；

所述电压充电回路与第一储能电容C1并联，所述第一储能电容C1依次与第一限流电阻 R1、第一硅堆D1和第一开关K1串联后形成的电路结构与长放电间隙L并联，所述第一硅堆D1的正极接所述第一储能电容C1的高压侧，所述第一硅堆D1的负极接长放电间隙L的高压侧；

所述大电流系统包括：电流充电回路、第二储能电容C2和第二开关K2；

所述电流充电回路与第二储能电容C2并联，所述第二储能电容C2经第二开关K2与长放电间隙并联；

所述续流系统是由高压电源、第二硅堆D2、第二限流电阻R2、采样电阻Rs构成；

所述高压电源依次经第二限流电阻R2、第二硅堆D2、采样电阻Rs后与长放电间隙L串联，所述第二硅堆D2的正极接所述高压电源的高压侧，所述第二硅堆D2的负极接长放电间隙的高压侧；

所述测控回路为继电器K，所述继电器K接收来自所述采样电阻Rs的电压信号并控制所述大电流系统中第二开关K2动作；

所述电压充电回路和电流充电回路同时对第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充电，使得所述第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充满电之后，所述电压充电回路和电流充电回路自动断开；

所述高压电源启动，控制第一开关K1闭合，使得高压瞬间击穿所述长放电间隙L，以使所述长放电间隙L达到预电离状态，所述续流系统自动续流，并保持所述长放电间隙L的预电离状态直到第二开关K2闭合；

所述续流系统中的采样电阻Rs所产生的电压信号传递给继电器K，使得继电器K能控制第二开关K₂闭合，所述第二储能电容C₂的电能沿着预电离状态下的长放电间隙L的弧道放电，从而实现大电流注入长放电间隙L。

与已有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明巧妙的运用了视在功率平衡原则，利用大电流系统和高电压预电离系统分别承担功率的大电流与高压，高压预电离系统高压“小电流”击穿间隙，利用导通间隙弧道的低阻特性，大电流系统将“低压”大电流注入回路，实现长间隙的大电流注入。为了保证大电流的及时注入，采用了续流系统，保证了在大电流回路开关闭合动作完成之前，长间隙的电离状态。不仅成功实现长间隙的大电流注入，而且将试验成本大大降低。

2、本发明设备全部易于采购，组装结构简单，易于操作，是由两个不同功能的系统通过一种巧妙的方式相互协作，共同完成长间隙的大电流放电，装配简单、成本低、易操作。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的结构图。

具体实施方式

本实施例中，如图2所示，一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统，该系统适用于长间隙的大电流试验，并利用视在功率平衡原则且成本低、可靠性高、安全易操作，是一种长间隙击穿电压低等级的高压强流连续作用于长空气间隙系统，其包括：大电流系统、高电压预电离系统、续流系统以及测控回路；

如图1所示，高压预电离系统包括：电压充电回路、第一储能电容C1、第一开关K1、第一硅堆D1和第一限流电阻R1；

电压充电回路与第一储能电容C1并联，第一储能电容C1依次与第一限流电阻R1、第一硅堆D1和第一开关K1串联后形成的电路结构与长放电间隙L并联，第一硅堆D1的正极接第一储能电容C1的高压侧，第一硅堆D1的负极接长放电间隙L的高压侧；高压预电离系统高压“小电流”击穿间隙，其中，高压一般指的是kV级别，“小电流”指的是mA级别；

如图1和图2所示，大电流系统包括：电流充电回路、第二储能电容C2和第二开关K2；

电流充电回路与第二储能电容C2并联，第二储能电容C2经第二开关K2与长放电间隙并联；利用电离弧道的低阻特性，采用大电流系统实现了大电流的放电，并实现了高压大电流连续作用于长间隙。大电流系统“低压”大电流注入回路中的“低压”一般指的也是kV但远小于高压系统的电压(一般至少小一个数量级)。

如图1和图2所示，续流系统是由高压电源、第二硅堆D2、第二限流电阻R2、采样电阻Rs构成；

高压电源依次经第二限流电阻R2、第二硅堆D2、采样电阻Rs后与长放电间隙L串联，第二硅堆D2的正极接高压电源的高压侧，第二硅堆D2的负极接长放电间隙的高压侧；

如图1和图2所示，测控回路为继电器K，继电器K接收来自采样电阻Rs的电压信号并控制大电流系统中第二开关K2动作；具体实施中，测控回路可以有多种选择，不仅可以采样续流回路电压，可以检测续流回路的电流作为采样信号；控制开关动作的方法也不限于继电器k。而开关k1和k2可以是电磁机械式开关，但不限于此。

该系统的工作过程如下：

电压充电回路和电流充电回路同时对第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充电，使得第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充满电之后，电压充电回路和电流充电回路自动断开；

高压电源启动，控制第一开关K1闭合，使得高压瞬间击穿长放电间隙L，以使长放电间隙L达到预电离状态，续流系统自动导通续流，高压电源并维持长放电间隙L的预电离状态的弧压，并保持弧道导通状态，直到第二开关K2闭合；

此时续流系统中的采样电阻Rs所产生的电压传递给继电器K，使得继电器K能控制第二开关K₂闭合，第二储能电容C₂的电能沿着预电离状态下的长放电间隙L的弧道放电，从而实现大电流注入长放电间隙L，直至电容C2能量泄放完毕为止。

本系统的搭建过程为：首先搭建系统电路，已知长间隙长度，计算击穿该长间隙电压等级(10kV/mm)；其次根据已电离弧道电压(20～30V/cm)计算续流系统中高压电源的电压等级；根据试验要求电流等级以及所有已知计算结果确定所有电容、硅堆、电阻、开关型号选择，具体的说是按如下过程进行：

步骤1、确定间隙的具体放电长度：

依据间隙的具体长度L(mm)，利用式(1)计算出击穿该长度间隙所需的电压等级U(kV)：

U≈10L (1)

步骤2、设计高压发生电路参数：

依据电压等级U，确定所需高压电容容量C₁，电容数量和电容组合方式，同时确定充电变压器参数，据此电压等级选择合适的限流电阻R₁。

步骤3、设计续流系统元器件参数：

依据间隙长度L，根据处于电离状态的弧压计算(电离状态下的弧压为20～30V/m)维持电离状态所需要的电压等级，由此确定高压电压大小，设计弧道维持电流，进而确定R₂，采样电阻Rs根据继电器型号以及弧道电流选取。

具体计算公式如下：

间隙弧压：

设计弧道维持电流：I≥100mA

计算所需限流电阻：

步骤4、设计电流发生电路参数：

根据试验所需的电流等级(10kA～200kA)，预估回路放电电阻R_L，确定所需电压等级，选择合适的大电流系统的储能电容C₂容量，电容数量和电容组合方式，同时确定充电变压器参数。

步骤5、确定各部分的硅堆参数：

硅堆D₁、D₂主要是用来阻断电容C₂上的高压冲击，避免电容C₂上高压反击入续流系统和高压预电离系统，因此硅堆D₁、D₂不仅要满足各自回路的耐压特性，也要耐受电容C₂的高压冲击。一般情况下，硅堆D₁、D₂满足U_C1的1.3倍即可。

步骤6、设计测控回路：

如果采用继电器K，则只需要采样电阻的电压信号选择合适的继电器。如果采用电流互感器则需要选择量程在mA级别的电流互感器。

步骤7、搭建整个系统

根据步骤1～6确定的元器件参数，按图1安装即可。

在系统搭建完成电路之后，开始试验，首先对所有电容开始充电，待电容全部充电完成，打开高压预电离系统开关，击穿长间隙，从而使长间隙处于导通状态，此时续流系统自动续流，维持长间隙弧道的弧压，保持长间隙的击穿导通状态，同时采样电阻将自身采样电压信号传递给测控回路，以控制大电流系统开关闭合，此时弧道处于导通状态，弧阻近似为零，电流回路相当于直接对于阻抗近似为零的电路放电，由此实现大电流注入长间隙中。

综上所述，本发明首先实现了长间隙的大电流，而且试验成本很低，适用于现场工程试验，结构简单，最易实现。

Claims (1)

1.一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电系统，其特征包括：大电流系统、高电压预电离系统、续流系统以及测控回路；

所述高压预电离系统包括：电压充电回路、第一储能电容C1、第一开关K1、第一硅堆D1和第一限流电阻R1；

所述电压充电回路与第一储能电容C1并联，所述第一储能电容C1依次与第一限流电阻R1、第一硅堆D1和第一开关K1串联后形成的电路结构与长放电间隙L并联，所述第一硅堆D1的正极接所述第一储能电容C1的高压侧，所述第一硅堆D1的负极接长放电间隙L的高压侧；

所述大电流系统包括：电流充电回路、第二储能电容C2和第二开关K2；

所述电流充电回路与第二储能电容C2并联，所述第二储能电容C2经第二开关K2与长放电间隙并联；

所述续流系统是由高压电源、第二硅堆D2、第二限流电阻R2、采样电阻Rs构成；

所述高压电源依次经第二限流电阻R2、第二硅堆D2、采样电阻Rs后与长放电间隙L串联，所述第二硅堆D2的正极接所述高压电源的高压侧，所述第二硅堆D2的负极接长放电间隙的高压侧；

所述测控回路为继电器K，所述继电器K接收来自所述采样电阻Rs的电压信号并控制所述大电流系统中第二开关K2动作；

所述电压充电回路和电流充电回路同时对第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充电，使得所述第一储能电容C₁和第二储能电容C₂充满电之后，所述电压充电回路和电流充电回路自动断开；

所述高压电源启动，控制第一开关K1闭合，使得高压瞬间击穿所述长放电间隙L，以使所述长放电间隙L达到预电离状态，所述续流系统自动续流，并保持所述长放电间隙L的预电离状态直到第二开关K2闭合；

所述续流系统中的采样电阻Rs所产生的电压信号传递给继电器K，使得继电器K能控制第二开关K₂闭合，所述第二储能电容C₂的电能沿着预电离状态下的长放电间隙L的弧道放电，从而实现大电流注入长放电间隙L。