CN110672891A - 一种用于分压器标定的方波发生器 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种用于分压器标定的方波发生器，包括直流高压源、脉冲形成线、火花间隙开关、纳秒级电阻分压器、脉冲传输线和测量装置；直流高压源用于输出直流电压为脉冲形成线充电，直流高压源包括倍压整流电路，倍压整流电路用于形成高压直流；当火花间隙开关的火花间隙被脉冲形成线的电压击穿时，火花间隙开关产生方波脉冲，方波脉冲经过纳秒级电阻分压器分压和脉冲传输线传输至测量装置，测量装置对方波发生器的输出特性进行监测。本申请中提供的用于分压器标定的方波发生器，基于脉冲形成线原理，采用直流高压源输出直流电压为脉冲形成线充电，解决了传统的频率响应法因缺少高频高压正弦波源而不能使用的问题。

Description

一种用于分压器标定的方波发生器

技术领域

本申请涉及高电压、脉冲功率技术研究领域，特别涉及一种用于分压器标定的方波发生器。

背景技术

全封闭气体绝缘组合开关电器具有占地面积小、不受大气环境影响、运行可靠性高、维护量小等优点，在电力系统中得到了广泛应用。气体绝缘开关设备(gas insulatedswitchgear，GIS)中隔离开关切合空载短母线时，开关触头间隙会发生多次重复击穿，产生特快速瞬态过电压(very fasttransient overvoltages，VFTO)。在超高压系统中，曾发生过隔离开关操作引起的设备故障，特高压系统中产生特快速瞬态过电压VFTO的问题更加突出，因此开展GIS中VFTO特性的研究是非常必要的。研究表明，VFTO的峰值一般低于2.0pu，极端情况下最大值可达到3.0pu，上升时沿＜5ns，所有与隔离开关相连的设备都要承受较强的过电压冲击。且随着输电线路电压等级的提高，设备的绝缘裕度将降低，VFTO在特高压设备上造成的危害将更大，因此在特高压GIS上开展VFTO实测的意义尤为重要。

VFTO本身的特殊性对用于其测量的系统提出了严格的要求，GIS中VFTO的测量系统应该同时具有高上限截止频率和低下限截止频率。为确保测量VFTO时的正确性，必须对所用测量系统进行恰当的标定，目的在于确定测量系统的适用范围，检验测量系统能否准确测量VFTO全过程波形。目前国内外虽对测量VFTO的方法已经进行了长期的研究，提出了电容传感器法和微积分法等多种方法，并开展了一些实际测量，但在测量系统的标定问题上仍然未能达成共识。要标定特高压GIS设备中VFTO测量用电容传感器，必须有作为比对基准的优质测量系统，并采用相互比对的方法进行。

为实现对VFTO波形的准确测量，需要对测量系统进行标定。为解决分压器标定中随着频带范围不断扩展，分压比不断扩大，现有的方波源输出方波的上升沿大多速度较慢，不能满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求。

发明内容

本申请提供了一种用于分压器标定的方波发生器，采用直流高压源输出直流电压为脉冲形成线充电，提供了一种便于携带的高电压、纳秒级、脉冲宽度可调的方波发生器，解决了分压器标定中随着频带范围不断扩展，分压比不断扩大，现有的方波源输出方波的上升沿大多速度较慢，不能满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种用于分压器标定的方波发生器，包括直流高压源、脉冲形成线、火花间隙开关、纳秒级电阻分压器、脉冲传输线和测量装置；

所述直流高压源用于输出直流电压为所述脉冲形成线充电，所述直流高压源包括倍压整流电路，所述倍压整流电路用于形成高压直流；

当所述火花间隙开关的火花间隙被所述脉冲形成线的电压击穿时，所述火花间隙开关产生方波脉冲，所述方波脉冲经过所述纳秒级电阻分压器分压和所述脉冲传输线传输至所述测量装置，所述测量装置对所述方波发生器的输出特性进行监测。

可选的，所述直流高压源还包括交流转换器和控制电路；

所述交流转换器用于对所述调压器输出的低交流电压进行升压；

所述控制电路用于将所述交流变压器输出的升压后的交流电压整流为直流电压，为所述脉冲形成线充电。

可选的，所述火花间隙开关包括开关盖、传输电缆、电极固定座和电极；

所述传输电缆与所述火花间隙开关同轴连接，所述电极间的距离为0.4mm，所述电极固定于所述电极固定座的两侧，所述电极固定座包裹在所述传输电缆外，并与所述开关盖相连构成整个火花间隙开关的支撑和屏蔽结构，所述开关盖上下两侧留有充放气口。

可选的，所述火花间隙开关产生的方波的上升时间T_r可表征为：

式中：K_t为Toepler火花常数(K_t＝50kV.ns/cm)，Δu为击穿电压kV，s为电极间距cm。

可选的，所述纳秒级电阻分压器，总阻值为50Ω；

所述纳秒级电阻分压器分别采用RJ58和RJ24型金属膜电阻器，所述纳秒级电阻分压器分压比为100:1，高压臂阻值为49.5Ω，为单个RJ58电阻；低压臂阻值为0.5欧，为4个阻值为2Ω的RJ24电阻并联组成。

可选的，所述纳秒级电阻分压器采用同轴结构。

可选的，所述直流高压源最大直流输出为5kV，所述脉冲形成线与所述脉冲传输线为长度为20m的同轴电缆。

可选的，所述方波发生器还包括高阻抗电阻和示波器；

所述高阻抗电阻设置在所述高压直流源和所述脉冲形成线之间，所述高阻抗电阻的阻值为2MΩ；

所述纳秒级电阻分压器输出端通过5m同轴电缆与所述示波器相连。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的一种用于分压器标定的方波发生器，包括直流高压源、脉冲形成线、火花间隙开关、纳秒级电阻分压器、脉冲传输线和测量装置；直流高压源用于输出直流电压为脉冲形成线充电，直流高压源包括倍压整流电路，倍压整流电路用于形成高压直流；当火花间隙开关的火花间隙被脉冲形成线的电压击穿时，火花间隙开关产生方波脉冲，方波脉冲经过纳秒级电阻分压器分压和脉冲传输线传输至测量装置，测量装置对方波发生器的输出特性进行监测。本申请中提供的用于分压器标定的方波发生器，基于脉冲形成线原理，采用直流高压源输出直流电压为脉冲形成线充电，解决了传统的频率响应法因缺少高频高压正弦波源而不能使用的问题，同时采用纳米级电阻分压器，可以满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求，采用倍压整流电路的方式形成高压直流，极大地缩小了方波发生器的体积，通过调节脉冲形成线、脉冲传输线的长度可以控制形成的方波脉冲宽度，提供了一种便于携带的高电压、纳秒级、脉冲宽度可调的方波发生器，解决了分压器标定中随着频带范围不断扩展，分压比不断扩大，现有的方波源输出方波的上升沿大多速度较慢，不能满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的图火花间隙开关内部结构示意图；

图2为本申请实施例提供的方波发生器结构原理。

附图标记说明：

1-直流高压源、2-脉冲形成线、3-火花间隙开关、4-脉冲传输线、5-纳秒级电阻分压器、6-同轴电缆、7-示波器、8-开关盖、9-传输电缆、10-电极固定座、11-电极、12-充放气口。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

方波发生器在高电压、脉冲功率技术和电磁脉冲效应研究等领域中有着重要的用途。特别是在分压器的标定中，随着技术的发展，分压器的频带范围不断扩展，分压比不断扩大，传统的频率响应法因缺少高频高压正弦波源而不能使用。利用高压方波发生器对分压器系统进行方波响应试验，可以方便的获得分压器系统的传递函数。因此研制一种便于携带的高电压、纳秒级、脉冲宽度可调的方波发生器系统变得越来越迫切。

传统的频率响应法因缺少高频高压正弦波源而不能使用的问题，需要利用高压方波发生器对分压器系统进行方波响应试验，本申请实施例提供的用于分压器标定的方波发生器，包括直流高压源1、脉冲形成线2、火花间隙开关3、纳秒级电阻分压器5、脉冲传输线4和测量装置；

所述直流高压源1用于输出直流电压为所述脉冲形成线2充电，所述直流高压源1包括倍压整流电路，所述倍压整流电路用于形成高压直流；所述直流高压源1还包括交流转换器和控制电路，所述交流转换器用于对所述调压器输出的低交流电压进行升压，所述控制电路用于将所述交流变压器输出的升压后的交流电压整流为直流电压，为所述脉冲形成线2充电。

当所述火花间隙开关3的火花间隙被所述脉冲形成线2的电压击穿时，所述火花间隙开关3产生方波脉冲，所述方波脉冲经过所述纳秒级电阻分压器5分压和所述脉冲传输线4传输至所述测量装置，所述测量装置对所述方波发生器的输出特性进行监测。具体的，脉冲形成线2以及脉冲传输线4可以是一定长度的电缆，直流高压源1对长度为L的脉冲形成线2充电，当充电电压达到火花间隙自击穿电压(静态击穿电压)U时，间隙击穿，产生一个幅值为U/2、脉宽为2L/V(V为电磁波在传输线内的传播速度)的矩形电压波，结构原理图如附图1所示，本申请通过采用倍压整流电路的方式形成高压直流，极大地缩小了纳秒级高压方波发生器的体积。

本申请中提供的用于分压器标定的方波发生器，基于脉冲形成线2原理，采用直流高压源1输出直流电压为脉冲形成线2充电，解决了传统的频率响应法因缺少高频高压正弦波源而不能使用的问题，同时采用纳米级电阻分压器，可以满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求，采用倍压整流电路的方式形成高压直流，极大地缩小了方波发生器的体积，通过调节脉冲形成线2、脉冲传输线4的长度可以控制形成的方波脉冲宽度，提供了一种便于携带的高电压、纳秒级、脉冲宽度可调的方波发生器，解决了分压器标定中随着频带范围不断扩展，分压比不断扩大，现有的方波源输出方波的上升沿大多速度较慢，不能满足标定纳秒级响应的电阻分压器的要求的问题。

可选的，所述火花间隙开关3包括开关盖8、传输电缆9、电极固定座10和电极11；

如图1所示为本申请实施例提供的火花间隙开关3内部结构示意图，如图1所示，所述传输电缆9与所述火花间隙开关3同轴连接，以减小电感；所述电极11间的距离为0.4mm，所述电极11固定于所述电极固定座10的两侧，所述电极固定座10包裹在所述传输电缆9外，并与所述开关盖8相连构成整个火花间隙开关3的支撑和屏蔽结构，所述开关盖8上下两侧留有充放气口12，为进一步减小产生方波脉冲的上升时间，在火花间隙开关3上配备充气阀，必要时可向火花开关内充入氮气，提高绝缘强度，进而在间隙距离不改变的情况下提高击穿电压，以达到减小方波上升时间的目的。

可选的，所述火花间隙开关3产生的方波的上升时间T_r可表征为：

式中：K_t为Toepler火花常数(K_t＝50kV.ns/cm)，Δu为击穿电压kV，s为电极11间距cm。

可选的，所述纳秒级电阻分压器5，总阻值R1为50Ω；

如图2所示为本申请实施例提供的方波发生器结构原理图，如图2所示，所述纳秒级电阻分压器5分别采用RJ58和RJ24型金属膜电阻器，所述纳秒级电阻分压器5分压比为100:1，R2、R3和R4构成电阻分压器，高压臂阻值R2为49.5Ω，为单个RJ58电阻；低压臂阻值R3为0.5Ω，为4个阻值为2Ω的RJ24电阻并联组成，R2与R3相加为50Ω，与脉冲形成线250Ω波阻抗相匹配，R4为电阻分压器输出电缆的前端匹配。

所述纳秒级电阻分压器5，为高压方波测量系统的关键部件，其总阻值为50Ω，以匹配脉冲传输线4。纳秒级电阻分压器5分别采用RJ58和RJ24型金属膜电阻器，具有体积小、精度高、电阻温度特性好、阻值稳定、高频性能好等优点。纳秒级电阻分压器5分压比为100:1，高压臂阻值为49.5欧，为单个RJ58电阻；低压臂阻值为0.5欧，为4个阻值为2欧姆的RJ24电阻并联组成。

可选的，所述纳秒级电阻分压器5采用同轴结构，以减少杂散参数的影响。

可选的，所述直流高压源1最大直流输出为5kV，所述脉冲形成线2与所述脉冲传输线4为长度为20m的同轴电缆6。

可选的，所述方波发生器还包括高阻抗电阻和示波器7；

所述高阻抗电阻设置在所述高压直流源和所述脉冲形成线2之间，所述高阻抗电阻的阻值为2MΩ；

所述纳秒级电阻分压器5输出端通过5m同轴电缆6与所述示波器7相连。

其中，形成方波所需的高阻抗电阻，其阻值为2MΩ；决定脉冲宽度的脉冲形成线2与脉冲传输线4为同轴电缆6，长度为20m，按照波速为2×10⁸m/s计算，可形成的方波脉冲宽度为200ns；火花间隙开关3间隙为0.4mm，实测得到的击穿电压约为1.6kV；脉冲传输线4选为0.5m，该传输线不影响方波脉冲宽度。

本申请在具体应用实施时，首先向火花间隙开关3内充入氮气，然后将交流转换器接入220V交流电源，220V交流电压通过控制电路和倍压整流电路形成最大5kV的直流电压，并通过脉冲传输线4对火花间隙开关3充电，当电压达到火花间隙的击穿电压时，间隙击穿，产生宽度为200ns的方波脉冲，所述方波脉冲经过所述纳秒级电阻分压器5分压和所述脉冲传输线4传输至所述测量装置，所述测量装置对所述方波发生器的输出特性进行监测。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，包括直流高压源、脉冲形成线、火花间隙开关、纳秒级电阻分压器、脉冲传输线和测量装置；

所述直流高压源用于输出直流电压为所述脉冲形成线充电，所述直流高压源包括倍压整流电路，所述倍压整流电路用于形成高压直流；

当所述火花间隙开关的火花间隙被所述脉冲形成线的电压击穿时，所述火花间隙开关产生方波脉冲，所述方波脉冲经过所述纳秒级电阻分压器分压和所述脉冲传输线传输至所述测量装置，所述测量装置对所述方波发生器的输出特性进行监测。

2.根据权利要求1所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述直流高压源还包括交流转换器和控制电路；

所述交流转换器用于对所述调压器输出的低交流电压进行升压；

所述控制电路用于将所述交流变压器输出的升压后的交流电压整流为直流电压，为所述脉冲形成线充电。

3.根据权利要求1所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述火花间隙开关包括开关盖、传输电缆、电极固定座和电极；

所述传输电缆与所述火花间隙开关同轴连接，所述电极间的距离为0.4mm，所述电极固定于所述电极固定座的两侧，所述电极固定座包裹在所述传输电缆外，并与所述开关盖相连构成整个火花间隙开关的支撑和屏蔽结构，所述开关盖上下两侧留有充放气口。

4.根据权利要求3所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述火花间隙开关产生的方波的上升时间T_r可表征为：

式中K_t为Toepler火花常数(K_t＝50kV.ns/cm)，Δu为击穿电压kV，s为电极间距cm。

5.根据权利要求1所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述纳秒级电阻分压器，总阻值为50Ω；

所述纳秒级电阻分压器分别采用RJ58和RJ24型金属膜电阻器，所述纳秒级电阻分压器分压比为100:1，高压臂阻值为49.5Ω，为单个RJ58电阻；低压臂阻值为0.5欧，为4个阻值为2Ω的RJ24电阻并联组成。

6.根据权利要求5所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述纳秒级电阻分压器采用同轴结构。

7.根据权利要求1所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述直流高压源最大直流输出为5kV，所述脉冲形成线与所述脉冲传输线为长度为20m的同轴电缆。

8.根据权利要求1所述的用于分压器标定的方波发生器，其特征在于，所述方波发生器还包括高阻抗电阻和示波器；

所述高阻抗电阻设置在所述高压直流源和所述脉冲形成线之间，所述高阻抗电阻的阻值为2MΩ；

所述纳秒级电阻分压器输出端通过5m同轴电缆与所述示波器相连。

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