CN1141592C - 脉冲电压发生器电路和用于方该电路的附加元件 - Google Patents

Abstract

一种用于产生一个闪速脉冲电压测试被试装置的电容的脉冲电压发生器电路具有两个充电级(1，2)。每级(1，2)包括有串联连接的一个浪涌电容(11，21)和一个开关火花隙(12，22)，一个与浪涌电容和开关火花隙(12，22)并联连接的并连电阻(13，23)，以及与它们串联连接的一个串联电阻(14，24)。两个级(1，2)互相连接得使它们能够并联充电且能串联放电。一个负载电容(4)连接到第二级(2)，一个用于降低加给负载电容(4)的闪速脉冲电压前沿过冲量的附加电路元件安排在第二级(2)和附加电路元件之间。附加电路元件(5)具有一个补偿电容(51)和一个与之并联的放电电阻(52)。

Description

脉冲电压发生器电路和用于该电路的附加元件

技术领域

本发明涉及一种用于产生一个闪速脉冲电压测试被试装置的电容的脉冲电压发生器电路。

背景技术

在电学上表示一个电容的物体被广泛使用脉冲电压发生器进行测试。所用的脉冲电压发生器一般都使用1924年就已知道并具有多个充电级的马克斯乘法器电路设计，在这种电路情形下，每一级具有串联连接的一个浪涌电容和一个开关器件(特别是开关火花隙)，一个与浪涌电容和开关器件并联连接的并联电阻，以及与它们串联连接的一个串联电阻，两级互相连接得使它们能够并联充电并能串联放电。

在测试被试装置的电容时，被试装置本身以及电容性脉冲电压分压器一般都连接到脉冲电压发生器电路的末级，该脉冲电压分压器在各级放电时将所产生的闪速脉冲电压降到能够用测量和记录装置处理的电平。被试装置和脉冲电压分压器的电容与所存在的寄生电容一道组成测试电路(包括有脉冲电压发生器、脉冲电压分压器、被试装置以及连接引线)的负载电容，另外，由于整个测试装置的物理尺寸的关系，还具有不可避免的电感。负载电容与这个电感一道组成一个振荡电路(用各个充电级的串联电阻来阻尼，串联电阻也叫做终端电阻、前端电阻或阻尼电阻)。除了阻尼作用之外，串联电阻还被用于调节所产生的脉冲电压上升时间。为了获得理想的上升时间，负载电容越大，串联电阻必须选择得越小。

脉冲电压发生器通常被用来产生一个符合IEC60-1(1989)1.2/50的标准闪速脉冲电压，也就是具有1.2μs±30％的上升时间和50μs±20％的半值降落时间的电压脉冲。为了遵守具体的上升时间，对于大负载电容，串联电阻必须选择得小到使所产生的闪速脉冲电压为一个阻尼振荡。标准IEC60-1允许一个超出不振荡电压曲线5％的最大过冲量。由此推出，脉冲电压发生器的理论最大负载电容(从现在起称为极限负载电容)在串联电阻将过冲限制为刚好5％和上升时间达到1.56μs的容许上限时产生。串联电阻的任何增加都会降低过冲量，但同时会增加上升时间，而串联电阻的任何降低则会缩短上升时间，但会增加过冲量。

为了增加马克斯乘法器电路的极限负载电容，已经作出各种努力使用适当布置充电级来设计具有尽可能小电感的脉冲电压发生器。例如，已知的做法包括有曲折布置充电级，将发生器中的电流分到两个相反的电流通路中，或者将所有的元件布置得非常靠近。但是，使用常规的开放结构，脉冲电压发生器的低电感设计只能影响总电感的一部分，因为包括有被试装置和连接引线在内的外部回路的尺寸决定于克服电压所需要的间距和被试装置的几何尺寸的关系，这里的改善目前只能是小范围的。

但是，用户的观点则要求有高于已知的马克斯乘法器电路的极限电容，例如用于测试SF6绝缘系统的部件。同样，对于变压器测试，脉冲电压发生器常常负载卷绕电容，再也不可能有标准的上升时间。

在CH-A-376999中，叙述了一种具有多个充电级的脉冲电压发生器电路，其中在触击脉冲电压发生器期间在脉冲电压发生器内部产生的过电压通过一个附加设置的电容来降低。但负载电容两端的闪速脉冲电压的脉冲前沿过冲不能单靠这些附加电容降低。

由CH-A-238586，知道一种脉冲电压发生器电路，它具有一个能充电且有一个浪涌电容和一个开关火花隙的单级，还有一个具有一个串联火花隙、一个电阻和一个电容的附加电路元件。这个附加的电路元件起到缩短所产生的脉冲电压上升时间的作用，但不适合于降低负载电容两端的闪速脉冲电压的脉冲前沿过冲量。

发明内容

因此，本发明就是基于提供开头提到的那种型式的脉冲电压发生器电路的目的，借助它可以获得高于已知对比电路的极限负载电容。

这个目的通过根据本发明的脉冲电压发生器电路达到。通过根据本发明的附加电路元件，可以增加开头提到的那种型式脉冲电压发生器电路的极限负载电容。

本发明最本质的特征是一种用于产生一个闪速脉冲电压供测试被试装置的电容的脉冲电压发生器电路，电路具有一个单充电级或多个充电级，能将包括有被试装置的电容在内的负载电容连接到单充电级或最末充电级，脉冲电压发生器电路设置一个附加电路元件用于减少负载电容两端的闪速脉冲电压前沿的过冲量，该附加电路元件具有一个补偿电容和至少一个与之并联连接的放电电阻或放电火花隙，脉冲电压发生器的充电级或者每一充电级包括：串联连接的一个浪涌电容和一个开关器件，一个与浪涌电容和开关器件并联连接的并联电阻，以及一个与浪涌电容、开关器件和并联电阻串联连接的串联电阻，必要时将两级互相连接得使它们能够并联充电且能够串联放电。

附加电路元件并不消减过冲的原因，只是补偿负载电容两端的电压过冲，具体地说是被试装置两端的电压过冲。本发明的基本思想是获得过冲期间负载电容两端的减压，该减压作用在过冲衰落后消失。过冲不是一般地减小，而是被补偿得在被试装置上不出现任何的电压尖脉冲。

由于减低加给负载电容的闪速脉冲电压的脉冲前沿过冲量的结果，用于根据本发明的脉冲电压发生器电路的极限负载电容便大大高于以前已知的电路，也就是说可以测试大得多的被试装置。

附图说明

下文参照五个示范性实施例并利用附图更详细地叙述根据本发明的脉冲电压发生器电路，在附图中：

图1示出具有一个充电级并具有一个带放电电阻的附加电路元件的第一电路的示意图；

图2示出具有两个充电级并且具有一个带放电电阻的附加电路元件的第二电路的示意图；

图3示出具有两个充电级并且每级配备一个带放电电阻的附加电路元件的第三电路的示意图；

图4示出具有一个充电级并且具有一个带放电火花隙的附加电路元件的第四电路的示意图；

图5示出具有两个充电级并且具有一个带放电火花隙的上游附加电路元件的第五电路的示意图；

图6示出根据本发明的具有一个外接附加元件形式的附加电路元件和一个脉冲电压分压器的脉冲电压发生器的前视图；

图7示出根据图6的带一个附加电路元件和脉冲电压分压器的脉冲电压发生器的平面视图；以及

图8示出根据本发明具有配备给各个充电级的附加电路元件的脉冲电压发生器的水平剖面图。

具体实施方式

图1

所示的测试电路包括一个具有单充电级1并具有一个附加电路元件5的脉冲电压发生器电路以及一个负载电容4。充电级1具有串联连接的一个浪涌电容11和一个开关火花隙12，以及与浪涌电容11、开关火花隙12和并联电阻13串联连接的一个串联电阻器14。

测试装置的物理尺寸形成一个具有不可避免的自电感3的测试电路，自电感3与负载电容4组成一个用串联电阻阻尼的振荡电路。

负载电容4包括被试装置的电容、电容性脉冲电压分压器的电容(它将该级放电时产生的闪速脉冲电压降低到可以用测量和记录设备处理的数值)、以及所出现的寄生电容。

附加电路元件5安排得串联在充电级1和负载电容4之间，它包括一个补偿电容51以及一个与之并联的放电电阻52，后者又和放电电阻电感53联在一起。

为了产生一个闪速脉冲电压，通过一个充电装置(未示出)对浪涌电容11充电，然后再通过触击开关火花隙12放电。这样，就产生一个电压脉冲，其电压曲线一开始快速上升(起始上升)，随后便慢慢降落(下降边沿)，补偿电容和负载电容4均在起始上升期间充电。降落也就是电压脉冲的下降边沿则通过充电级1、附加电路元件5以及负载电容4经由并联电阻13的联合放电产生。

为了产生出符合IEC60-1(1989)的1.2/50标准闪速脉冲电压，用于对大负载电容4产生适当小起始上升时间的串联电阻14必须选择得如此之小，使得所产生的闪速脉冲电压成为一个阻尼振荡，与非振荡的电压曲线相比，5％的最大过冲量是可以允许的，这就限制了最大的允许负载电容4。

所产生的加给负载电容4的闪速脉冲电压的脉冲前沿过冲的降低作用从本质上说是由附加电路元件5促成的，这是因为在起始上升期间，电压在补偿电容51和负载电容4之间分配。在这以后，过冲降落并且补偿电容51经由放电电阻52放电。一旦补偿电容51放完了电，电压分配便不存在并且负载电容4两端的电压便等于补偿电容51和负载电容4的串联电路两端的振荡电压与补偿电容51的两端的脉冲电压之差。

通过适当选择补偿电容51、放电电阻52和放电电阻电感53，并借助于附加电路元件5，本脉冲电压发生器电路的极限负载电容差不多可以增加一倍。

下面的声明适用于所有以下的叙述。在一个图包含有为使附图中含义明确起见的标号、但这些标号在直接有关的叙述中没有说明的地方，那就是引证了前面的图的叙述中提到过的地方。

图2

这个第二示范性实施例中的脉冲电压发生器电路具有两个充电级1、2，基本上用和图1所示的充电级相同的方法设计并在本段文字中说明之，在第二充电级中，浪涌电容标为21，开关火花隙标为22，并联电阻器为23，串联电阻器为24。

代替整个测试电路自电感的是两个充电级1、2的自电感15、25和外接回路的自电感30，包括附加电路元件5、被试装置、脉冲电压分压器以及连接引线都照搬到这里。

两个充电级1、2一方面经由串联电阻14互相连接，另一方面还经由一个高阻值充电电阻20互相连接。在充电期间，它们借助充电装置(未示出)直接或者经由充电电阻20并联充电。一旦开关火花隙12和22受到触击，它们便串联放电，两级1、2之间的连接经由阻值比充电电阻20相对较低的串联电阻器14接通。

所产生的加于负载电容4的闪速脉冲电压前沿过冲的降低作用是由附加电路元件5促成的，这与结合图1所说明的第一示范性实施例相似。

图3

在这个第三示范性实施例中，脉冲电压发生器电路以和前面的示范性实施例同样的方法设计。唯一的区别是，代替安排在实际的脉冲发生器外部的单附加电路元件，使用了两个适当设计的附加电路元件5，5’，各自被安排得直接串联于充电级1、2之一的下游，附加电路元件5’中的补偿电容被标为51’，放电电阻被标为52’并且放电电阻电感被标为53’。

所产生的负载电容4两端的闪速脉冲电压的脉冲前沿的过冲量的降低作用由附加电路元件5、5’促成，与前面的示范性实施例相似。

图4

除了附加电路元件6之外，所示的第四示范性实施例与第一示范性

实施例相同。

在这一情形，附加电路元件6有一个通常大于图1所示的补偿电容51的补偿电容61，并有一个可以比开关火花隙12迟些触发的放电火花隙62。

附加电路元件6的工作方式与第一示范性实施例相同。在所产生的电压脉冲起始上升期间，由补偿电容61和负载电容4组成的串联电路被充电。电压在补偿电容61和负载电容4之间分配，这就减少了负载电容4的脉冲前沿过冲。放电火花隙62大致在达到尖顶时触发，其结果使补偿电容61短路，所分的电压消失。

图5

所示的第五示范性实施例，除了附加电路元件外，与第二示范性实施例相同。

代替在第二充电级2和负载电容4之间安排一个附加电路元件，附加电路元件7在本情形下被连接到第一充电级1的上游。附加电路元件7具有一个串联连接的补偿火花隙73和补偿电容71，以及与补偿火花隙73和补偿电容4并联连接的一个充电火花隙74和放电火花隙72。

当两个充电级1、2充电时，补偿电容71也经由一个具有高电阻比较有利的充电电阻74充电。当充电级1、2放电时，补偿电容71在第一阶段通过触击也就是触发补偿火花隙73接通，使得充电级1、2上的电压减去补偿电容71上的电压。在差不多在所产生的电压脉冲达到峰值时开始的第二阶段，补偿电容71由于触击放电火花隙72而被短路。其结果是减压作用消失。

图6和7

根据本发明的所示脉冲电压发生器100具有一个外接附加电路元件50形式的附加电路元件，该元件也可换装到现已存在的脉冲电压发生器上。外接附加电路元件50的一端连接到一个常规的电容性脉冲电压分压器200(这里不作更详细的叙述)，以便将所产生的闪速脉冲电压降低到能够用测量和记录装置(未示出)处理的数值。

脉冲电压发生器100使用根据第二示范性实施例的电路设计，但使用四个充电级而不仅仅是两级，它具有浪涌电容101、102、103、104和充电电阻111、112、113。开关火花隙、并联电路以及串联电阻的位置在图6中均以虚线表示。第四充电级的开关火花隙124可以在图7看到。浪涌电容101、102、103、104借助充电装置(未示出)经由充电装置连接线192充电。充电开关193用于在脉冲电压发生器100断开或者安全保护电路断路时泄放浪涌电容101、102、103、104。各个电路元件均安装在垂直的支撑型材181上。后者则固定在一个装备有滚轮183的基架182上。盖板184则安排在最上面一级的上方。

外接附加元件50有一个两元件的补偿电容510(就是补偿电容)和一个与之并联的两元件放电电阻520，这些元件都安装在一个安装架500上。一个放电电阻元件例如说设计成交叉绕制在圆柱形绝缘管上的线绕电阻。补偿电容器510和放电电阻520的模块化结构允许与一定范围内的型号不同的脉冲电压发生器匹配。安装架500悬在脉冲电压发生器100的一个垂直支撑型材181和脉冲电压分压器200之间，但也可以例如说安装在单独的绝缘支架上。

下文是上述脉冲电压发生器100的一个具体数字的例子。这一情形的脉冲电压发生器100有一个400kV的总充电电压和一个20kJ的充电能量，并且每个充电级都配备有12Ω的串联电阻。对被试装置的电容匹配借助可更换的接串联电阻实现。电感为每级2.5，左右，同时假定被试装置外部连接线的电感为6μH。在60μH的测试电路总电感和没有任何外接附加元件50的情况下，可以根据标准测试的最大负载电容(被试装置和脉冲电压分压器200的电容以及寄生电容)为15.5nF，外接串联电阻断开。

外接附加元件50的补偿电容器510的两个元件各自具有32nF的电容量并被设计用于至少150kV的脉冲电压，它们产生一个16nF的电容量用于补偿电容510。放电电阻520具有24Ω的总电阻并且由绕组产生的放电电阻电感为3μH。此外，外接附加元件50包括有脉冲电压发生器的每个充电级的0.5Ω串联内阻，也就是说总共为2Ω的内阻，有时候还包括5Ω和10Ω的两个外接串联电阻。借助串联内阻和10Ω的外接串联电阻，脉冲电压发生器可以在符合标准IEC60-1时荷载到25nF的负载电容；串联内阻和5Ω的外接串联电阻则允许它荷载到31nF的负载电容；而利用它们本身的串联内阻，则可荷载到36nF的负载电容。

图8

根据本发明的脉冲电压发生器600使用根据第三示范性实施例的电路设计，但更有利地使用了两个以上的充电级。一级中的所述浪涌电容602构造成两个元件并连接到下面一级的附加电路元件70。附加电路元件70有一个补偿电容器710，也就是补偿电容，一个与之并联连接的放电电阻720，后者例如说构造成一个交叉绕在平板绝缘骨架上的线绕电阻。附加电路元件70经由串联电阻641连接到一个开关火花隙621. 631表示配备给开关火花隙621的并联电阻器，而用于为浪涌电容602充电的充电电阻则没有示出。设置一个电机驱动的接地机构650用来将脉冲电压发生器接地。各个电路元件均安装在一个最好配有滚轮的安装架608上。

下文是上述脉冲电压发生器600的一个具体数字的例子。这一情形下的脉冲电压发生器600具有10个充电级，具有2000kV的总充电电压和200kJ的充电能量，并且每个充电级装备有46Ω、30Ω和22Ω的串联电阻641。对被试装置的电容的匹配通过适当组合各级的串联电阻来实现，对于三个串联电阻的并联连接，每级能够达到的最小串联电阻为9.95Ω。此外，每一级具有一个大约3.5μH的电感，而对于被测试装置的外接线则假定一个18μH的电感。在53μH的测试电路总电感和没有任何附加电路元件70的情况下，可以按照标准测试的最大负载电容(被试装置和脉冲电压分压器的电容以及寄生电容)为3.85nF。此外，三级配备有一个46Ω和30Ω的串联电阻组成的并联电路，七级只配备22Ω的串联电阻，使得总的串联电阻为159Ω。

每一级中附加电路元件70的补偿电容710有一个50nF的电容并被设计用于180kV的脉冲电压。每一级的放电电阻为8Ω并且绕组产生的放电电阻电感为1.5μH。此外，附加电路元件70包含有串联电阻，这使得有可能获得10Ω、20Ω、30Ω、55Ω或70Ω的总串联电阻。因此，脉冲电压发生器能够荷载的负载电容达10.5nF，同时符合标准IEC 60-1。

可以产生出有关上述脉冲电压发生器的其他设计变化。特别是可以改变充电级数而不会有任何问题。

Claims (10)

1.用于产生一个闪速脉冲电压测试被试装置的电容的脉冲电压发生器电路，具有一个单充电级或多个充电级(1，2)，该单级或每一级具有串联连接的一个浪涌电容(11，21)和一个开关器件，一个与浪涌电容(11，21)和开关器件并联连接的并连电阻(13，23)，以及与浪涌电容、开关器件和并联电阻串联连接的一个串联电阻(14，24)，必要时将两级和互相连接得使它们能够并联充电和串联放电，可以将一个包括有被试装置的电容在内的负载电容连接到该单级或末级(1，2)，并且脉冲电压发生器电路包含一个附加电路元件(5，5’，6，7)用于减少负载电容(4)两端的闪速脉冲电压的脉冲前沿的过冲量，该附加电路元件具有一个补偿电容(51，51’，61，71)，其中所述负载电容(4)、所述附加电路元件(5，5’，6，7)和所述充电级(1，2)串联连接，其特征在于附加电路元件(5，5’，6，7)具有与补偿电容(51，51’，61，71)并联连接的一个放电电阻(52，52’)或放电火花隙(62，72)。

2.根据权利要求1的脉冲电压发生器电路，其特征在于开关器件或者说诸开关器件是一个开关火花隙(12)或者诸开关火花隙(12，22)。

3.根据权利要求1或2的脉冲电压发生器电路，其特征在于附加电路元件(5，6)或者说附加电路元件(5，5’)串联连接或分别串联连接在充电级(1，2)中的串联电阻(14，24)之后。

4.根据权利要求3具有多个充电级(1，2)的脉冲电压发生电路，其特征在于附加电路元件(5，6)或附加电路元件(5，5’)之一串联连接在最末充电级(1，2)中的串联电阻(14，24)之后。

5.根据权利要求4的脉冲电压发生器电路，其特征在于附加电路元件(5，5’，6)之一串联连接在每一充电级(1，2)中的串联电阻(14，24)之后。

6.根据权利要求1或2的脉冲电压发生器电路，其特征在于附加电路元件(7)连接在该单充电级或充电级(1)其中的一级之前。

7.根据权利要求6的脉冲电压发生器电路，其特征在于附加电路元件(7)具有串联连接的一个补偿火花隙(73)和一个补偿电容(71)以及与补偿火花隙(73)和补偿电容(71)并联连接的一个充电电阻(74)和一个放电火花隙(72)，用这样的方法使得补偿电容(71)在其后的充电级(1)充电的同时也被充电，并且在充电级(1)放电时它在第一阶段借助触击补偿火花隙(73)接通，使充电级(1)上的电压减少掉补偿电容两端的电压，并在第二阶段借助触击放电火花隙(72)而短路。

8.根据权利要求1，2，4，5，7的脉冲电压发生器电路，包含一个带有放电火花隙(62，72)的附加电路元件(6，7)，其特征在于放电火花隙的触发可以迟于该单级或每一级(1，2)的开关器件的触发。

9.用于脉冲电压发生器电路的附加电路元件，脉冲电压发生器电路产生一个闪速脉冲电压供测试被试装置的电容之用，它具一个单充电级或多个充电级(1，2)，该单级或每一级(1，2)具有串联连接的一个浪涌电容(11，21)和一个开关器件，一个与浪涌电容(11，21)和开关器件并联连接的并联电阻(13，23)，以及与浪涌电容、开关器件和并联电阻串联连接的一个串联电阻(14，24)，必要时两级(1，2)互相连接得使它们能够并联充电并能够串联放电，它可以将包括有被试装置的电容在内的负载电容连接到该单级或末级(1，2)，并且脉冲电压发生器电路包含一个附加电路元件(5，5’，6，7)用于降低负载电容(4)两端的闪速脉冲电压的脉冲前沿的过冲量，其特征在于所述附加电路元件有一个补偿电容(51，51’，61，71)以及与之并联连接的一个放电电阻(52，52’)或是一个放电火花隙(62，72)。

10.根据权利要求9的附加电路元件，其特征在于所述附加电路元件具有串联连接的一个补偿电容(71)和一个补偿火花隙(73)，以及与补偿电容(71)和补偿火花隙(73)并联连接的一个充电电阻(74)和一个放电火花隙(72)。

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