CN116470390A - 采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，包括试验变压器T，高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，充电保护电阻R0的另一端分别与充电电阻R3的一端、第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳连接，第五间隙开关G5的高压连杆金属外壳分别与放电波尾电阻R8的一端、放电波前电阻R9的一端相连，放电波前电阻R9的另一端通过试品电容C5接地。本发明还公开了一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器的使用方法。本发明在原有多极冲击电压发生器基础上，对球隙开关改进为间隙开关，无需调节触发间隙条件下在低工作系数下可靠触发，触发导通范围高、可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及冲击电压发生器技术领域，尤其是一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器及方法。
背景技术
冲击电压发生器是一种用于测试绝缘材料和设备耐压强度的设备，它能够模拟各种电力系统中可能出现的过电压，以确定电气设备和绝缘材料等在此类环境下的性能。冲击电压发生器可产生高电场强度、高压脉冲，主要用于产生电气设备所能受到的最大电压值，供设备作耐压试验。球隙作为冲击电压的电极之一，通过电荷积累和放电来产生高压脉冲，但是球隙也存在着一些缺点，如：
(1)频繁调节球隙间距：在低工作系数下，各级球隙开关无法自主击穿，进而导致无法正常工作，需要调节球隙距离来实现低电压下的击穿。若需要改变其他加压值，需要对发生器内每个球隙距离进行再次调整，以实现冲击电压峰值调节的要求，操作复杂且存在动作不稳定需要多次试验性调整；
(2)容易受到环境影响：球隙的放电现象易受到环境的影响，如温度和湿度等因素，温度过高时使得球隙内气体的热运动剧烈，其分子碰撞概率增大，进而使球隙触发信号产生偏差，而高湿度可能会使球隙表面生成细小的水滴或雾霾，导致局部电场强度变化，对实验结果的准确性产生不良影响，即影响球隙的触发可靠性；
(3)触发导通具有分散性：球隙是稍不均匀场中的一种放电形式，它的触发导通具有分散性。由于在电场中场强不完全相同，电子极易受到电场的影响而运动。可以在短时间内被电场扩散开来。当电压达到气体的击穿电压时，这种分散的现象将导致两个球面之间出现不稳定点、爆发放电现象，进而导致球隙产生间接电晕现象。
可见，传统的冲击电压电极具有触发导通分散性、易受环境影响等缺陷，难以满足现代电力应用场景需求，现亟需研发一种触发范围宽、性能可靠稳定的冲击电压发生器。
发明内容
为解决传统冲击电压发生器的电极触发导通具有分散性、易受环境影响和球隙间距调节频繁等问题，本发明的首要目的在于提供一种能够触发稳定、触发范围高、无需频繁调节球隙距离的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，包括用于将试验电源升压为高压交流电的试验变压器T，其副边线圈的一端与高压硅堆D的阳极相连，其副边线圈的另一端接地，高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，高压硅堆D的阴极与充电保护电阻R0的一端连接，充电保护电阻R0的另一端分别与充电电阻R3的一端、第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳连接，第一间隙开关G1的低压金属连杆接地，充电电阻R3的另一端分别与充电电阻R5的一端、第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳连接，电容C1跨接在第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳、第二间隙开关G2的低压金属连杆之间，电阻R1接在第一间隙开关G1的低压金属连杆、第二间隙开关G2的低压金属连杆之间；充电电阻R5的另一端分别与充电电阻R7的一端、第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳连接，电容C2跨接在第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳、第三间隙开关G3的低压金属连杆之间，电阻R2接在第二间隙开关G2的低压金属连杆、第三间隙开关G3的低压金属连杆之间；充电电阻R7的另一端分别与电容C4的正极、第四间隙开关G4的高压连杆金属外壳连接，电容C3跨接在第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳、第四间隙开关G4的低压金属连杆之间，电阻R4接在第三间隙开关G3的低压金属连杆、第四间隙开关G4的低压金属连杆之间；电容C4的负极与第五间隙开关G5的低压金属连杆连接，电阻R6接在第四间隙开关G4的低压金属连杆、第五间隙开关G5的低压金属连杆之间；第五间隙开关G5的高压连杆金属外壳分别与放电波尾电阻R8的一端、放电波前电阻R9的一端相连，放电波尾电阻R8的另一端接地，放电波前电阻R9的另一端通过试品电容C5接地。
所述第一间隙开关G1、第二间隙开关G2、第三间隙开关G3、第四间隙开关G4和第五间隙开关G5的结构相同，第一间隙开关G1包括高压连杆金属外壳，高压连杆金属外壳向下设置高压金属连杆，高压连杆金属外壳的下端安装亚力克外壳，高压连杆金属外壳和高压金属连杆之间通过固定螺栓连接，高压金属连杆的下端固定安装在第一绝缘板的上板面上，高压电极固定安装在第一绝缘板的下板面上，且高压电极向上伸出金属棒，金属棒的上端位于高压金属连杆内，地电极安装在第二绝缘板的上板面，第二绝缘板的下板面安装低压金属连杆，地电极位于高压电极的正下方，且二者之间有间距，地电极内设置聚四氟乙烯触发腔，聚四氟乙烯触发腔的中心位置设置触发电极，聚四氟乙烯触发腔的底座位于第二绝缘板的中心凹槽处，且聚四氟乙烯触发腔的底座高度与中心凹槽的深度一致，聚四氟乙烯触发腔通过地电极固定在第二绝缘板上，触发电极的下端位于低压金属连杆的内腔中。
所述触发电极的下端连接导线，导线通过穿过低压金属连杆上开设的槽孔和亚克力外壳上开设的圆孔与触发电路连接。
所述高压金属连杆的下端、第一绝缘板、高压电极、地电极、金属棒、聚四氟乙烯触发腔、触发电极、第二绝缘板、低压金属连杆的上端均位于亚克力外壳内。
所述地电极接引线，该引线依次穿过第二绝缘板、亚克力外壳接地。
本发明的另一目的在于提供一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器的使用方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)调节高压电极与地电极的间隙距离，保证在触发电极未工作条件下击穿电压为100kV；
(2)试验变压器T将试验电源升压为高压交流电，通过高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，经过保护电阻R0和充电电阻对并联的n级充电电容进行充电，充电完成后每级充电电容的电压为U0；
(3)充电完成后使用脉冲电压作为触发信号给触发电极信号，形成高速喷射的等离子体射流，进而发展至高压电极和地电极中；
(4)此时第一间隙开关G1至第五间隙开关G5的高压电极和地电极发生诱导击穿，间隙开关成功同步触发；此时充电电容C1至C4串联，得到直流冲击电压4U0，隔离第五间隙开关G5触发放电，通过放电波前电阻R9和放电波尾电阻R8向试品电容C5放电。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，相较于传统球隙开关，本发明的间隙开关为活控制触发范围宽高可靠气体开关，采用诱导的触通模式，其触发电路简单，控制方式灵活，触通的可靠性大大提高，此外也避免了频发调整间隙距离，能够在低工作系数下即可达到电极自击穿电压的10％触通，触发范围宽；第二，本发明的间隙开关采用平板电极设计，相较于铜球的稍不均匀场及放电受环境参数影响，提高了相同间隙的耐受电压和减小了放电分散性，且板板均匀场的击穿电压更加稳定，可靠性大大提高；第三，本发明具有结构简单、实现成本低等优势，并且提高冲击电压发生器的触发性能，适用于多种不同工程场景，具有较大的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明中间隙开关的结构图；
图3为本发明中间隙开关的等离子体喷射示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，包括用于将试验电源升压为高压交流电的试验变压器T，其副边线圈的一端与高压硅堆D的阳极相连，其副边线圈的另一端接地，高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，高压硅堆D的阴极与充电保护电阻R0的一端连接，充电保护电阻R0的另一端分别与充电电阻R3的一端、第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳1连接，第一间隙开关G1的低压金属连杆12接地，充电电阻R3的另一端分别与充电电阻R5的一端、第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳1连接，电容C1跨接在第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳1、第二间隙开关G2的低压金属连杆12之间，电阻R1接在第一间隙开关G1的低压金属连杆12、第二间隙开关G2的低压金属连杆12之间；充电电阻R5的另一端分别与充电电阻R7的一端、第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳1连接，电容C2跨接在第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳1、第三间隙开关G3的低压金属连杆12之间，电阻R2接在第二间隙开关G2的低压金属连杆12、第三间隙开关G3的低压金属连杆12之间；充电电阻R7的另一端分别与电容C4的正极、第四间隙开关G4的高压连杆金属外壳1连接，电容C3跨接在第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳1、第四间隙开关G4的低压金属连杆12之间，电阻R4接在第三间隙开关G3的低压金属连杆12、第四间隙开关G4的低压金属连杆12之间；电容C4的负极与第五间隙开关G5的低压金属连杆12连接，电阻R6接在第四间隙开关G4的低压金属连杆12、第五间隙开关G5的低压金属连杆12之间；第五间隙开关G5的高压连杆金属外壳1分别与放电波尾电阻R8的一端、放电波前电阻R9的一端相连，放电波尾电阻R8的另一端接地，放电波前电阻R9的另一端通过试品电容C5接地。
充电保护电阻R0用于限制充电电流，以保护冲击发生器内部电路和元器件不受过电流的损害。所述放电波前电阻R9起到减小电路的响应时间，保证尽可能短的时间内产生较高的电压输出，从而提高冲击电压发生器的利用系数。所述放电波尾电阻R8在冲击电压发生器中有着重要的作用。当输出电压达到峰值后，为了使电路能够稳定地保持输出电压，需要在电路中加入放电波尾电阻R8来限制波尾电流的流动，避免电路因过度振荡而失去稳定性。此外，在冲击电压发生器上升沿的时间越短，对应的波形就越陡峭，放电波尾电阻R8的大小也就越关键。若放电波尾电阻R8不够大，会导致波形振荡不稳定，影响输出的稳定性。冲击发生器通过充电电容把电源提供的电能存储下来，等待释放。在发生冲击时，充电电容释放出储存的电能，以达到产生高电压冲击波的目的。
如图2所示，所述第一间隙开关G1、第二间隙开关G2、第三间隙开关G3、第四间隙开关G4和第五间隙开关G5的结构相同，第一间隙开关G1包括高压连杆金属外壳1，高压连杆金属外壳1向下设置高压金属连杆3，高压连杆金属外壳1的下端安装亚力克外壳，高压连杆金属外壳1和高压金属连杆3之间通过固定螺栓2连接，高压金属连杆3的下端固定安装在第一绝缘板5的上板面上，高压电极6固定安装在第一绝缘板5的下板面上，且高压电极6向上伸出金属棒8，金属棒8的上端位于高压金属连杆3内，地电极7安装在第二绝缘板9的上板面，第二绝缘板9的下板面安装低压金属连杆12，地电极7位于高压电极6的正下方，且二者之间有间距，地电极7内设置聚四氟乙烯触发腔11，聚四氟乙烯触发腔11的中心位置设置触发电极10，聚四氟乙烯触发腔11的底座位于第二绝缘板9的中心凹槽处，且聚四氟乙烯触发腔11的底座高度与中心凹槽的深度一致，聚四氟乙烯触发腔11通过地电极7固定在第二绝缘板9上，触发电极10的下端位于低压金属连杆12的内腔中。
所述第一间隙开关G1～G5为灵活控制触发范围宽高可靠气体开关，用于冲击电压发生器快速可靠的导通，使充电电容快速放电进而形成所需的冲击电压。该间隙开关采用诱导的触通模式，能够在低工作系数下(可达到电极自击穿电压的10％)触通，间隙距离调节频率可大大降低，避免了球隙开关因调节间隙距离造成的复杂操作且存在动作不稳定需要多次试验性调整的缺点；此外，该间隙开关采用平板电极设计，相较于球形电极，其电极间电场是均匀电场，可提高相同间隙条件下的耐受电压并减小了放电的分散性，触发精度更高，可靠性大大提高。
所述触发电极10的下端连接导线，导线通过穿过低压金属连杆12上开设的槽孔和亚克力外壳4上开设的圆孔与触发电路连接。当触发信号给到触发电极10，在喷口处形成高速喷射的等离子体射流，进而发展至高压电极6和地电极7中，诱导间隙开关发生击穿导通。
所述高压金属连杆3的下端、第一绝缘板5、高压电极6、地电极7、金属棒8、聚四氟乙烯触发腔11、触发电极10、第二绝缘板9、低压金属连杆12的上端均位于亚克力外壳4内。所述第一绝缘板5和第二绝缘板9均为圆形板，其大小刚好置于亚克力外壳4中。所述亚克力外壳4将高压电极6、地电极7、触发电极10、第一绝缘板5、第二绝缘板9等包裹其中，提供相对稳定的触发环境，并且高压金属连杆3、低压金属连杆12通过亚克力外壳4的顶部圆孔连接到电路中，触发电极10及地电极7的连线通过亚克力外壳4半球形上的圆孔连接到外部。
所述地电极7接引线，该引线依次穿过第二绝缘板9、亚克力外壳4接地。
所述高压金属连杆3位于高压连杆金属外壳1内且与其紧密相连，可以通过高压金属连杆3突出的把手上下调节位置，进而控制高压电极6和地电极7之间的距离，调节距离时将固定螺栓2拧松，调节完毕后拧紧固定螺栓2。
如图3所示，本方法包括下列顺序的步骤：
(1)调节高压电极6与地电极7的间隙距离，保证在触发电极10未工作条件下击穿电压为100kV；
(2)试验变压器T将试验电源升压为高压交流电，通过高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，经过保护电阻R0和充电电阻对并联的n级充电电容进行充电，充电完成后每级充电电容的电压为U0；
(3)充电完成后使用脉冲电压作为触发信号给触发电极10信号，形成高速喷射的等离子体射流，进而发展至高压电极6和地电极7中；
(4)此时第一间隙开关G1至第五间隙开关G5的高压电极6和地电极7发生诱导击穿，间隙开关成功同步触发；此时充电电容C1至C4串联，得到直流冲击电压4U0，隔离第五间隙开关G5触发放电，通过放电波前电阻R9和放电波尾电阻R8向试品电容C5放电。
改进前的冲击电压发生器采用球隙开关，产生不同电压需求时需要不断的调整各个球隙距离，而本发明中的冲击电压发生器不需要频繁调节间隙距离，在一较宽范围内均可快速、稳定的诱导击穿，完成放电。例如，若需获得小于120kV的冲击电压波形时，将单个间隙开关距离调整至无触发信号自击穿为30kV的大小，即空气条件下板板电极即高压电极6和地电极7的间隙距离调整为10mm，输出小于120kV的冲击电压波性可以将充电电容两端电压调节为Uout/4,给触发电极10触发信号诱导间隙开关触通，即发生充电电容串联放电，实现12-120kV间任意的冲击电压。如需获得200kV的冲击电压波形时，则进入输出电压36-360kV档，只需将单个间隙开关距离调整至30mm，此时空气下电极间无触发信号自击穿电压为90kV，充电电容两端电压调节为50kV，间隙开关诱导击穿后即可实现输出200kV的冲击电压波形。该电压输出范围高，需求输出电压在36-360kV范围内可直接通过调节输入电压实现，无需频繁调控间隙距离。本发明大大降低间隙调节频率，在较低加压值(低工作系数)下仍可满足高性能触发放电动作。
综上所述，本发明在原有多极冲击电压发生器基础上，对球隙开关改进为间隙开关，是一种冲击电压发生器用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置，无需调节触发间隙条件下在低工作系数下可靠触发，触发导通范围高、可靠性好。
Claims (6)
1.一种采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，其特征在于：包括用于将试验电源升压为高压交流电的试验变压器T，其副边线圈的一端与高压硅堆D的阳极相连，其副边线圈的另一端接地，高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，高压硅堆D的阴极与充电保护电阻R0的一端连接，充电保护电阻R0的另一端分别与充电电阻R3的一端、第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳连接，第一间隙开关G1的低压金属连杆接地，充电电阻R3的另一端分别与充电电阻R5的一端、第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳连接，电容C1跨接在第一间隙开关G1的高压连杆金属外壳、第二间隙开关G2的低压金属连杆之间，电阻R1接在第一间隙开关G1的低压金属连杆、第二间隙开关G2的低压金属连杆之间；充电电阻R5的另一端分别与充电电阻R7的一端、第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳连接，电容C2跨接在第二间隙开关G2的高压连杆金属外壳、第三间隙开关G3的低压金属连杆之间，电阻R2接在第二间隙开关G2的低压金属连杆、第三间隙开关G3的低压金属连杆之间；充电电阻R7的另一端分别与电容C4的正极、第四间隙开关G4的高压连杆金属外壳连接，电容C3跨接在第三间隙开关G3的高压连杆金属外壳、第四间隙开关G4的低压金属连杆之间，电阻R4接在第三间隙开关G3的低压金属连杆、第四间隙开关G4的低压金属连杆之间；电容C4的负极与第五间隙开关G5的低压金属连杆连接，电阻R6接在第四间隙开关G4的低压金属连杆、第五间隙开关G5的低压金属连杆之间；第五间隙开关G5的高压连杆金属外壳分别与放电波尾电阻R8的一端、放电波前电阻R9的一端相连，放电波尾电阻R8的另一端接地，放电波前电阻R9的另一端通过试品电容C5接地。
2.根据权利要求1所述的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，其特征在于：所述第一间隙开关G1、第二间隙开关G2、第三间隙开关G3、第四间隙开关G4和第五间隙开关G5的结构相同，第一间隙开关G1包括高压连杆金属外壳，高压连杆金属外壳向下设置高压金属连杆，高压连杆金属外壳的下端安装亚力克外壳，高压连杆金属外壳和高压金属连杆之间通过固定螺栓连接，高压金属连杆的下端固定安装在第一绝缘板的上板面上，高压电极固定安装在第一绝缘板的下板面上，且高压电极向上伸出金属棒，金属棒的上端位于高压金属连杆内，地电极安装在第二绝缘板的上板面，第二绝缘板的下板面安装低压金属连杆，地电极位于高压电极的正下方，且二者之间有间距，地电极内设置聚四氟乙烯触发腔，聚四氟乙烯触发腔的中心位置设置触发电极，聚四氟乙烯触发腔的底座位于第二绝缘板的中心凹槽处，且聚四氟乙烯触发腔的底座高度与中心凹槽的深度一致，聚四氟乙烯触发腔通过地电极固定在第二绝缘板上，触发电极的下端位于低压金属连杆的内腔中。
3.根据权利要求2所述的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，其特征在于：所述触发电极的下端连接导线，导线通过穿过低压金属连杆上开设的槽孔和亚克力外壳上开设的圆孔与触发电路连接。
4.根据权利要求2所述的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，其特征在于：所述高压金属连杆的下端、第一绝缘板、高压电极、地电极、金属棒、聚四氟乙烯触发腔、触发电极、第二绝缘板、低压金属连杆的上端均位于亚克力外壳内。
5.根据权利要求2所述的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器，其特征在于：所述地电极接引线，该引线依次穿过第二绝缘板、亚克力外壳接地。
6.根据权利要求1至5所述的采用灵活控制触发范围宽高可靠气体开关装置的冲击电压发生器的使用方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)调节高压电极与地电极的间隙距离，保证在触发电极未工作条件下击穿电压为100kV；
(2)试验变压器T将试验电源升压为高压交流电，通过高压硅堆D与试验变压器T组合将交流电转化为直流充电电源U0，经过保护电阻R0和充电电阻对并联的n级充电电容进行充电，充电完成后每级充电电容的电压为U0；
(3)充电完成后使用脉冲电压作为触发信号给触发电极信号，形成高速喷射的等离子体射流，进而发展至高压电极和地电极中；
(4)此时第一间隙开关G1至第五间隙开关G5的高压电极和地电极发生诱导击穿，间隙开关成功同步触发；此时充电电容C1至C4串联，得到直流冲击电压4U0，隔离第五间隙开关G5触发放电，通过放电波前电阻R9和放电波尾电阻R8向试品电容C5放电。
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