一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器的製造方法
2023-12-11 18:16:02
一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，包括高壓直流電源，以及設置在一個金屬屏蔽盒內的儲能電容、氣體火花開關、儲氣罐和電容分壓器；高壓直流電源與儲能電容連接，氣體火花開關與被測分壓器連接；高壓直流電源向儲能電容充電，當充電電壓上升至氣體火花開關的擊穿電壓時，氣體火花開關擊穿向被測分壓器輸出上升沿式的方波電壓。與現有技術相比，本發明提供的一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，能夠對各種電壓等級及各種分壓比的衝擊電阻分壓器和弱阻尼電容分壓器，進行方波響應試驗以判斷其動態響應性能。
【專利說明】—種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種方波電壓發生器，具體涉及一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器。
【背景技術】
[0002]在電力系統中，為了檢驗電力設備耐受雷電衝擊過電壓的能力，需要在出廠時進行衝擊電壓耐受試驗，所以需要配備有衝擊電壓發生器及配套衝擊分壓器測量設備，用於對試驗設備進行出廠耐壓等其他性能試驗。由於雷電衝擊波形的波前時間僅為ys量級，因此衝擊電壓分壓器需有較好的動態響應特性才能保證衝擊分壓器幅值及時間測量的準確性。目前評判衝擊分壓器動態特性的方法主要採用對衝擊分壓器進行方波電壓響應試驗，通過對分壓器的方波響應波形進行分析，提取衝擊分壓器的動態響應特性參數。衝擊分壓器方波響應試驗中要求方波電壓源具有較高的幅值、寬脈寬及ns級的上升沿。
[0003]目前通常使用的方波電壓發生器包括基於汞潤開關的方波發生器、採用脈衝形成線迴路或Marx迴路並經陡化開關(通常包括氣體開關及M0SFET開關)組成的方波電壓發生器等。基於汞潤開關的方波發生器的優點是:使用方便，重頻特性好，方波上升時間可以達到ns級，但由於汞潤開關耐壓有限，普通汞潤開關只能產生(100?300)V的低壓方波，而隨著目前衝擊試驗電壓等級的提高，衝擊分壓器的分壓比不斷增大，當方波電壓信號僅為幾百伏時，在分壓器低壓側測量得到的信號相當微弱，易受周圍電磁幹擾，具有較差的信噪比，不利於分析計算。對於採用脈衝形成線或Marx電路，並經陡化開關原理設計的脈衝發生器，其輸出方波的上升時間雖然可做到很短(幾ns甚至ps級)，且幅值也可達數十千伏，但其輸出脈寬受限於脈衝形成線的長度，通常只有數百ns。由於衝擊電阻分壓器的穩定時間一般在200ns左右，弱阻尼分壓器的穩定時間更長，因此當方波電壓脈寬過小時不能計算得到分壓器的確切穩定時間。
[0004]綜上，需要提供一種能夠適用於電壓等級高的衝擊分壓器且帶載能力強、上升時間短、脈寬較寬的方波發生器，以較難準確可靠的分析衝擊分壓器方波響應特性。
【發明內容】
[0005]為了滿足現有技術的需要，本發明提供了一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，所述電壓發生器包括高壓直流電源，以及設置在一個金屬屏蔽盒內的儲能電容、氣體火花開關、儲氣罐和電容分壓器；所述高壓直流電源與儲能電容連接，所述氣體火花開關與被測分壓器連接；
[0006]所述高壓直流電源向儲能電容充電，當充電電壓上升至氣體火花開關的擊穿電壓時，氣體火花開關擊穿向被測分壓器輸出上升沿式的方波電壓；
[0007]所述電容分壓器，用於測量所述方波電壓。
[0008]優選的，所述金屬屏蔽盒的外側設有充電引線端子；所述儲能電容一端的一條支路與所述氣體火花開關連接，另一條支路通過所述充電引線端子與高壓直流電源連接；所述儲能電容另一端與接地開關連接；
[0009]優選的，所述儲能電容與所述氣體火花開關之間設有匹配電阻，用於匹配氣體火花開關擊穿時在電極上產生的折射電壓和反射電壓，從而降低所述電壓發生器輸出方波電壓的過衝；
[0010]所述儲能電容與所述高壓直流電源之間設有直流充電電阻，用於高壓直流電源開始充電的瞬間保護儲能電容；
[0011]優選的，所述儲能電容包括四個並聯的聚丙烯膜電容器，所述聚丙烯膜電容器依次連接後組成環形架構；每個聚丙烯膜電容器的電容量均為1 μ F ;
[0012]優選的，所述氣體火花開關的放電間隙為球電極間隙；通過調節氣體火花開關上的調距旋鈕改變所述球電極間隙的間隙距離；
[0013]優選的，所述氣體火花開關內充有2.5-4個大氣壓的氮氣；所述儲氣罐中存有4.5個大氣壓的氮氣；
[0014]氣壓傳感器檢測氣體火花開關內的氣壓，當所述氣壓小於預設值時，調整所述氣體火花開關與儲氣罐之間的穩壓閥的開度，儲氣罐向氣體火花開關充氣；
[0015]優選的，通過調整氣體火花開關內球電極間隙的間隙距離和氣壓的大小，改變氣體火花開關的擊穿電壓，從而調整氣體火花開關擊穿後向被測分壓器輸出的方波電壓幅值和脈寬；
[0016]優選的，所述電容分壓器設置在所述氣體火花開關的正上方，包括設置在圓盤上的按照鼠籠結構並聯連接的貼片電容；
[0017]所述電容分壓器的高壓臂電容為所述圓盤與氣體火花開關中金屬連接之間的感應電容，低壓臂電容為所述貼片電容；
[0018]所述電容分壓器中高壓臂電壓和低壓臂電壓的分壓比為1000:1 ；
[0019]優選的，所述電容分壓器的輸出端與數字示波器連接，用於測量所述電壓發生器的輸出波形；
[0020]優選的，所述方波電壓的幅值最大值為10kV，脈寬最小值為1 μ s，過衝最大值為5%。
[0021]與最接近的現有技術相比，本發明的優異效果是:
[0022]1、本發明技術方案中，儲能電容採用四個並聯的聚丙烯膜電容，該儲能電容與氣體火花開關同軸設置在金屬屏蔽盒內，結構緊湊；
[0023]2、本發明技術方案中，氣體火花開關作為放電開關，能夠產生幅值可調、最高電壓10kV、脈寬大於1μ S、上升時間小於5ns、過衝小，且波形可重複輸出的方波信號；
[0024]3、本發明技術方案中，電壓方波源中自帶的電容分壓器結構緊湊、響應快速，用於測量方波電壓發生器的輸出方波電壓，分壓比設置合理，可直接通過同軸電纜輸出至示波器用於觀測波形。
[0025]4、本發明提供的一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，性能穩定、帶負載能力強，可操作性強，抗電磁幹擾能力強，電容分壓器可直接進行方波電壓波形的測量;
[0026]5、本發明提供的一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，所接負載可為各種電壓等級及各種分壓比的衝擊電阻分壓器和弱阻尼電容分壓器，能進行衝擊電壓測量設備，陡波測量設備的方波響應試驗及其溯源方面的研究，有較大的科學研究與工程使用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0028]圖1:本發明實施例中一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器結構圖；
[0029]圖2:本發明實施例中一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器立體圖；
[0030]圖3:本發明實施例中儲能電容立體圖；
[0031]圖4:本發明實施例中儲能電容側視圖；
[0032]圖5:本發明實施例中一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器工作原理圖；
[0033]其中，1-儲能電容；2_氣體火花開關；3_電容分壓器；4_球電極間隙；5_匹配電阻；6_充電引線端子；7_方波電壓發生器輸出端；8_儲氣罐；9_金屬屏蔽盒外殼；10_接地開關；11_氣壓表；12_電容分壓器輸出端接頭；13_接地開關按鈕；14_聚丙烯膜電容器；15-聚丙烯膜電容器；16_聚丙烯膜電容器；17_聚丙烯膜電容器；18:金屬連接部件。
【具體實施方式】
[0034]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0035]本發明提供的一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器，由高壓直流源、儲能電容1、氣體火花開關2、儲氣罐8和電容分壓器3組成。該方波電壓發生器整體結構緊湊，採用同軸式結構布置；儲能電容1的一端通過一個匹配電阻5後連接氣體火花開關2的一個電極，氣體火花開關2的另一端即為方波電壓發生器的輸出端7,接負載分壓器。
[0036]如圖1和2所示，本實施例中一種衝擊分壓器性能校核用10kV方波電壓發生器包括高壓直流電源，以及設置在一個金屬屏蔽盒內的儲能電容1、氣體火花開關2、儲氣罐8和電容分壓器3 ；
[0037]高壓直流電源與儲能電容1連接，氣體火花開關2與被測分壓器連接；
[0038]高壓直流電源向儲能電容1充電，當充電電壓上升至氣體火花開關2的擊穿電壓時，氣體火花開關2擊穿向被測分壓器輸出上升沿式的方波電壓。
[0039]1、儲能電容Ca;
[0040](1)連接關係:
[0041]金屬屏蔽盒的外側設有充電引線端子6 ;儲能電容1 一端的一條支路與氣體火花開關2連接，另一條支路通過充電引線端子6與高壓直流電源連接；儲能電容1另一端與接地開關10連接。
[0042]如圖5所示，儲能電容1與氣體火花開關2之間設有匹配電阻Rb，用於匹配氣體火花開關2擊穿時在電極上產生的折射電壓和反射電壓,從而降低電壓發生器輸出方波電壓的過衝；
[0043]儲能電容1與高壓直流電源之間設有直流充電電阻Ra，用於高壓直流電源開始充電的瞬間保護儲能電容，防止電流過激。
[0044](2)內部結構:
[0045]如圖3和4所示，儲能電容I包括四個並聯的聚丙烯膜電容器14-17，聚丙烯膜電容器連接後組成環形架構；每個聚丙烯膜電容器的電容量均為I μ F。
[0046]2、氣體火花開關；
[0047]氣體火花開關2的放電間隙為球電極間隙4 ;通過調節氣體火花開關2上的調距旋鈕改變球電極間隙4的間隙距離。
[0048]氣體火花開關2內充有2.5-4個大氣壓的氮氣；儲氣罐8中存有4.5個大氣壓的氮氣；儲氣罐8外側設置的氣壓傳感器檢測氣體火花開關2內的氣壓，當氣壓小於預設值時，調整氣體火花開關2與儲氣罐8之間的穩壓閥的開度，儲氣罐8向氣體火花開關2充氣，氣壓達到預設值後，重新調整穩壓閥的開度，儲氣罐8停止向氣體火花開關2充氣。
[0049]3、電容分壓器；
[0050]用於測量氣體火花開關2輸出的方波電壓。
[0051]電容分壓器3設置在氣體火花開關2的正上方，包括設置在圓盤上的按照鼠籠結構並聯連接的貼片電容；電容分壓器3的高壓臂電容為圓盤與氣體火花開關2中金屬連接柱之間的感應電容，低壓臂電容為貼片電容；
[0052]電容分壓器3中高壓臂電壓和低壓臂電壓的分壓比為1000:1。
[0053]電容分壓器3的輸出端12與數字示波器連接，用於測量電壓發生器的輸出波形。
[0054]4、工作原理:
[0055]如圖5所示，通過調整氣體火花開關2內球電極間隙4的間隙距離和氣壓的大小，改變氣體火花開關2的擊穿電壓，從而調整氣體火花開關2擊穿後向被測分壓器輸出的方波電壓幅值和脈寬。
[0056]本實施例中電壓發生器輸出的方波電壓的幅值最大值為10kV，脈寬最小值為Ius,過衝最大值為5%。
[0057]5、本發明提供的衝擊分壓器性能校核用1kV方波電壓發生器的工作過程為:
[0058](I)依據對被測分壓器性能校核需要的方波電壓幅值，設置氣體火花開關2中球電極間隙4的間隙距離和氣壓的大小。
[0059](2)依據實驗數據表中可以查到與步驟⑴中對應的間隙距離和氣壓大小的擊穿電壓。
[0060](3)設置高壓直流電源向儲能電容I的充電電壓值，確保該電壓值略高於步驟(2)中得到的擊穿電壓。
[0061](4)氣體火花開關2擊穿放電後,讀取與電容分壓器連接的不波器中的方波電壓波形，並分析該方波電壓波形，依據方波電壓波形參數提取負載分壓器的動態響應特性參數。
[0062]該方波電壓波形為上升沿式方波波形，採用電容放電型方波產生原理，形成脈寬2us的方波，脈寬遠大於被檢測分壓器的響應穩定時間，被測分壓器對方波上升沿的響應不會干擾其對下降沿的響應，且方波下降沿後的輸出波形可長時間穩定在零電位，對被測分壓器的響應無幹擾。
[0063]電容分壓器與氣體火花開關緊湊布置於一起，其分壓比約為1000:1，通過同軸電纜接入數字示波器中，用於直接觀察方波電壓波形。當一次放電結束後，通過方波電壓發生器的接地開關將儲能電容上殘餘電荷的釋放，保證人身及設備的安全。
[0064]本發明提供的方波電壓發生器具有較強的帶載能力，既可以連接電阻為>2kQ的被測分壓器，也可以連接電容值< 400pF的弱阻尼電容分壓器，且均能保證該方波電壓發生器輸出的方波電壓的上升沿< 5ns。同時，該方波電壓發生器中的元器件均為高壓元件，耐壓特性好，壽命長，適用於現場及試驗室試驗。除高壓直流電源外，其他所有元器件均集成在金屬屏蔽盒中，高壓直流電源通過金屬屏蔽盒上的充電引線端子與儲能電容相連，使用過程中接通高壓直流電源的輸出電壓即可。
[0065]6、本發發明中電容分壓器的另一實施例為:
[0066]如圖1所示，電容分壓器固定在方波電壓發生器輸出端的金屬連接部件18上方，包括圓盤形金屬電極、貼片電容、金屬柱和BNC接頭；
[0067]電容分壓器的高壓臂包括圓盤形金屬電極，高壓臂電容為圓盤形金屬電極與金屬連接部件之間形成的感應電容；電容分壓器的低壓臂通過絕緣支柱固定在圓盤形金屬電極和金屬柱之間，包括貼片電容；貼片電容並聯連接為環形結構後焊接到PCB板上。
[0068]BNC接頭為電容分壓器的輸出端，設置在金屬柱的另一端，BNC接頭的芯線通過香蕉頭與圓盤形金屬電極連接，BNC接頭的外皮與金屬柱連接；BNC接頭連接匹配電阻後接入示波器，示波器用於觀測電容分壓器的輸出電壓波形。
[0069]高壓臂電容的容量依據圓盤形金屬電極與金屬連接部件之間的距離，以及圓盤形金屬電極的面積確定，即容量C = ε S/4 kd ；
[0070]S為圓盤形金屬電極2的面積；
[0071]d為圓盤形金屬電極2與金屬連接部件之間的距離；
[0072]k為靜電力常量；
[0073]ε為介電常數。
[0074]電容分壓器的低壓臂電容的容量為490pF。
[0075]電容分壓器中高壓臂電壓與低壓臂電壓的分壓比為1000:1。
[0076]最後應當說明的是:所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
【權利要求】
1.一種衝擊分壓器性能校核用1kV方波電壓發生器，其特徵在於，所述電壓發生器包括高壓直流電源，以及設置在一個金屬屏蔽盒內的儲能電容、氣體火花開關、儲氣罐和電容分壓器；所述高壓直流電源與儲能電容連接，所述氣體火花開關與被測分壓器連接； 所述高壓直流電源向儲能電容充電，當充電電壓上升至氣體火花開關的擊穿電壓時，氣體火花開關擊穿向被測分壓器輸出上升沿式的方波電壓； 所述電容分壓器，用於測量所述方波電壓。
2.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述金屬屏蔽盒的外側設有充電引線端子；所述儲能電容一端的一條支路與所述氣體火花開關連接，另一條支路通過所述充電引線端子與高壓直流電源連接；所述儲能電容另一端與接地開關連接。
3.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述儲能電容與所述氣體火花開關之間設有匹配電阻，用於匹配氣體火花開關擊穿時在電極上產生的折射電壓和反射電壓，從而降低所述電壓發生器輸出方波電壓的過衝； 所述儲能電容與所述高壓直流電源之間設有直流充電電阻，用於高壓直流電源開始充電的瞬間保護儲能電容。
4.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述儲能電容包括四個並聯的聚丙烯膜電容器，所述聚丙烯膜電容器依次連接後組成環形架構；每個聚丙烯膜電容器的電容量均為I μ F。
5.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述氣體火花開關的放電間隙為球電極間隙；通過調節氣體火花開關上的調距旋鈕改變所述球電極間隙的間隙距離。
6.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述氣體火花開關內充有2.5-4個大氣壓的氮氣；所述儲氣罐中存有4.5個大氣壓的氮氣； 氣壓傳感器檢測氣體火花開關內的氣壓，當所述氣壓小於預設值時，調整所述氣體火花開關與儲氣罐之間的穩壓閥的開度，儲氣罐向氣體火花開關充氣。
7.如權利要求5或6所述的電壓發生器，其特徵在於，通過調整氣體火花開關內球電極間隙的間隙距離和氣壓的大小，改變氣體火花開關的擊穿電壓，從而調整氣體火花開關擊穿後向被測分壓器輸出的方波電壓幅值和脈寬。
8.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述電容分壓器設置在所述氣體火花開關的正上方，包括設置在圓盤上的按照鼠籠結構並聯連接的貼片電容； 所述電容分壓器的高壓臂電容為所述圓盤與氣體火花開關中金屬連接柱之間的感應電容，低壓臂電容為所述貼片電容； 所述電容分壓器中高壓臂電壓和低壓臂電壓的分壓比為1000:1。
9.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述電容分壓器的輸出端與數字示波器連接，用於測量所述電壓發生器的輸出波形。
10.如權利要求1所述的電壓發生器，其特徵在於，所述方波電壓的幅值最大值為10kV，脈寬最小值為I μ S，過衝最大值為5%。
【文檔編號】G01R1/28GK104360114SQ201410666173
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】李文婷, 龍兆芝, 任想, 劉少波, 魯非 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院