CN109061417B - 一种基于高压冲击续流的长间隙强流放电*** - Google Patents
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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***,包括:大电流***、高电压预电离***、续流***以及测控回路;其中高压预电离***包括充电电路、储能电容、开关、硅堆和限流电阻;大电流***包括充电回路、储能电容和开关;续流***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***设置采样电阻,当高压预电离***放电击穿长间隙后,续流***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
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***。
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***,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***的特点包括:大电流***、高电压预电离***、续流***以及测控回路;
所述高压预电离***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***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***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***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***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***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***和高电压预电离***分别承担功率的大电流与高压,高压预电离***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***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***,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***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***,该***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***,其包括:大电流***、高电压预电离***、续流***以及测控回路;
如图1所示,高压预电离***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***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***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***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***“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***的电压(一般至少小一个数量级)。
如图1和图2所示,续流***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***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***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***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***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***的搭建过程为:首先搭建***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***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***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:
设计弧道维持电流:I≥100mA
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RL,确定所需电压等级,选择合适的大电流***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***和高压预电离***,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UC1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***
根据步骤1~6确定的元器件参数,按图1安装即可。
在***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***开关,击穿长间隙,从而使长间隙处于导通状态,此时续流***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***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***,其特征包括:大电流***、高电压预电离***、续流***以及测控回路;
所述高压预电离***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***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***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***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***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***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。
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