CN205961075U - 一种方波电压发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种方波电压发生器，包括金属箱体、充电模块、放电主开关和储能电容，所述充电模块与所述储能电容连接，所述储能电容采用四个电容器并联而成，所述四个电容器成环形布置，每个电容器的一端通过一个阻尼电阻连接放电主开关的一个电极，所述放电主开关的另一端即为方波源的输出，接负载分压器。本新型的方波电压发生器性能稳定、带负载能力强，可操作性强，抗电磁干扰能力强。
Description
技术领域
本实用新型涉及电压发生器领域，特别涉及一种用于冲击分压器性能校核的方波电压发生器。
背景技术
在电力***中，为考验电力设备是否能够耐受雷电放电电压或线路开合刀闸时所产生的冲击电压，在出厂时均会对设备进行冲击耐压试验，试验时采用冲击分压器测量冲击发生器所产生的电压峰值及时间参数，由于雷电冲击波形的波前时间仅为μs量级，因此需要冲击电压分压器有较好的动态响应特性才能保证冲击分压器幅值及时间测量的准确性。目前评判冲击分压器动态特性的方法主要采用对冲击分压器进行方波电压响应试验，通过对分压器的方波响应波形进行分析，提取冲击分压器的动态响应特性参数。
冲击分压器方波响应试验中要求方波电压源具有较高的幅值、宽脉宽及ns级的上升沿。目前通常使用的方波电压发生器包括基于汞润开关的方波发生器、采用脉冲形成线回路或Marx回路并经陡化开关(通常包括气体开关及MOSFET开关)组成的方波电压发生器等。基于汞润开关的方波发生器的优点是：使用方便，重频特性好，方波上升时间可以达到ns级，但由于汞润开关耐压有限，普通汞润开关只能产生(100～300)V的低压方波，而随着目前冲击试验电压等级的提高，冲击分压器的分压比不断增大，当方波电压信号仅为几百伏时，在分压器低压侧测量得到的信号相当微弱，易受周围电磁干扰，具有较差的信噪比，不利于分析计算。对于采用脉冲形成线或Marx电路，并经陡化开关原理设计的脉冲发生器，其输出方波的上升时间虽然可做到很短(几ns甚至ps级)，且幅值也可达数十千伏，但其输出脉宽很短，通常只有数百ns。由于冲击电阻分压器的稳定时间一般在200ns左右，弱阻尼分压器的稳定时间更长，因此脉宽过小不能计算得到分压器的确切稳定时间。因此，使用上述方波发生器，较难准确可靠的对分压器阶跃波响应特性分析。
近年来，各研究单位均试图研制电压等级高、带载能力强、上升时间短、脉宽较宽的方波电压发生器，用于对各种电压等级的冲击分压器及各种负载大小的冲击分压器进行全面的方波响应特性试验。
实用新型内容
鉴于上述问题，提出了本实用新型，以便提供一种克服上述问题或至少部分地解决上述问题的一种方波电压发生器。
一种方波电压发生器，包括金属箱体、充电模块、放电主开关和储能电容，所述充电模块与所述储能电容连接，其特征在于：所述储能电容采用四个电容器并联而成，所述四个电容器成环形布置，每个电容器的一端通过一个阻尼电阻连接放电主开关的一个电极，所述放电主开关的另一端即为方波源的输出，接负载分压器。
进一步的，所述阻尼电阻用于匹配气体开关击穿时在电极上产生的电压折反射，降低输出方波电压的过冲。
进一步的，所述电容器为聚丙烯膜电容器；或者所述电容器为金属膜电容器，所述金属膜电容器为20μF、耐压1.5kV。
进一步的，所述充电模块采用高压模块电源，由24V直流电源供电，通过调节接入所述高压模块电源的调压电阻阻值，可输出0～1.5kV的直流电压。
进一步的，所述放电主开关为电磁驱动的干簧管开关。
进一步的，所述充电模块的输出端与所述每个电容器的高压极板相连，所述高压极板与所述每个电容器的高压端相连，所述四个电容器分别安装于四个金属回流筒中，所述每个电容器的低压端与每个金属回流筒相连，所述每个金属回流筒与地电极板相连；所述地电极板与所述金属箱体连接。
进一步的，所述金属回流筒为不锈钢材质，所述高压极板与所述地电极板之间通过尼龙绝缘子进行绝缘；在所述金属回流筒的内部，所述电容器的高压端与所述金属回流筒也采用尼龙绝缘子进行绝缘。
进一步的，所述高压极板与所述主开关的电极经阻值为开关导通时的波阻抗的匹配电阻相连。
进一步的，所述放电主开关置于主开关金属筒中，所述放电主开关的触发线圈绕制在线圈尼龙骨架上；当所述电容器上的充电电压达到目标充电电压时，向所述放电主开关发送触发信号，所述放电主开关闭合，电压经过所述放电主开关及与电缆接头连接的回路负载后，再经过所述金属回流筒回到所述地电极板上。
进一步的，所述储能电容连接有分压器，所述分压器的低压臂示数与安装于所述金属箱体表面的显示模块连接，用于在充电过程中实时监测所述储能电容上的充电电压。
本新型的方波电压发生器整体结构紧凑，采用同轴式结构布置，可以产生幅值可调、最高电压为1V，脉宽为2ms，上升时间<5ns、过冲小、波形可重复的高压方波信号。本新型的方波电压发生器性能稳定、带负载能力强，可操作性强，抗电磁干扰能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本实用新型一种实施例的方波发生器放电原理示意图。
图2为本实用新型一种实施例的方波发生器充电回路原理示意图。
图3为本实用新型一种实施例的方波发生器的结构示意图。
图4为本实用新型一种实施例的方波发生器的主面板结构示意图。
图5为本实用新型一种实施例的方波发生器的同轴结构的电容器的结构示意图。
其中，1-金属箱体；2-金属回流筒；3-主开关金属筒；4-干簧管开关；5-线圈尼龙骨；6-地电极板；7-高电极板；8-尼龙绝缘子；9-24V直流电源；10-电缆接头；11-绝缘支撑柱；12-LED显示模块；13-调压电阻旋钮；14-回路总开关按钮；15-触发开关按钮；16-220V交流插孔；17-电容器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细的描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能更透彻的理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示为电容放电产生方波的原理图，C为储能电容；L为回路固有电感；RL为负载电阻；r为匹配开关导通时的等效波阻抗的电阻；S为主开关；C0为回路杂散电容。储能电容C由直流充电模块充电至预设电压U，主开关S导通后，储能电容C经电感L及阻尼电阻r后对负载RL放电，产生冲击电压，形成快速上升的波前和缓慢下降的波尾。调节并控制回路的参数，即可产生预期的波形。
如图2所示为充电回路原理图，其中Rt为调压电阻，R0为固定电阻。充电的直流电源模块由24V直流电源供电，通过调节与直流电源模块相连的可调调压电阻Rt阻值，为了限制直流电源模块的充电电流，与直流电源模块连接有一个固定电阻R0，可使得直流电源模块输出0～1.5kV间可调的直流电压，直流电源模块直接与储能电容C相连，为了监测储能电容C上的充电电压，设置了一个分压器F1，分压器F1的低压臂示数与安装于金属箱体表面的数显LED显示模块相连，这样在充电过程中可以实时直观监测储能电容C上的充电电压。
如图3、图4所示，一种方波电压发生器，包括金属箱体1、充电模块和储能电容，其中，储能电容采用四个电容器17并联而成，四个电容器17成环形布置，每个电容器17的一端通过一个阻尼电阻连接放电主开关的一个电极，放电主开关的另一端即为方波源的输出，接负载分压器。电容器17为聚丙烯膜电容器；金属箱体1具有良好的抗干扰性能；阻尼电阻用于匹配气体开关击穿时在电极上产生的电压折反射，降低输出方波电压的过冲。
进一步的，充电模块采用高精度的高压模块电源，该模块电源采用24V直流电源9供电，通过调节接入模块电源的调压电阻阻值(对应调压电阻旋钮13)，可输出0～1.5kV的直流电压；放电主开关为电磁驱动的干簧管开关4，采用干簧管作为放电开关导通时间短且重复特性好。24V直流电源9的电压输出端与电容器17的高压极板7相连，高压极板7与4个电容器17的高压端相连，四个电容器17分别安装于四个金属回流筒2中，金属回流筒2为不锈钢材质，可以有效降低并联电容的涡流损耗，同时由于与电容的低压端相连，确保电容处在地电位的电磁环境中，也对环境中的电磁干扰进行屏蔽作用，金属回流筒2与地电极板6相连。在金属回流筒2的内部，电容器17的高压端与金属回流筒2也采用尼龙绝缘子8进行绝缘，电容器17的低压端与金属回流筒相连，为了避免电磁干扰，主开关(干簧管开关)4同样置于主开关金属筒3中，主开关4的触发线圈绕制在线圈尼龙骨架5上。当电容器17上的充电电压达到目标充电电压时，通过触发开关15给主开关4发送触发信号，主开关4闭合，电压经过主开关4及与电缆接头10连接的回路负载后，再经过金属回流筒2回到地电极板6上。方波电压由储能电容经过主开关对负载分压器放电后产生。高压极板7与地电极板6之间通过尼龙绝缘子8进行绝缘，具体的，通过4个1cm高的尼龙绝缘支柱进行隔离绝缘，其结构类似于平行电容极板。地电极板6与金属箱体1相连，确保为零电位；高压极板7与主开关4的电极经阻值约为开关导通时的波阻抗的匹配电阻相连。
进一步的，储能电容还可以采用4个20μF、耐压为1.5kV的金属膜电容器并联，金属膜电容为圆筒状，四个电容器并联总电容量为80μF，保证了方波电压发生器良好的带载能力，回路中采用了100Ω的匹配电阻用于匹配开关击穿时产生的电压折返射，有效减小了方波电压的过冲大小。当储能电容上的电压上升至目标输出电压值时，按下触发开关按钮15，干簧管开关4收到触发信号后导通，从而在负载上形成一个上升沿式的方波电压。根据方波电压源输出的最高电压确定充电模块中的串联电阻值，利用高压直流电源对储能电容预充电，对负载快速充电形成较快上升沿，其中，采用电容放电型方波产生原理，形成脉宽2ms的方波，脉宽远大于被检测分压器的响应稳定时间，分压器对方波上升沿的响应不会干扰其对下降沿的响应，且方波下降沿后输出波形可长时间稳定在零电位，对分压器的响应无干扰。
为准确测量主电容上的充电电压，装置还设计了一直流分压器及LED显示模块12来显示主电容上的充电电压。直流分压器的分压比为20:1，测量范围为0-2kV。在使用该方波电压发生器时，首先采用电源线将交流220V电源与插孔16相连，将电缆头10连接上同轴电缆测量线，电缆测量线的另一端与测量示波器相连；再打开金属箱体面板上的按钮14，缓慢调节旋钮13，同时观察LED显示模块12中所显示的电压值，当LED显示模块12中所显示的电压值接近目标充电电压值时，停止旋动按钮，同时按下按钮15，此时可在与电缆接头10相连接的测量示波器界面上观测到方波电压波形。当方波电压发生器不接负载时，电缆10与示波器连接，可通过示波器观测方波电压发生器输出的电压波形，当方波电压发生器需要连接进行方波响应试验的负载时，将电缆10的芯线通过铜导线将方波电压的高压端引出，与负载试品连接。回路总开关按钮14与直流电源9相连，按下按钮14后即打开了24V直流电源开关。
本新型的方波发生器由于主电容由4个电容器并联，因此减小了回路电感；同轴结构能够尽可能缩短放电回路体积；阻尼电阻使用低电感高压电阻。该电压源回路中杂散电感＜100nH，方波电压源在带载与空载情况下输出电压波形上升时间均小于5ns。
本新型的方波发生器用于对冲击分压器动态特性进行校核，可输出最高电压为1kV、脉宽大于2ms、过冲小于5％的方波，可挂接阻值大于等于2kΩ的电阻分压器具有较强的带载能力，当负载冲击分压器的电阻为≥2kΩ时均能保证发生器输出的方波电压上升沿＜5ns。其中，发生器中采用的元器件均为高压元件，耐压特性好，寿命长，适用于现场及试验室试验。方波源的所有元器件模块均集成在全屏蔽的金属盒中，电源和测量电缆通过盒上的端口相连，使用过程中接通电源后，调节方波电压幅值旋钮，通过LED显示观察直流电压充电幅值至目标电压后，按下触发按钮即可输出方波电压。本新型的方波发生器所接负载可为各种电压等级及各种分压比的冲击电阻分压器，能进行冲击电压测量设备，陡波测量设备的方波响应试验及其溯源方面的研究，有较大的科学研究与工程使用价值。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅为本实用新型之较佳实施例，并非用以限定本实用新型的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本实用新型所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种方波电压发生器，包括金属箱体、充电模块、放电主开关和储能电容，所述充电模块与所述储能电容连接，其特征在于：所述储能电容采用四个电容器并联而成，所述四个电容器成环形布置，每个电容器的一端通过一个阻尼电阻连接放电主开关的一个电极，所述放电主开关的另一端即为方波源的输出，接负载分压器。
2.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述阻尼电阻用于匹配气体开关击穿时在电极上产生的电压折反射，降低输出方波电压的过冲。
3.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述电容器为聚丙烯膜电容器；或者所述电容器为金属膜电容器，所述金属膜电容器为20μF、耐压1.5kV。
4.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述充电模块采用高压模块电源，由24V直流电源供电，通过调节接入所述高压模块电源的调压电阻阻值，可输出0～1.5kV的直流电压。
5.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述放电主开关为电磁驱动的干簧管开关。
6.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述充电模块的输出端与所述每个电容器的高压极板相连，所述高压极板与所述每个电容器的高压端相连，所述四个电容器分别安装于四个金属回流筒中，所述每个电容器的低压端与每个金属回流筒相连，所述每个金属回流筒与地电极板相连；所述地电极板与所述金属箱体连接。
7.根据权利要求6所述的方波电压发生器，其特征在于：所述金属回流筒为不锈钢材质，所述高压极板与所述地电极板之间通过尼龙绝缘子进行绝缘；在所述金属回流筒的内部，所述电容器的高压端与所述金属回流筒也采用尼龙绝缘子进行绝缘。
8.根据权利要求6所述的方波电压发生器，其特征在于：所述高压极板与所述主开关的电极经阻值为开关导通时的波阻抗的匹配电阻相连。
9.根据权利要求6所述的方波电压发生器，其特征在于：所述放电主开关置于主开关金属筒中，所述放电主开关的触发线圈绕制在线圈尼龙骨架上；当所述电容器上的充电电压达到目标充电电压时，向所述放电主开关发送触发信号，所述放电主开关闭合，电压经过所述放电主开关及与电缆接头连接的回路负载后，再经过所述金属回流筒回到所述地电极板上。
10.根据权利要求1所述的方波电压发生器，其特征在于：所述储能电容连接有分压器，所述分压器的低压臂示数与安装于所述金属箱体表面的显示模块连接，用于在充电过程中实时监测所述储能电容上的充电电压。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |