一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置

1.本发明属于气体间隙放电击穿后绝缘恢复技术领域，具体涉及一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置。


背景技术：

2.开关是fltd中最重要的部件之一，气体火花开关因其工作范围大、可在纳秒抖动下触发而得到了广泛的应用，其中三电极场畸变开关和多间隙多通道开关最为常用。fltd在实际应用中通常将模块进行多级串、并联以得到不同的输出参数，其电路拓扑决定了庞大的气体开关数量。
3.在对fltd中的储能电容进行充电时，某些气体开关会意外的提前自击穿。当某个开关自击穿后，它将会通过充电隔离电阻与其余支路的储能电容构成闭合的电阻-电容回路进行放电，这使得发生自击穿的开关不能迅速关断，延长了该开关的绝缘恢复时间。在这种情况下，系统运行的同步性、稳定性受到影响，气体开关由于较长时间的烧蚀寿命也会缩短。除此之外，气体开关的放电火花通道熄灭后，开关的耐压水平并不能马上恢复，在气体电中和恢复、气体密度恢复后，绝缘才能彻底恢复，达到击穿前的耐压水平。因此，有必要探究fltd中气体火花开关在充电过程中自击穿后绝缘恢复的规律、特性及影响因素，这将使我们更加清晰的认识到fltd气体开关在上述工况下击穿后绝缘恢复的过程，有助于在实际工程中选用适合的气体开关工作气压、充电隔离电阻等关键参数。
4.目前，国内外关于气体间隙绝缘恢复的研究主要针对两电极火花间隙。研究表明气体火花间隙击穿后的绝缘恢复过程可分为三个阶段：第一个阶段为火花通道电中性恢复，火花熄灭后剩余的空间电荷通过扩散、复合和附着消除；第二个阶段为气体密度的恢复，火花通过热传导、对流和辐射以热的形式去除沉积的能量；第三个阶段为气体开关承受过电压能力的恢复。除此之外，一些学者还探究了间隙距离、气体类型及压力、电极尺寸等因素对绝缘恢复的影响。但这些研究都是针对气体开关在没有其他外电路的影响下被击穿后的绝缘恢复。对于fltd中的气体开关，存在着大量电容、电阻、气体开关的串并联，难以直接在fltd中直接测量气体开关发生自击穿后的绝缘恢复特性。暂时还没有针对fltd中气体开关在自击穿放电后绝缘恢复的研究平台和方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，等效模拟fltd中气体开关在充电过程中发生自击穿放电后与其他支路的储能电容以及隔离电阻构成电阻-电容放电回路的情况，然后测量气体开关间隙在击穿后绝缘恢复情况。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，包括双纳秒脉冲时序控制电路，双纳秒脉冲时序控制电路的输入端连接信号发生器，输出端通过两个隔离球间隙与续流放电回
路中两电极气体间隙的高压端连接，通过信号发生器向续流放电回路输出双纳秒脉冲的时序，第一个纳秒脉冲用于气体间隙击穿，通过续流回路释放电能；第二个纳秒脉冲作用于气体间隙，续流放电回路经高压探头连接示波器。
8.具体的，两电极气体间隙的高压端分两路，一路经高压探头连接示波器，另一路与隔离球间隙连接，两电极气体间隙、隔离线圈、隔离电阻和储能电容串联构成放电回路，隔离电阻和储能电容之间与充电电阻的一端并联连接，充电电阻的另一端分别与两电极气体间隙和高压探头连接。
9.进一步的，两电极气体间隙由密封绝缘外壳和两个不锈钢金属电极构成，两不锈钢金属电极间的距离为2.5～10mm，隔离线圈由高压导线和环形铁氧体磁芯绕制而成。
10.更进一步的，隔离线圈的电感值大于500μh。
11.进一步的，储能电容和地线之间串联连接有同轴分流器，同轴分流器与示波器连接。
12.具体的，双纳秒脉冲产生电路包括高压充电电源，高压充电电源分别经两路高压脉冲发生器与两个隔离球间隙的一端连接，通过两个隔离球间隙与两电极气体间隙的一个电极连接。
13.进一步的，高压脉冲发生器为脉冲变压器或marx发生器，marx发生器经高压充电电源对每一级进行充电，第一级高压电容和第一级充电电阻的两端与三电极球隙并联，后面各级电路的开关为两电极球隙。
14.进一步的，信号发生器的两路输出分别与两个低压脉冲产生电路的输入端连接，两个低压脉冲产生电路的输出端经三电极球隙的针电极与高压脉冲发生器连接。
15.更进一步的，通过调节信号发生器的两路输出时间间隔，实现输出的纳秒高压脉冲时间间隔在10μs～1s内连续可调。
16.更进一步的，三电极球隙的一端为不锈钢球体，与高压脉冲发生器的输入端连接，三电极球隙的另一端为不锈钢半球，接地连接，半球中间设置有触发针，与低压脉冲产生电路的输出端连接。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，基于改进的双脉冲法，建立实验平台等效测量fltd中气体开关间隙在自击穿后的绝缘恢复程度。对于本发明利用低压大容量储能电容等效模拟fltd中的主储能电容、利用金属薄膜电阻等效模拟fltd中各支路间的充电隔离电阻，与隔离磁芯以及两电极气体间隙共同构成放电回路。其中隔离磁芯的作用是：当marx发生器产生的纳秒高压脉冲作用于气体间隙高压电极时，由于电压脉冲的频率很高，对于该脉冲来说续流支路的阻抗很高，使得开关可以被顺利击穿，与此同时磁芯被高压脉冲磁化，对于续流支路来说回路中的电感很小，续流支路可近似看作电阻-电容回路。气体间隙被击穿时，续流支路和开关构成电阻-电容放电回路，由此可以模拟fltd中某一支路的气体开关发生自击穿放电后，该开关与相邻支路构成电阻-电容放电回路的情况。储能电容由高压直流电源通过充电电阻单独充电，隔离电阻的阻值以及充电电压大小可调，通过改变这两个值的大小可以等效探究fltd中的气体开关在不同隔离电阻，不同工作系数下自击穿后的工况。通过同轴分流器和示波器可以观察到气体间隙在击穿后，续流的动态以及截止时间。对于气体间隙来说，在续流截止后，其耐压能力并不能马上恢复，等到
耐压能力完全恢复之后，气体间隙的绝缘才算完全恢复。
19.进一步的，可以直接测得两电极气体间隙的纳秒脉冲击穿电压，通过设置不同间隔时间，可以获得两电极气体间隙的绝缘恢复特性。且通过隔离线圈、隔离电阻进行串联，能够将两个脉冲电压和长脉冲电流进行隔离，可以有效保证高压探头准确测得两电极气体间隙击穿电压和绝缘恢复电压。
20.进一步的，在2.5～10mm的气体间隙距离范围内，气体开关击穿电压稳定，确保每次输出纳秒脉冲重复性好。采用高压导线和环形铁氧体磁芯绕制的目的是考虑高压纳秒脉冲作用在隔离线圈上时电压梯度高，需要防止绝缘击穿，环形铁氧体磁芯具有高的饱和磁感应强度和b-s曲线，有助于减小隔离线圈尺寸，提高触发脉冲的隔离效果。
21.进一步的，串联同轴分流器可以避免纳秒脉冲放电时对电流测量信号产生的干扰，进而影响测量电流信号的准确性。
22.进一步的，采用两个隔离球间隙的好处是一方面可以对纳秒脉冲电压进一步陡化，同时两个纳秒脉冲一先一后作用时，隔离球间隙能够避免先形成的纳秒脉冲对后产生纳秒脉冲装置的影响，并确保后形成的纳秒脉冲只作用在两电极气体间隙上，保证触发脉冲作用时准确可靠。
23.进一步的，采用脉冲变压器和marx发生器的好处是可以获得百纳秒以上的高压脉冲，由于双脉冲法开展开关绝缘恢复特性研究一般要求开关击穿过程快，这样不影响气体间隙的绝缘恢复时间，这有助于获得气体间隙准确的绝缘恢复特性。
24.进一步的，信号发生器的两路输出分别与两个低压脉冲产生电路的输入端连接，两个低压脉冲产生电路的输出端经三电极球隙的针电极与高压脉冲发生器连接，有助于实现对纳秒脉冲产生时刻的精确调控
25.进一步的，在10μs～1s时间范围内气体间隙基本完成绝缘恢复，在该时间范围内进行绝缘恢复特性测试，有助于获得完整的气体间隙绝缘恢复特性。
26.综上所述，本发明针对目前双脉冲法无法进行气体间隙在存在续流情况下的绝缘恢复进行测量的不足，创新提出通过增加隔离和长脉冲电流的方法，一方面实现了气体间隙绝缘恢复特性的测试，另一方面耦合的长脉冲电流可以等价模拟存在续流情况下的开关绝缘恢复过程，从而实现对目前在fltd驱动源以及其他气体开关中常存在的绝缘恢复过程模拟，实现对气体开关绝缘恢复过程的准确研究，有助于推动针对开关绝缘恢复特性研究工作的进一步深入。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明的整个实验装置结构示意图；
29.图2为本发明中，储能电容充电电压为200v、300v、400v，隔离电阻为133ω，两电极气体间隙气压在大气压下的续流波形；
30.图3为储能电容充电电压为200v、300v、400v，隔离电阻为133ω，两电极气体间隙气压在大气压下的耐压恢复曲线。
31.其中：1.两电极气体间隙；2.隔离线圈；3.隔离电阻；4.储能电容；5.充电电阻；6.高压直流电源；7.气阀；8.气瓶；9.信号发生器；10.示波器；11.高压探头；12.同轴分流器；
13.隔离球间隙；14.高压脉冲发生器；15.三电极球隙；16.低压脉冲产生电路；17.高压充电电源。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
36.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
37.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
38.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
39.本发明提供了一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，采用储能电容与隔离电阻、隔离磁芯线圈串联，接于两电极气体间隙的一端，该两电极气体间隙另一电极接地，构成放电续流回路。双纳秒脉冲产生电路由两路完全相同的脉冲变压器或marx组成，通过信号发生器和低压脉冲产生电路来控制输出双纳秒脉冲的时序。两路脉冲输出端通过两个隔离球间隙连接于两电极气体间隙的高压端。第一个纳秒脉冲使得气体间隙击穿，击穿电压为u
b1
，储能电容中的电能通过续流回路释放；利用信号发生器调整第二个纳秒脉冲作用于气体间隙的时间间隔，第二个纳秒脉冲作用于气体间隙的击穿电压为u
b2
，u
b2
/u
b1
反映了气
体间隙在存在续流的情况下击穿后绝缘的恢复程度。改变隔离电阻和储能电容充电电压的大小可以探究不同续流工况下气体间隙绝缘恢复情况。
40.请参阅图1，本发明一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，包括续流放电回路、双纳秒脉冲产生电路和双纳秒脉冲时序控制电路；续流放电回路的一端经气阀7连接气瓶8，另一端与双纳秒脉冲产生电路连接，双纳秒脉冲时序控制电路与双纳秒脉冲产生电路连接，双纳秒脉冲产生电路通过信号发生器9和低压脉冲产生电路16控制输出双纳秒脉冲的时序。
41.续流放电回路包括两电极气体间隙1、隔离线圈2、隔离电阻3、储能电容4、充电电阻5和高压直流电源6；两电极气体间隙1的高压端分两路，一路经高压探头11连接示波器10，另一路与双纳秒脉冲产生电路的隔离球间隙13连接，两电极气体间隙1、隔离线圈2、隔离电阻3、储能电容4相互串联构成放电回路，隔离电阻3和储能电容4之间与充电电阻5的一端并联连接，充电电阻5的另一端分别与两电极气体间隙1和高压探头11连接。
42.具体的，隔离线圈3由高压导线和环形铁氧体磁芯绕制而成，对于纳秒脉冲来说，其呈高阻抗状态，纳秒脉冲将磁芯磁化后，对于续流来说其呈低阻抗状态，不影响放电回路的续流。
43.具体的，储能电容4通过充电电阻5由高压直流电源6单独充电。
44.具体的，两电极气体间隙1由密封绝缘外壳和两个不锈钢金属电极构成，两不锈钢金属电极间的距离为2.5～10mm。其绝缘外壳上的气孔通过气阀7与气瓶8连接，可以对两电极气体间隙进行换气以及调整两电极气体间隙在不同气压条件下工作，隔离线圈2的电感值大于500μh。
45.具体的，储能电容4的大小为309μf，调整储能电容4的充电电压的大小和、隔离电阻的大小，得到不同持续时间和幅值的续流。
46.本实施例中，两电极气体间隙1中的电极距离为2.5mm，绝缘壳内的气压设置为大气压，隔离电阻3的阻值为133ω，储能电容4由高压直流电源充电，充电电压分别设置为200v、300v、400v。
47.本实施例中，两个高压脉冲对两电极气体间隙1的击穿电压为u
b1
、u
b2
，只要开关的绝缘未完全恢复，第二次击穿电压u
b2
总是小于第一次击穿电压u
b1
。通过改变两个脉冲的时间间隔δt，计算u
b2
/u
b1
得到气体开关在击穿后耐受电压的恢复系数。
48.本实施例中，高压探头11一端连接于两电极气体间隙1的高压端上，另一端连接于示波器10上以得到气体间隙击穿时的脉冲电压波形。
49.本实施例中，同轴分流器12串接于储能电容4和地之间并连接于示波器10上以得到气体间隙放电后续流支路rc放电时通过气体间隙的电流。
50.双纳秒脉冲产生电路包括高压充电电源17、两路高压脉冲发生器14和两个隔离球间隙13；两个隔离球间隙13的一端与两电极气体间隙1连接，另一端分别经两路高压脉冲发生器14与高压充电电源17连接。
51.具体的，高压脉冲发生器14采用6级marx发生器，每级电路由30kv.2000pf电容两端分别串联一组充电电阻后并联在高压充电电源17两端，第一级高压电容和第一级充电电阻的两端并联三电极球隙15上，后面各级电路的开关为两电极球隙。两路marx的输出通过两个隔离球间隙13连接于两电极气体间隙1的一端。
52.两个隔离球间隙13为直径19mm的不锈钢球体，两路高压脉冲发生器14通过两个隔离球间隙13与两电极气体间隙1的一个电极相接，保证两路纳秒高压脉冲在击穿气体间隙时互不干扰。
53.进一步的，高压脉冲产生器14产生的双纳秒脉冲相继作用在两电极气体间隙1的高压电极上，第一个纳秒高压脉冲使得气体间隙击穿，击穿电压为u
b1
，续流电路完成放电，储能电容4中的电能释放；通过改变两路脉冲的时间间隔，第二个脉冲高压脉冲击穿电压为u
b2
，u
b2
/u
b1
反映了气体间隙在存在续流的情况下击穿后绝缘的恢复程度。改变两个纳秒高压脉冲的时间间隔可以探究气体间隙在击穿后绝缘恢复的具体值。
54.双纳秒脉冲时序控制电路包括信号发生器9、低压脉冲产生电路16和三电极球间隙15，两个三电极球间隙15的一端分别与一个高压脉冲发生器14连接，另一端经低压脉冲产生电路16与信号发生器9电连接。
55.进一步的，信号发生器9的两路输出分别连接在两个低压脉冲产生电路16的输入端，输出端接于marx发生器中三电极球隙15的针电极，通过触发信号发生器9产生两路幅值为5v、脉宽为10μs的方波脉冲电压信号，该方波脉冲电压信号经过低压脉冲产生器16的转换变为10kv电压脉冲，这个脉冲使得marx中第一级的三电极球隙15击穿，进而marx的其余球间隙相继击穿，在最后一级电容上输出高压脉冲。
56.低压脉冲产生电路16由光纤接收器、光纤触发器和变压器组成，共同构成双纳秒脉冲时序控制电路，控制两路高压脉冲发生器14产生时间间隔1μs～1s连续可调的双纳秒脉冲。
57.三电极球隙15为直径19mm的不锈钢球体，两路高压脉冲发生器14通过两个隔离球间隙13与两电极气体间隙1的一个电极相接。
58.进一步的，通过调节信号发生器9的两路输出时间间隔，可以实现输出的纳秒高压脉冲时间间隔10μs～1s连续可调。
59.本实施例中，设置信号发生器9产生两路幅值为5v、脉宽为10μs的方波脉冲电压，两路脉冲的时间间隔在续流截止后分别设置为2ms、5ms、8ms、15ms、30ms、40ms、60ms、80ms、100ms以得到两电极气体间隙1在放电过后不同时刻的耐压恢复程度。
60.本实施例中，两路marx发生器中的30kv.2000pf高压电容由充电9kv，marx中的充电电阻为1mω。
61.本实施例中，高压脉冲发生器14产生两路一定时间间隔的50kv高压负脉冲作用在带续流气体间隙放电回路中两电极气体间隙1的高压电极上。第一个高压脉冲使得气体间隙击穿，rc续流支路与气体间隙构成回路进行放电，放电完成后气体间隙关断，第二个高压脉冲使得气体间隙再次击穿，其击穿的幅值反映气体间隙在此时刻的绝缘恢复程度。
62.利用双脉冲法可以测得开关在火花通道熄灭后绝缘恢复的情况。双脉冲法的工作原理为：
63.两个完全相同的高压脉冲以不同的时间间隔先后施加到待测开关上并使其击穿，得到两个击穿电压u
b1
、u
b2
，只要开关的绝缘未完全恢复，第二次击穿电压u
b2
总是小于第一次击穿电压u
b1
。通过改变两个脉冲的时间间隔，计算u
b2
/u
b1
便可以得到气体开关在击穿后耐受电压的恢复系数。
64.请参阅图2，为在示波器16上观察到的两电极气体间隙续流波形。从图2中可以看
出，储能电容4的充电电压为200v、300v、400v时的续流峰值分别为1.3a、2.2a、2.9a，续流维持时间分别为34.7ms、45.2ms、59.6ms。在三个不同的充电电压下，电压越高，续流的峰值越大，其截断时的电流值基本接近，电压高的条件下续流会维持更长的时间。
65.请参阅图3，为两电极气体间隙1在续流截止后其耐压恢复曲线。从图3中可以看出，储能电容4的充电电压为200v、300v、400v时，气体间隙的耐压能力恢复到80％时所用的时间分别为60ms、135ms、150ms。
66.综上所述，本发明一种气体开关绝缘恢复特性测试实验装置，利用两路相同的高压发生器，通过信号发生器、低压脉冲产生器以及高压发生器中的三电极球间隙开关来产生两路时间间隔10μs～1s连续可控的双高压脉冲。击穿电压可由高压探头和示波器测得；由此可以完整的等效得到fltd中气体开关间隙在自击穿后受其他支路影响下的绝缘恢复情况。有助于在实际工程中选用适合的气体开关工作气压、充电隔离电阻等关键参数。
67.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。