用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置及方法

1.本发明涉及场畸变开关技术领域，尤其涉及一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置及方法。


背景技术：

2.由于制作工艺、运行环境的影响，高压电气设备内部的绝缘隐患对电网的安全稳定运行造成了严重威胁。现场耐压试验作为检测产品绝缘合格的重要手段，其中的工频耐压试验和冲击耐压试验尽管起到了一定的验收作用，但在实际工况中，电力设备在遭受雷电过电压或操作过电压侵袭的同时，也会承受工频交流电压的复合作用，且该叠加相位、幅值都是随机的。根据大量工程经验，电力设备内部的缺陷在通过现场耐压试验后仍可能会在交流叠加冲击工况下发生局部放电甚至击穿。因此，对于电力变压器、电压互感器、gis、gil、电力电缆等电气设备及其附件，进行不同幅值、不同相位下交流叠加冲击电压作用下的耐压试验、局部放电试验有助于补充对特定电气设备内部复合电场下的绝缘放电机理的科学认识，同时对于电气设备的绝缘优化和电网的安全可靠运行均具有重要指导意义。
3.目前研究电力设备在工频叠加冲击复合电压作用下的绝缘放电特性试验中，现有技术仅能通过手动拧动滑动电阻的旋钮来改变其阻值，观察示波器来判断叠加的大致时刻，并不能实现相位的精准叠加；另外，由于是通过按钮来控制触发信号的通断，在过零比较模块产生的触发高电平宽度较大时，存在着触发相位延迟的问题；对于单向比较器，为实现180
°‑
360
°
相位的叠加，还需要重新接线；整个同步触发装置往往需要供电、信号采集两个输入。另一方面，对于脉冲产生回路，常采用交流半波充电的方式，充电效率较低。综上，目前的实验装置并不能方便、精准地控制电力设备或试验样品承受工频复合冲击电压叠加的时刻，装置集成度低，效率差。因此，十分有必要发明一种能够快捷控制、精准调节、高效率、易于移动的场畸变火花开关的同步触发脉冲产生装置。
4.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置及方法，能够方便精准地在微秒级别控制触发脉冲电压产生的相位；保证了不会由于干扰信号导致误触发；原边储能电容采用高效率充电方式，能够轻松控制场畸变开关第三电极上触发脉冲电压的大小；并且将供电、信号采集统一为一个输入口，装置整体集成度高，便于移动和携带。本发明可为电力设备绝缘实验技术的改进、深入研究电力设备在工频叠加冲击的复合电场下的绝缘放电机理提供试验手段。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置包括，
8.封装壳体，其为半包围结构；
9.晶闸管触发回路，设于所述封装壳体中，所述晶闸管触发回路包括，
10.同步触发信号产生回路，将工频电压信号转化为周期性的方波信号；
11.触发按钮，其可按压以触发，
12.单片机，其连接所述同步触发信号产生回路以读取所述方波信号的上升沿并基于所述触发按钮的触发输出高电平持续预定时刻后恢复低电平，
13.晶闸管驱动回路，其连接所述单片机以基于上述高电平生成驱动电流信号，
14.隔离线圈，其连接所述晶闸管驱动回路以耦合所述驱动电流信号并发送且导通晶闸管，
15.高压触发脉冲产生回路，设于所述封装壳体中，所述高压触发脉冲产生回路包括，
16.直流模块电源，其将输入的交流电压转换为直流电压，
17.直流高压模块，其连接所述直流模块电源且生成kv级的直流电压，
18.储能电容，其连接所述直流高压模块以充电，
19.晶闸管，其连接所述储能电容和晶闸管触发回路，
20.脉冲变压器，其连接所述晶闸管，当晶闸管导通使储能电容上的能量经脉冲变压器原边泄放，在脉冲变压器副边感应出冲击高压施加于场畸变开关第三电极上以导通场畸变开关，
21.二极管，其并联所述晶闸管，所述二极管在晶闸管截流后起到反向续流作用。
22.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，封装壳体在四角留有螺孔或绝缘箱角支撑结构，使得封装壳体表面距地面有一定距离，并设置接地金属螺杆与外电路接地点相连。
23.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，所述同步触发信号产生回路包括过零比较器和单极性直流电源模块，输入信号采用交流220v/3v降压变压器模块和稳压二极管模块。
24.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，所述单片机主频72mhz，经分频后使其计数精度达1微秒或1毫秒。
25.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，在脉冲变压器原副边变比为1：20的条件下，储能电容采用10微法脉冲电容器。
26.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，直流模块电源输入220v交流电压以输出0-48v可调直流电压。
27.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，所述直流高压模块输入24v直流电压且输出10kv直流电压。
28.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，50kω的保护电阻作为直流充电保护电阻。
29.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置中，所述脉冲变压器副边的高压线圈采用交联聚乙烯电缆，将原边电压幅值放大至20倍以上。
30.一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的触发方法包括以下步骤，
31.将脉冲电压器的输出端经电阻与所要触发的场畸变开关的第三电极相连，直流模块电源的供电端与市电相连；
32.通过调整直流高压模块的可控旋钮，控制脉冲电压产生回路中储能电容上的充电
电压，
33.按下晶闸管触发回路的触发按钮，观察是否能够触发场畸变开关，若不能，则升高直流高压模块的输出电压，进而提高脉冲电压产生回路中原边储能电容上的充电电压。
34.在上述技术方案中，本发明提供的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置，具有以下有益效果：本发明所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置利用降压变压器模块、过零比较模块和单片机，能够方便精准地在微秒级别控制触发脉冲电压产生的相位，并适用于跟随信号为其他频率的周期信号；利用单片机的延迟和闭锁功能，保证了不会由于干扰信号导致误触发；原边储能电容采用了直流充电的方式，充电效率高，通过调节旋钮能够轻松控制场畸变开关第三电极上触发脉冲电压的大小；并且将供电、信号采集统一为一个输入口，装置整体集成度高，便于移动和携带。该装置包含了高精度的晶闸管触发信号产生回路和高效率的高压脉冲产生回路，有助于提高电力设备在复合电场作用下的局部放电或击穿特性试验的可行性、稳定性和安全性，也提高了对不同电力设备进行复合电场放电试验过程中触发装置的适用性和便携性。装置能够方便精准地在微秒级别控制触发脉冲电压产生的相位；保证了不会由于干扰信号导致误触发；原边储能电容采用高效率充电方式，能够轻松控制场畸变开关第三电极上触发脉冲电压的大小；并且将供电、信号采集统一为一个输入口，装置整体集成度高，便于移动和携带。本发明可为电力设备绝缘实验技术的改进、深入研究电力设备在工频叠加冲击的复合电场下的绝缘放电机理提供试验手段。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
38.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
39.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”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设备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。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
45.在一个实施例中，如图1所示，用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置包括，
46.封装壳体1，其为半包围结构；
47.晶闸管触发回路，设于所述封装壳体1中，所述晶闸管触发回路包括，
48.同步触发信号产生回路3，其基于工频电压信号转化为周期性的方波信号；
49.触发按钮5，其可按压以触发，
50.单片机，其连接所述同步触发信号产生回路3以读取所述方波信号的上升沿并基于所述触发按钮5的触发输出高电平持续预定时刻后恢复低电平，
51.晶闸管驱动回路4，其连接所述单片机以基于上述高电平生成驱动电流信号，
52.隔离线圈6，其连接所述晶闸管驱动回路4以耦合所述驱动电流信号并发送且导通晶闸管11，
53.高压触发脉冲产生回路，设于所述封装壳体1中，所述高压触发脉冲产生回路包括，
54.直流模块电源7，其将输入的交流电压转换为直流电压，
55.直流高压模块8，其连接所述直流模块电源7且生成kv级的直流电压，
56.储能电容10，其连接所述直流高压模块8以充电，
57.晶闸管11，其连接所述储能电容10和晶闸管11触发回路，
58.脉冲变压器13，其连接所述晶闸管，当晶闸管导通使储能电容10上的能量经脉冲变压器13原边泄放，在脉冲变压器13副边感应出冲击高压施加于场畸变开关第三电极上以导通场畸变开关，
59.二极管12，其并联所述晶闸管，所述二极管12在晶闸管截流后起到反向续流作用。
60.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，封装壳体1在四角留有螺孔或绝缘箱角支撑结构，使得封装壳体1表面距地面有一定距离，并设置接地金属螺杆与外电路接地点相连。
61.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，所述同步触发信号产生回路3包括过零比较器和单极性直流电源模块，输入信号采用交流220v/3v降压变压器模块和稳压二极管12模块。
62.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，所述单片机主频72mhz，经分频后使其计数精度达1微秒或1毫秒。
63.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，在脉冲变压器13原副边变比为1：20的条件下，储能电容10采用10微法脉冲电容器。
64.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，直流模块电源7输入220v交流电压以输出0-48v可调直流电压。
65.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，所述直流高压模块8输入24v直流电压且输出10kv直流电压。
66.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，50kω的保护电阻9作为直流充电保护电阻9。
67.所述的一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的优选实施例中，所述脉冲变压器13副边的高压线圈采用交联聚乙烯电缆，将原边电压幅值放大至20倍以上。
68.在一个实施例中，用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置包括封装壳体1、晶闸管触发回路、高压触发脉冲产生回路。封装壳体1是一个半包围的铝制壳体，用于提供其他装置和输入输出接线2的固定。晶闸管触发脉冲产生回路由同步触发信号产生回路3、晶闸管驱动回路4、触发按钮5、隔离线圈6构成。同步信号产生回路可将工频电压信号转化为方波信号，然后将周期性变化的方波信号输入给单片机，单片机通过读取信号的上升沿，短暂判断后进入中断响应，并开始判断触发按钮是否按下，若为是，则在指定内部微秒级计时后，令某一个i/o口输出高电平，持续一段时间后恢复为低电平；一次触发结束后单片机为触发按钮提供一个闭锁信号，防止一次按压后多次重复触发；该高电平将作为输入给晶闸管驱动板，晶闸管驱动板由此产生一个驱动电流信号；该电流信号经隔离线圈耦合后，传递给晶闸管，致使晶闸管导通。高压触发脉冲产生回路包括直流模块电源7、直流高压模块8、保护电阻9、储能电容10、晶闸管11、二极管12、脉冲电压器13。直流模块电源7输入220v交流电压，输出可达0-48v可调直流电压，用于为直流高压模块8供电；直流高压模块8输入24v直流电压，输出可达10kv直流电压，用于为储能电容10充电；选取50kω的保护电阻9作为直流充电保护电阻；储能电容用于原边储能，经直流高压模块对其充电后可维持在高电位；晶闸管11作为开关，经驱动板触发后，可使储能电容上的能量经脉冲变压器原边泄放，在副边感应出冲击高压施加于场畸变开关第三电极上，进而引起场畸变开关导通；二极管12与晶闸管11并联，在晶闸管截流后起到反向续流作用；脉冲变压器13副边高压线圈采用交联聚乙烯电缆，可将原边电压幅值放大至20倍以上。
69.在一个实施例中，封装壳体1在四角留有螺孔或绝缘箱角支撑结构，使得箱体表面距地面有一定距离，并应设置接地金属螺杆，与外电路接地点可靠相连。同步信号触发产生
回路可采用tlv3501aidr过零比较器，并配置5v单极性直流电源模块，输入信号可采用交流220v/3v降压变压器模块和稳压二极管模块；优选的，单片机可采用stm32f103c8t6最小系统板，主频72mhz，经分频后可使其计数精度达1微秒或1毫秒，可根据实际被跟随信号频率进行选择。
70.根据理论计算，当原边储能电容远大于副边负载电容400倍以上时，输出电压可提高为原边电压的40倍，因此在保证安全、成本的基础上，储能电容可尽量大；若需短时间内多次触发开关，即输出重频脉冲时，需考虑脉冲变压器受伏秒积的影响，必要时可选用大体积的铁基纳米晶或铁基非晶体；若只需单次触发，则采用小体积铁氧体材料即可。优选的，在脉冲变压器原副边变比为1：20的条件下，储能电容可采用10微法脉冲电容器。需根据通态电流临界上升率、断态电压临界上升率、正向耐压、通态平均电流等对晶闸管选型，对于二极管则也需考虑正向平均电流和反向重复峰值电压。优选的，二极管可采用zp106y8000系列，晶闸管和二极管正负电极可均采用8mm厚的不锈钢板，以达到支撑并且可靠并联的作用。电源供电输入输出线、触发按钮控制线可经过不同直径的护线圈从封装壳体侧壁穿过，以保证线路外绝缘的完好性，同时也使得线路更容易弯曲，便于走线。
71.一种用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置的触发方法包括以下步骤，
72.将脉冲电压器的输出端经电阻与所要触发的场畸变开关的第三电极相连，直流模块电源7的供电端与市电相连；
73.通过调整直流高压模块8的可控旋钮，控制脉冲电压产生回路中储能电容10上的充电电压，
74.按下晶闸管触发回路的触发按钮5，观察是否能够触发场畸变开关，若不能，则升高直流高压模块8的输出电压，进而提高脉冲电压产生回路中原边储能电容10上的充电电压。
75.在一个实施方式中，通过以下方式对给定开关电容c1、脉冲电压储能电容c2、直流高压模块输出电压u1，单片机内部计时值t，脉冲变压器变比n的三电极场畸变开关进行同步触发：
76.1，确定欲研究电力设备或试验样品的电容值，选择合适的冲击电压储能电容、气体开关、隔离方式，根据开关电容c1选择合适的脉冲电压储能电容c2，理论上应满足：c2＞＞n2c1，计算获得场畸变开关第三电极脉冲电压的理论值；
77.2，将脉冲电压输出端经电阻与所要触发的场畸变开关的第三电极相连；
78.3，根据欲研究的叠加相位，并测量试品处工频电压信号与市电工频信号的相位差，综合考虑二者，利用pc编程，确定单片机内部的计时值t；
79.4，将触发装置的供电端与市电相连；
80.5，根据欲研究的叠加幅值，在场畸变开关第三电极上应施加的脉冲电压幅值确定的条件下，通过调整直流高压模块的可控旋钮，控制脉冲电压产生回路中储能电容上的充电电压u1；
81.6，按下晶闸管触发回路的触发按钮，观察是否能够稳定触发主放电回路的场畸变开关，若不能，则可适当升高直流高压模块的输出电压，进而提高脉冲电压产生回路中原边储能电容上的充电电压u1；
82.7，待触发效果稳定可靠后，进行工频叠加冲击的复合电场下的放电特性实验。
83.工业实用性
84.本发明所述的用于场畸变开关的同步触发脉冲产生装置及方法可以在场畸变开关中使用。
85.最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
86.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。