专利名称：开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量装置及方法
技术领域：
本发明属于电子应用领域，具体涉及一种开关电器弧后介质恢复强度纳 秒连续脉冲测量装置及方法。
背景技术：
开关电器是否能够成功开断，取决于交流电流过零，电弧熄灭后，触头 之间的介质恢复过程与触头两端系统电压恢复过程之间的关系如果介质恢 复强度超过系统恢复电压的话，则电弧将被成功熄灭，反之弧隙再次击穿， 引起电弧重燃，导致开断失败。因此，研究开关电器弧后介质恢复强度的测 量方法，对于研究其介质恢复过程的规律、影响因素以及提高措施具有重要
有关开关电器弧后介质恢复过程的试验方法，国内外已经进行了较多的
研究，其中，G.A.FARRALL， ABB公司的E. Dullni以及东京电机大学的Yanabu 等采用了单脉冲法，而西安交通大学的王季梅等采用了多脉冲法对开关电器 弧后介质恢复过程进行了测量研究。在以往的测量方案中，其高压测量脉冲 均是依靠火花间隙击穿的方式产生， 一方面，间隙的击穿条件受环境温度、 湿度以及火花间隙的距离、震动等因素影响较大，因此，其击穿后脉冲加载 于试验开关电器的时刻难以精确控制，测量的时间延迟窗口存在较大分散性; 另外，火花间隙击穿产生高压脉冲的方式，其脉冲的频率难以稳定提高，因 此，单次试验所获探测点的数量有限，此外，多脉冲发生装置较为复杂，限 制了该方法的进一步发展。
传统测量方式的另一个严重的问题是，当高压脉冲前沿速度较高时，会 由于末端的触头间隙阻抗不匹配而发生反射，产生非预期的多次击穿现象。
5在以往的测量研究采取了降低试验脉冲前沿速度的方法，例如在待测间隙并 联电容。该方式增加了单脉冲的持续时间并引入了额外的能量，对试验测试 结果产生了不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测 量装置及方法，通过对脉冲发生器的输出频率、幅值以及脉冲波形的调节， 适应不同开关电器的弧后介质恢复过程的测量要求。
为达到上述目的，本发明采用的装置包括包括串联的电容C。和电感L。，
电感L。上连接有并联的主开关Id和引弧开关K2，主开关Id和引弧开关1(2与辅 助开关Sa相连，辅助开关Sa通过同轴分流器与试品开关相连；同轴分流器 还与分闸控制电路、过零检测电路相连接，分闸控制电路根据同轴分流器提 供的电流信号，为辅助开关Sa和试品开关提供分闸信号；过零检测电路与主 控单片机相连，为主控单片机提供测量电路电流过零信号；主控单片机与驱 动电路相连，驱动电路提供开断信号给高压电子开关；高压电子开关的另一 输入端与高压直流源相连，高压电子开关的输出端经充电电阻K接脉冲形成 电路，脉冲形成电路的输出端接同轴电缆及匹配电阻R2，匹配电阻R2的高压 端接试品，电容分压器的两端与试品并联连接，电容分压器的输出信号连接 到峰值检测电路，峰值检测电路的输出信号连接到单片机的A/D输入端口， 单片机的输出控制信号接峰值检测电路的放电控制端。
本发明的脉冲形成电路包括与高压电子开关相连接的振荡电感U振荡 电感L与阻尼电阻Rd及储能电容Ce串连，放电电阻R,与储能电容Q;和阻尼电 阻Rd并联，放电电阻Rd的非接地端与同轴电缆相连；峰值检测电路包括与电 容分压器相连接的运算放大器仏以及与运算放大器仏输出端相连接的电阻R7、 二极管"和保持电容Cb构成的充电保持电路，保持电容Cb的两端并联有三极 管L和放电电阻Ro三极管L的基极通过基极电阻R5、电源上拉电阻Re与主 控单片机的I/0端口相连，预算放大器U2的正端接二极管Di的输出端，预算放大器U2的输出端与主控单片机的A/D端口相连；引弧开关K2与辅助开关Sa 之间还串联有电阻Ra;匹配电阻R2与电容分压器之间还串联有隔直电容Cd; 辅助开关Sa采用两只灭弧室串联，以便获得快于试品开关的恢复过程。
本发明脉冲测量方法，由电感L。和电容C。组成的工频振荡回路构成试验 电流源，实验开始前，辅助开关Sa和试品开关处于闭合状态，主开关Id和引 弧开关K2处于分闸状态，选择脉冲电源的幅值及高压电子开关的开关频率， 调节脉冲形成电路的参数即调整试验脉冲的前沿上升速度，实验开始后，首 先闭合引弧开关K2，电容C。通过引弧电阻R3放电，引弧电流在几十至一百安 之间变化，且近似为一直流，在引弧电流流通期间，试品开关和辅助开关Sa 同时打开，此时在试品开关的触头之间产生电弧，根据实验需要，选择主开 关Id，在回路中产生了交流振荡电流，当正弦电流过零时，试品开关中的电 弧被熄灭，同时，同轴分流器的电流过零信号传送到过零检测电路，产生触 发信号，主控单片机接到触发信号后，输出脉冲驱动高压电子开关开通，高 压脉冲通过充电电阻R，脉冲形成电路，同轴电缆，隔直电容Cd将高压脉冲 施加于试品开关的触头两端，并通过电容分压器4的低压臂将脉冲信号馈入 峰值检测电路的A/D输入端口，经转换后存储于主控单片机的存IC区，经A/D 转换结束后，主控单片机发出高电平，控制峰值检测电路放电，准备下次脉 冲试验周期的峰值检测，在试验结束后主控单片机中的存储数据经通信端口 上传微型计算机，根据实验需求，设定脉冲频率和周期，单片机不断触发脉 冲，直到完成介质恢复过程的测量。
本发明不同于传统的测试方法，采用高压电子开关的方式对高压脉冲进 行控制，电子开关具有如下优点形成纳秒脉冲简单而且稳定；开路状态下 有很高的阻抗；可以重复频率方式下工作。设计的脉冲形成电路能够对脉冲 的形态进行调节，高压脉冲的传输末端加匹配电阻的方式能够防止脉冲的多 次反射，所设计的电容分压器满足高频测量的需要，峰值保持电路能够记录 高频连续脉冲的测量要求。采用此种实验方法还能够提高脉冲实验测量介质恢复强度的时间分辨率，提高对弧后介质恢复物理过程的观察精度，对击穿 发展的时间特性进行定量化分析。同时，由于连续脉冲的应用，进一步保证 了实验的一致性，提高了实验的效率，降低实验成本。为进一步理解大电流 真空开断的介质恢复过程提供新的技术手段。
图1为为本发明装置的原理图，图中，l高压电源，2高压电子开关，Ri 充电电阻，3脉冲形成电路，4电容分压器，5峰值电压检测电路，6同轴分 流器，7试品开关，8分闸控制电路，9过零检测电路，IO控制单片机，11同 轴传输电路，12电子开关驱动电路，R2匹配电阻，Cd隔直电容；
图2为本发明峰值检测电路5的原理图，图中仏，U2运算放大器，Ro Rs， Re， R 电阻，Di二极管，Cb电容，L三极管；
图3为本发明脉冲形成电路3的原理图，图中Ld电感，G;电容，Ra， R,电阻。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图l，本发明试验装置包括包括高压电源1，高压电子开关2，充电 电阻R"脉冲形成电路3，同轴传输电路ll，匹配电阻R2，隔直电容Cd，电 容分压器4，峰值电压检测电路5，同轴分流器6，试品开关7，分闸控制电 路8,过零检测电路9，控制单片机IO，电子开关驱动电路12。电容C。和电 感L。串联，电感L。上并联有主开关Ki和引弧开关K2，主开关Id和引弧开关K2 与辅助开关Sa相连，引弧开关K2与辅助开关Sa之间还串联有电阻Ra，形成 测量设备的电流源；辅助开关Sa依次与同轴分流器6、试品开关7相连；同 轴分流器6还与分闸控制电路8、过零检测电路9相连接，分闸控制电路8 根据同轴分流器6提供的电流信号，为辅助开关Sa和试品开关7提供分闸信 号；过零检测电路9与主控单片机10相连，为主控单片机10提供测量电路 电流过零信号；主控单片机10与驱动电路12相连，驱动电路12提供开断信号给高压电子开关2;高压电子开关2的另一输入端与高压直流源1相连，高
压电子开关2的输出端经充电电阻R接脉冲形成电路3，脉冲形成电路3的输 出端接同轴电缆11及匹配电阻R2，匹配电阻R2的高压端接试品7，电容分压 器4的两端与试品7并联连接，匹配电阻R2与电容分压器4之间还串联有隔 直电容Q，电容分压器4的输出信号连接到峰值检测电路5，峰值检测电路5 的输出信号连接到单片机10的A/D输入端口，单片机10的输出控制信号接 峰值检测电路5的放电控制端。
参见图2，本发明的所说的峰值检测电路5包括与电容分压器4相连接的 运算放大器仏以及与运算放大器仏输出端相连接的电阻R7、 二极管"和保持 电容Cb构成的充电保持电路，保持电容Cb的两端并联有三极管Ti和放电电阻 R4，三极管L的基极通过基极电阻&、电源上拉电阻Re与主控单片机10的I/O 端口相连，预算放大器U2的正端接二极管Di的输出端，预算放大器U2的输出 端与主控单片机的A/D端口相连。运算放大器仏，电阻R7， 二极管D"保持 电容Cb构成充电保持电路，由三极管T"放电电阻R4，基极电阻Rs，电源上 拉电阻Re，构成放电电路，由预算放大器U2构成输出跟随电路。被测信号由 运算放大器仏的正端输入，Ul的输出端连接电阻R7，接着串联二极管D1， Ul 的负端与D1的阴极相连，并接电阻Cb的正极，Cb的负极接地；电阻R4的一 端接三极管T1的集电极，另一端接Cb的正极；Tl的发射机接Cb的负极；电 阻R5的一端接Tl的基极，另一端接电阻R6和单片机I/O输出；R6的另一端 接电源VCC。 Dl的阴极接U2的正端；U2的负端输入与输出相连，再连接单片 机的A/D口。
参见图3，本发明的脉冲形成电路3包括与高压电子开关2相连接的振荡 电感U振荡电感Ld与阻尼电阻Ri及储能电容G;串连，放电电阻R,与储能电 容Cc和阻尼电阻I^并联，放电电阻&的非接地端与同轴电缆11相连。
本发明的试验方法步骤如下
实验开始前，辅助开关Sa和试品开关7处于闭合状态，主开关Id和引弧开关K2处于分闸状态，选择脉冲电源1的幅值及高压电子开关2的开关频率， 调节脉冲形成电路3的参数即调整试验脉冲的前沿上升速度，实验开始后， 首先闭合引弧开关K2，电容C。通过引弧电阻R3放电，引弧电流在几十至一百 安之间变化，且近似为一直流，在引弧电流流通期间，试品开关7和辅助开 关Sa同时打开，此时在试品开关7的触头之间产生电弧，根据实验需要，选 择主开关Ku在回路中产生了交流振荡电流，当正弦电流过零时，试品开关7 中的电弧被熄灭，同时，同轴分流器6的电流过零信号传送到过零检测电路9， 产生触发信号，主控单片机10接到触发信号后，通过电子开关驱动电路12 输出脉冲驱动高压电子开关2开通，高压脉冲通过充电电阻Ru脉冲形成电 路3，同轴电缆11，隔直电容Cd将高压脉冲施加于试品开关7的触头两端， 并通过电容分压器4的低压臂将脉冲信号馈入峰值检测电路5的A/D输入端 口，经转换后存储于主控单片机10的存lt区，经A/D转换结束后，主控单片 机10发出高电平，控制峰值检测电路5放电，准备下次脉冲试验周期的峰值 检测，在试验结束后主控单片机5中的存储数据经通信端口上传微型计算机， 根据实验需求，设定脉冲频率和周期，单片机不断触发脉冲，直到完成介质 恢复过程的测量。
目前国内外对开关电器弧后介质恢复过程的测量研究中，脉冲形成电路 的控制均采用了传统的火花间隙击穿方式进行，其高压脉冲的产生时刻难以 精确控制，在多脉冲方式的试验中，脉冲发生装置复杂且脉冲产生的数量极 为有限，并且受到技术限制脉冲的上升沿相对于介质恢复的时间十分缓慢。 本发明以高压电子开关作为脉冲形成电路的控制部件，借助电压、电流传感 器以及峰值检测电路和单片机对试验过程实现了自动和精确控制，方便的实 现了开关电器弧后介质恢复过程的测量。
权利要求
1、开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量装置，其特征在于包括串联的电容(C0)和电感(L0)，电感(L0)上连接有并联的主开关(K1)和引弧开关(K2)，主开关(K1)和引弧开关(K2)与辅助开关(Sa)相连，辅助开关(Sa)通过同轴分流器(6)与试品开关(7)相连；同轴分流器(6)还与分闸控制电路(8)、过零检测电路(9)相连接，分闸控制电路(8)根据同轴分流器(6)提供的电流信号，为辅助开关(Sa)和试品开关(7)提供分闸信号；过零检测电路(9)与主控单片机(10)相连，为主控单片机(10)提供测量电路电流过零信号；主控单片机(10)与驱动电路(12)相连，驱动电路(12)提供开断信号给高压电子开关(2)；高压电子开关(2)的另一输入端与高压直流源(1)相连，高压电子开关(2)的输出端经充电电阻(R1)接脉冲形成电路(3)，脉冲形成电路(3)的输出端接同轴电缆(11)及匹配电阻(R2)，匹配电阻(R2)的高压端接试品(7)，电容分压器(4)的两端与试品开关(7)并联连接，电容分压器(4)的输出信号连接到峰值检测电路(5)，峰值检测电路(5)的输出信号连接到单片机(10)的A/D输入端口，单片机(10)的输出控制信号接峰值检测电路(5)的放电控制端。
2、 根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量 装置，其特征在于所说的脉冲形成电路(3)包括与高压电子开关(2)相 连接的振荡电感(U，振荡电感(Ld)与阻尼电阻(Ra)及储能电容(Cc)串 连，放电电阻(R》与储能电容(Cc)和阻尼电阻(RJ并联，放电电阻(Ra) 的非接地端与同轴电缆(11)相连。
3、 根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量 装置，其特征在于所说的峰值检测电路(5)包括与电容分压器(4)相连 接的运算放大器(仏)以及与运算放大器(仏)输出端相连接的电阻(R7)、 二 极管(D》和保持电容(Cb)构成的充电保持电路，保持电容(Cb)的两端并联有三极管(L)和放电电阻(RJ，三极管L的基极通过基极电阻(IU、电 源上拉电阻(Re)与主控单片机(10)的I/0端口相连，预算放大器(U2)的 正端接二极管(D》的输出端，预算放大器(U2)的输出端与主控单片机的A/D 端口相连。
4、 根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量 装置，其特征在于所说的引弧开关(K2)与辅助开关(Sa)之间还串联有电 阻(R3)。
5、 根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量 装置，其特征在于所说的匹配电阻(R2)与电容分压器(4)之间还串联有 隔直电容(Cd)。
6、 根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量 装置，其特征在于所说的辅助开关(Sa)采用两只灭弧室串联，以便获得 快于试品开关(7)的恢复过程。
7、 一种根据权利要求1所述的开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲 测量装置的脉冲测量方法，其特征在于由电感(L。)和电容(C。)组成的工 频振荡回路构成试验电流源，实验开始前，辅助开关(Sa)和试品开关(7)处于闭合状态，主开关Kt 和引弧开关K2处于分闸状态，选择脉冲电源(1)的幅值及高压电子开关(2) 的开关频率，调节脉冲形成电路(3)的参数即调整试验脉冲的前沿上升速度， 实验开始后，首先闭合引弧开关(K2)，电容(C。)通过引弧电阻(R3)放电， 引弧电流在几十至一百安之间变化，且近似为一直流，在引弧电流流通期间， 试品开关(7)和辅助开关(Sa)同时打开，此时在试品开关(7)的触头之 间产生电弧，根据实验需要，选择主开关(K》，在回路中产生了交流振荡电 流，当正弦电流过零时，试品开关(7)中的电弧被熄灭，同时，同轴分流器 (6)的电流过零信号传送到过零检测电路(9)，产生触发信号，主控单片机 (10)接到触发信号后，输出脉冲驱动高压电子开关(2)开通，高压脉冲通过充电电阻(R》，脉冲形成电路(3)，同轴电缆(11)，隔直电容(Cd)将高 压脉冲施加于试品开关(7)的触头两端，并通过电容分压器(4)的低压臂 将脉冲信号馈入峰{直检测电路(5)的A/D输入端口，经转换后存储于主控单 片机(10)的存贮区，经A/D转换结束后，主控单片机(10)发出高电平， 控制峰值检测电路(5)放电，准备下次脉冲试验周期的峰值检测，在试验结 束后主控单片机(5)中的存储数据经通信端口上传微型计算机，根据实验需 求，设定脉冲频率和周期，单片机不断触发脉冲，直到完成介质恢复过程的
全文摘要
开关电器弧后介质恢复强度纳秒连续脉冲测量装置及方法，采用高压电子开关的方式对高压脉冲进行控制，电子开关具有如下优点形成纳秒脉冲简单而且稳定；开路状态下有很高的阻抗；可以重复频率方式下工作。设计的脉冲形成电路能够对脉冲的形态进行调节，高压脉冲的传输末端加匹配电阻的方式能够防止脉冲的多次反射，所设计的电容分压器满足高频测量的需要，峰值保持电路能够记录高频连续脉冲的测量要求。采用此种实验方法还能够提高脉冲实验测量介质恢复强度的时间分辨率，提高对弧后介质恢复物理过程的观察精度，对击穿发展的时间特性进行定量化分析。同时，由于连续脉冲的应用，进一步保证了实验的一致性，提高了实验的效率，降低实验成本。
文档编号G01R31/327GK101556306SQ200910022408
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月7日 优先权日2009年5月7日
发明者刘志远, 张国钢, 王建华, 王振兴, 翟小社, 耿英三 申请人:西安交通大学