一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法与流程

本发明涉及一种在交流峰值处叠加脉冲振荡高压的产生方法。

背景技术：

干式空心电抗器在电力系统中广泛应用，它能够补充系统的感抗，平衡系统的无功功率，限制系统的工频过电压及操作过电压，在电力系统中占有重要的地位。电抗器在实际的运行中也发生大量的烧毁事故，这些烧毁事故是由于匝间短路直接引起的，过电压是引起电抗器事故的根本原因之一，其中尤以投切过电压出现最为频繁且危害较大，投切过电压类似于在交流电压峰值处叠加脉冲振荡电压。通过试验研究投切过电压对干式空心电抗器匝间绝缘的破坏性，对于干式空心电抗器的制造和防护具有重要意义，但是现有的高压试验电路只能单一地产生交流电压或者脉冲振荡电压，所以需要研究交流峰值处叠加脉冲振荡电压的产生方法。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的高压试验电路只能单一地产生交流电压或者脉冲振荡电压，且没有将二者进行叠加的电路，本发明提供了一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法。

一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法，该产生方法是基于交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生电路实现，且该产生电路包括：脉冲振荡电路、保护电阻r3、容性试样cx、工频交流试验电路、球隙点火电路和球隙放电控制电路；

球隙放电控制电路发出触发脉冲信号至球隙点火电路，球隙点火电路根据接收的触发脉冲信号输出点火控制信号至脉冲振荡电路的点火控制端；

脉冲振荡电路产生脉冲振荡电压经保护电阻r3后加载在容性试样cx的一端，

工频交流试验电路用于产生工频交流电压，并加载在容性试样cx的另一端；

容性试样cx的两端作为叠加后的电压输出端；

所述的脉冲振荡电路包括脉冲振荡侧调压器t1、脉冲振荡侧试验变压器t2、高压硅堆d、保护电阻r1、充电电容c1、辅助电感l1和可控放电球隙g；

脉冲振荡侧调压器t1两个电压输入端用于接入220v交流电；

脉冲振荡侧调压器t1的电压输出端与脉冲振荡侧试验变压器t2原边的一端连接，脉冲振荡侧试验变压器t2原边的另一端与脉冲振荡侧调压器t1的一个电压输入端连接；

脉冲振荡侧试验变压器t2副边的一端与高压硅堆d的阳极连接，高压硅堆d的阴极与保护电阻r1的一端连接，保护电阻r1的另一端与充电电容c1的一端和可控放电球隙g的一端同时连接，可控放电球隙g的另一端与脉冲振荡侧试验变压器t2副边的另一端和辅助电感l1的一端同时连接后，接电源地；

充电电容c1的另一端与辅助电感l1的另一端连接，并用于产生脉冲振荡电压；

可控放电球隙g的放电端作为脉冲振荡电路的点火控制端；

所述的工频交流试验电路包括工频交流侧调压器t4、工频交流侧试验变压器t5、保护电阻r2和辅助电容c2；

所述的保护电阻r2的一端与容性试样cx的另一端连接，且保护电阻r2的一端还与辅助电容c2的一端连接，保护电阻r2的另一端与工频交流侧试验变压器t5副边的一端连接，工频交流侧试验变压器t5副边的另一端与辅助电容c2的另一端连接后，接电源地；

工频交流侧试验变压器t5原边的一端与工频交流侧调压器t4的电压输出端连接，

工频交流侧调压器t4的两个电压输入端用于接入220v交流电；

工频交流侧试验变压器t5原边的另一端与工频交流侧调压器t4的一个电压输入端连接；

所述的产生方法包括如下步骤：

步骤一：当工频交流试验电路同时满足条件和时，此时工频交流试验电路施加在容性试样cx两端的电压为：

其中，

ω为工频交流电压角频率，所述的工频交流电压为220v交流电压，t为时间；

为工频交流侧试验变压器t5副边绕组输出交流电压的峰值；

步骤二：球隙放电控制电路发出触发脉冲信号至球隙点火电路，球隙点火电路根据接收的触发脉冲信号输出点火控制信号至可控放电球隙g的放电端，使可控放电球隙g进行放电，可控放电球隙g放电时，辅助电感l1两端的电压ul为：

且，当脉冲振荡电路同时满足条件和时，此时脉冲振荡电路施加在容性试样cx两端的电压为：

其中，ω1为脉冲振荡电路的脉冲振荡频率，r为脉冲振荡电路的等效回路电阻；且

其中，uc0为充电电容c1的初始充电电压，δ为脉冲振荡电路的衰减系数，e为常数；

步骤三：脉冲振荡电路施加在容性试样cx两端的电压和工频交流试验电路施加在容性试样cx两端的电压在容性试样cx上进行叠加，从而获得容性试样cx在工频交流试验电路输出的交流电压峰值处叠加脉冲振荡电压从而完成在交流峰值处叠加脉冲振荡高压；

其中，

所述的球隙点火电路包括隔离变压器t6、高压脉冲变压器t3、二极管d1、充电电阻r4、双向晶闸管d2和充电电容c3；

隔离变压器t6原边的两端用于接入220v交流电，隔离变压器t6副边的一端与二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极与充电电阻r4的一端连接，充电电阻r4的另一端与充电电容c3的一端和双向晶闸管d2的一个主电极同时连接；

双向晶闸管d2的另一个主电极与隔离变压器t6副边的另一端同时连接后，接电源地；

充电电容c3的另一端与高压脉冲变压器t3原边的一端连接，高压脉冲变压器t3原边的另一端接电源地，

高压脉冲变压器t3副边的一端作为点火控制信号输出端，其副边的另一端接电源地；

双向晶闸管d2的门极用于接收球隙放电控制电路发出触发脉冲信号。

所述的球隙放电控制电路包括移相整形电路、调频电路和隔离驱动电路；

移相整形电路对接收的220v交流电依次进行移相、整形后，输出至调频电路，调频电路的调频信号输出端与隔离驱动电路的调频信号输入端连接，隔离驱动电路的信号输出端用于发出触发脉冲信号。

所述的调频电路包括电阻ra、电阻rb、电阻rc、电阻rd、电阻rl、电阻rh、电容c4、电容c5、pnp型三极管q1、pnp型三极管q2、逻辑或门、逻辑与门、ne555时基集成电路u1和ne555时基集成电路u2；

pnp型三极管q1的基极作为调频电路的移相整形信号输入端；

pnp型三极管q1的集电极与电阻ra的一端连接，电阻ra的另一端与电阻rb的一端和ne555时基集成电路u1的7号管脚连接，电阻rb的另一端与电容c4的一端、ne555时基集成电路u1的6号及2号管脚同时连接，电容c4的另一端接电源地；ne555时基集成电路u1的1号管脚接电源地；

pnp型三极管q1的发射极与ne555时基集成电路u1的4号管脚连接，电源vcc与电阻rl的一端、ne555时基集成电路u1的4号及8号管脚同时连接，电阻rl的另一端与ne555时基集成电路u1的3号管脚和逻辑或门的一个输入端同时连接，逻辑或门的另一个输入端与pnp型三极管q1的基极连接；

逻辑或门的输出端与逻辑与门的一个输入端和pnp型三极管q2的基极同时连接；

pnp型三极管q2的集电极与ne555时基集成电路u2的7号管脚连接；

pnp型三极管q2的发射极与电阻rc的一端和电阻rd的一端同时连接；

电阻rd的另一端与电容c5的一端、ne555时基集成电路u2的6号及其2号管脚同时连接，电容c5的另一端接电源地；

电阻rc的另一端与电阻rh的一端、ne555时基集成电路u2的4号及其8号管脚同时接入电源vcc，电阻rh的另一端与ne555时基集成电路u2的3号管脚和逻辑与门的另一个输入端同时连接，ne555时基集成电路u2的1号管脚接电源地；

逻辑与门的输出端作为调频电路的调频信号输出端。

所述的双向晶闸管d2为型号为bta20-600b的双向可控硅。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法能够产生交流峰值叠加脉冲振荡高压；提出的球隙放电控制电路能在工频交流电压峰值处等周期间隔地产生晶闸管触发脉冲信号，从而控制球隙的放电频率。

本发明提出的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法，其产生的叠加电压用于对干式空心电抗器匝间绝缘样品进行试验研究，揭示投切过电压对电抗器匝间绝缘的破坏机理。

附图说明

图1为本发明所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生电路的结构示意图；

图2为所述的球隙点火电路的结构示意图；

图3为所述的球隙放电控制电路的结构示意图；

图4为调频电路的结构示意图；

图5为球隙放电控制电路的时序图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法，该产生方法是基于交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生电路实现，且该产生电路包括：脉冲振荡电路1、保护电阻r3、容性试样cx、工频交流试验电路2、球隙点火电路3和球隙放电控制电路4；

球隙放电控制电路4发出触发脉冲信号至球隙点火电路3，球隙点火电路3根据接收的触发脉冲信号输出点火控制信号至脉冲振荡电路1的点火控制端；

脉冲振荡电路1产生脉冲振荡电压经保护电阻r3后加载在容性试样cx的一端，

工频交流试验电路2用于产生工频交流电压，并加载在容性试样cx的另一端；

容性试样cx的两端作为叠加后的电压输出端；

所述的脉冲振荡电路1包括脉冲振荡侧调压器t1、脉冲振荡侧试验变压器t2、高压硅堆d、保护电阻r1、充电电容c1、辅助电感l1和可控放电球隙g；

脉冲振荡侧调压器t1两个电压输入端用于接入220v交流电；

脉冲振荡侧调压器t1的电压输出端与脉冲振荡侧试验变压器t2原边的一端连接，脉冲振荡侧试验变压器t2原边的另一端与脉冲振荡侧调压器t1的一个电压输入端连接；

脉冲振荡侧试验变压器t2副边的一端与高压硅堆d的阳极连接，高压硅堆d的阴极与保护电阻r1的一端连接，保护电阻r1的另一端与充电电容c1的一端和可控放电球隙g的一端同时连接，可控放电球隙g的另一端与脉冲振荡侧试验变压器t2副边的另一端和辅助电感l1的一端同时连接后，接电源地；

充电电容c1的另一端与辅助电感l1的另一端连接，并用于产生脉冲振荡电压；

可控放电球隙g的放电端作为脉冲振荡电路1的点火控制端；

所述的工频交流试验电路2包括工频交流侧调压器t4、工频交流侧试验变压器t5、保护电阻r2和辅助电容c2；

所述的保护电阻r2的一端与容性试样cx的另一端连接，且保护电阻r2的一端还与辅助电容c2的一端连接，保护电阻r2的另一端与工频交流侧试验变压器t5副边的一端连接，工频交流侧试验变压器t5副边的另一端与辅助电容c2的另一端连接后，接电源地；

工频交流侧试验变压器t5原边的一端与工频交流侧调压器t4的电压输出端连接，

工频交流侧调压器t4的两个电压输入端用于接入220v交流电；

工频交流侧试验变压器t5原边的另一端与工频交流侧调压器t4的一个电压输入端连接；

所述的产生方法包括如下步骤：

步骤一：当工频交流试验电路2同时满足条件和时，此时工频交流试验电路2施加在容性试样cx两端的电压为：

其中，

ω为工频交流电压角频率，所述的工频交流电压为220v交流电压，t为时间；

为工频交流侧试验变压器t5副边绕组输出交流电压的峰值；

步骤二：球隙放电控制电路4发出触发脉冲信号至球隙点火电路3，球隙点火电路3根据接收的触发脉冲信号输出点火控制信号至可控放电球隙g的放电端，使可控放电球隙g进行放电，可控放电球隙g放电时，辅助电感l1两端的电压ul为：

且，当脉冲振荡电路1同时满足条件和时，此时脉冲振荡电路1施加在容性试样cx两端的电压为：

其中，ω1为脉冲振荡电路的脉冲振荡频率，r为脉冲振荡电路的等效回路电阻；且

其中，uc0为充电电容c1的初始充电电压，δ为脉冲振荡电路的衰减系数，e为常数；

步骤三：脉冲振荡电路1施加在容性试样cx两端的电压和工频交流试验电路2施加在容性试样cx两端的电压在容性试样cx上进行叠加，从而获得容性试样cx在工频交流试验电路2输出的交流电压峰值处叠加脉冲振荡电压从而完成在交流峰值处叠加脉冲振荡高压；

其中，

本实施方式的图1中，左侧为脉冲振荡电路1，在工频交流峰值处，可控放电球隙g放电时辅助电感l1上将产生一个高频脉冲振荡衰减电压。右侧为工频交流试验电路2，辅助电容c2很小(nf级)，试验变压器t5输出的工频交流电压几乎全部施加在辅助电容c2两端。辅助电感l1、保护电阻r3、容性试样cx和辅助电容c2构成了一个回路，且保护电阻r3相比试样cx的容抗几乎可以忽略，则容性试样cx上电压就为交流峰值叠加脉冲振荡电压。

具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法的区别在于，所述的球隙点火电路3包括隔离变压器t6、高压脉冲变压器t3、二极管d1、充电电阻r4、双向晶闸管d2和充电电容c3；

隔离变压器t6原边的两端用于接入220v交流电，隔离变压器t6副边的一端与二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极与充电电阻r4的一端连接，充电电阻r4的另一端与充电电容c3的一端和双向晶闸管d2的一个主电极同时连接；

双向晶闸管d2的另一个主电极与隔离变压器t6副边的另一端同时连接后，接电源地；

充电电容c3的另一端与高压脉冲变压器t3原边的一端连接，高压脉冲变压器t3原边的另一端接电源地，

高压脉冲变压器t3副边的一端作为点火控制信号输出端，其副边的另一端接电源地；

双向晶闸管d2的门极用于接收球隙放电控制电路4发出触发脉冲信号。

本实施方式中，球隙点火电路3工作时，隔离变压器t6通过二极管d1和充电电阻r4给充电电容c3充电，当充电电容c3充满电后，在某一交流电压的峰值时，充电电容c3给晶闸管d2触发脉冲信号，晶闸管d2导通，此时，充电电容c3经晶闸管d2以及高压脉冲变压器t3的原边形成脉冲振荡，释放能量的同时，在高压脉冲变压器t3的副边形成另一个高压脉冲，此高压脉冲用来给可控放电球隙g点火。

具体实施方式三：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法的区别在于，所述的球隙放电控制电路4包括移相整形电路4-1、调频电路4-2和隔离驱动电路4-3；

移相整形电路4-1对接收的220v交流电依次进行移相、整形后，输出至调频电路4-2，调频电路4-2的调频信号输出端与隔离驱动电路4-3的调频信号输入端连接，隔离驱动电路4-3的信号输出端用于发出触发脉冲信号。

具体实施方式四：参见图1和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法的区别在于，所述的调频电路4-2包括电阻ra、电阻rb、电阻rc、电阻rd、电阻rl、电阻rh、电容c4、电容c5、pnp型三极管q1、pnp型三极管q2、逻辑或门、逻辑与门、ne555时基集成电路u1和ne555时基集成电路u2；

pnp型三极管q1的基极作为调频电路4-2的移相整形信号输入端；

pnp型三极管q1的集电极与电阻ra的一端连接，电阻ra的另一端与电阻rb的一端和ne555时基集成电路u1的7号管脚连接，电阻rb的另一端与电容c4的一端、ne555时基集成电路u1的6号及2号管脚同时连接，电容c4的另一端接电源地；ne555时基集成电路u1的1号管脚接电源地；

pnp型三极管q1的发射极与ne555时基集成电路u1的4号管脚连接，电源vcc与电阻rl的一端、ne555时基集成电路u1的4号及8号管脚同时连接，电阻rl的另一端与ne555时基集成电路u1的3号管脚和逻辑或门的一个输入端同时连接，逻辑或门的另一个输入端与pnp型三极管q1的基极连接；

逻辑或门的输出端与逻辑与门的一个输入端和pnp型三极管q2的基极同时连接；

pnp型三极管q2的集电极与ne555时基集成电路u2的7号管脚连接；

pnp型三极管q2的发射极与电阻rc的一端和电阻rd的一端同时连接；

电阻rd的另一端与电容c5的一端、ne555时基集成电路u2的6号及其2号管脚同时连接，电容c5的另一端接电源地；

电阻rc的另一端与电阻rh的一端、ne555时基集成电路u2的4号及其8号管脚同时接入电源vcc，电阻rh的另一端与ne555时基集成电路u2的3号管脚和逻辑与门的另一个输入端同时连接，ne555时基集成电路u2的1号管脚接电源地；

逻辑与门的输出端作为调频电路4-2的调频信号输出端。

本实施方式中，移相整形电路4-1可采用现有技术实现；

本发明提出球隙放电控制电路4的时序图如附图5所示；其中，移相信号b¹的电压波形是通过220v交流电压波形a¹移相90度得到，将移相信号b¹进行整形获得整形信号c¹，该整形后的信号c¹的波形为方波。

从时序图5可以看出，整形后的信号c¹可以实现在220v交流电压波形a¹的每一个正峰值处，触发晶闸管d2导通，进而可控放电球隙g放电、工频交流侧试验变压器t5输出交流电压的每一个正峰值处叠加上脉冲振荡电压。其中，工频交流侧试验变压器t5输出交流电压为：与220v交流电压同相位的工频交流电压。

若要在工频交流电压峰值处等周期间隔地叠加上脉冲振荡电压，就要对整形得到的方波信号c¹进行调频处理。本发明提出的调频电路4-2由ne555时基集成电路构成的多谐振荡电路串接而成，电路具体连接方式如附图4所示；其中，第一级多谐振荡电路由一个ne555时基集成电路u1、电阻ra、电阻rb、上拉电阻rl、电容c4、pnp型三极管q1构成，

第二级多谐振荡电路与第一级多谐振荡电路类似，由ne555时基集成电路u2、电阻rc、电阻rd、电阻rh、pnp型三极管q2构成。

由ne555时基集成电路构成的多谐振荡电路中，方波信号c¹通过三极管q1控制电容c4充放电形成振荡，在ne555时基集成电路u1的3号管脚输出端能够输出矩形脉冲。

从第一级555多谐振荡电路的管脚3输出调频信号时序图中的定时信号d¹,定时信号d¹再与移相整形后的方波信号c¹通过逻辑或门电路形成定时信号e，定时信号e通过三极管q2控制第二级555多谐振荡电路中电容c5的放电过程，能够从第二级555电路管脚3输出定时信号f波形，而后波形c¹和波形f通过一个逻辑与门电路输出波形g。

从时序图5可以看出在定时信号d¹的每个振荡周期内产生了一个触发脉冲信号，改变第一级555多谐振荡电路产生的定时信号d¹的振荡频率触发脉冲信号的频率随之而改变，相应地球隙放电频率变化，最终控制了每秒于工频交流电压峰值处叠加脉冲振荡电压的次数。根据数字电子技术的相关知识可知，第一级多谐振荡电路中的电容c4的充电时间对应着ne555时基集成电路u1的管脚3输出矩形脉冲高电平持续时间，电容c4的放电时间对应着ne555时基集成电路u1的管脚3输出发矩形脉冲的低电平时持续时间，电容c4的充电时间t1为：

t1＝(ra+rb)c4ln2，

电容c4的放电时间t2为：

t2＝rbc4ln2，

故第一级555振荡电路输出矩形脉冲d¹的振荡周期t为：

t＝t1+t2＝(ra+2rb)c4ln2，

第一级555振荡电路输出矩形脉冲d¹的振荡频率f为：

从上述关系式可知，改变第一级555多谐振荡电路中电阻ra、rb和电容c4的参数即可改变定时信号d¹的振荡频率，进而改变每秒于工频交流电压峰值处产生的触发脉冲信号的个数。以每秒在工频交流电压峰值处产生两个触发脉冲信号为例，通过计算可得ra＝7.5kω、rb＝1.1kω、c1＝33uf，经过对555串级多谐振荡调频电路的仿真和工频叠加脉冲振荡试验的验证，此结果符合要求。

具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法的区别在于，所述的晶闸管d2为型号为bta20-600b的双向可控硅。

本发明所述一种交流峰值叠加脉冲振荡高压的产生方法不局限于上述各实施方式所记载的具体方法，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。