一种与工频相位同步的高压球隙光电触发装置及方法与流程

本发明涉及一种与工频相位同步的高压球隙光电触发装置及方法，属于高压试验技术领域。

背景技术：

球隙开关是一种高电压大电流的开关装置，广泛应用于高电压放电试验电路中，特别是冲击电压发生器与冲击电流发生器中一般使用的触发装置是球隙开关。常规的冲击耐压试验、冲击下的局部放电检测及击穿试验对冲击电压发生器的高压球隙导通时刻并无特别的要求。然而在交流叠加冲击试验中则需要控制高压球隙的导通时刻，在特定的工频相位产生满足试验要求的交流与冲击叠加电压波形。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种与工频相位同步的高压球隙光电触发装置及方法，旨在精确控制多个高压球隙在特定时刻同步导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加，并且叠加相位可控。

本发明采用如下技术方案：一种与工频相位同步的高压球隙光电触发装置，所述装置包括：

交流电压采集整形电路：用于获取工频交流电压，对所述工频交流电压进行处理，获得标准脉冲信号；同时将标准脉冲信号分为a、b两路工频方波信号，并对b路工频方波信号进行n倍倍频处理，获得倍频脉冲信号；

信号处理与控制输出电路：用于以a路工频方波信号过零时刻为起点对所述倍频脉冲信号进行处理，在指定工频相位同时输出多路控制信号；

高压球隙触发放电回路：用于根据多路控制信号触发多个高压球隙同步点火导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加。

本发明还提供一种与工频相位同步的高压球隙光电触发方法，所述方法包括如下步骤：

s100、获取系统中的工频交流电压，对所述工频交流电压进行处理，获得标准脉冲信号；同时将标准脉冲信号分为a、b两路工频方波信号，并对b路工频方波信号进行n倍倍频处理，获得倍频脉冲信号；

s200、以a路工频方波信号过零时刻为起点对所述倍频脉冲信号进行处理，在指定工频相位同时输出多路控制信号；

s300、根据多路控制信号触发多个高压球隙同步点火导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加。

本发明带来的有益技术效果是：能够精确控制多个球隙在特定时刻同步导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加，并且叠加相位可控，同时高压球隙触发方式多样，可单次触发，也可在固定时间段内多次触发。

附图说明

图1是本发明与工频相位同步的高压球隙光电触发装置的整体结构原理图；

图2是本发明中交流电压采集整形电路、信号处理与控制输出电路的结构原理图；

图3是本发明中光电传输电路、高压球隙触发放电回路的结构原理图；

图4是本发明一个实施例所述的比较整形器电路原理图；

图5是本发明一个实施例所述的倍频电路原理图；

图6(a)至图6(d)是本发明在工频相位0°/90°/180°/270°时单片机输出控制信号的示意图；

图7是本发明在1s内连续触发4次的控制信号示意图；

图8(a)至图8(d)是本发明在工频相位0°/90°/180°/270°时叠加标准操作冲击电压的试验波形。

具体实施方式

下面结合附图1至图8(d)和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种与工频相位同步的高压球隙光电触发装置，主要包括交流电压采集整形电路1、信号处理与控制输出电路2、光电传输电路3和高压球隙触发放电回路4。

其中，交流电压采集整形电路1，用于获取工频交流电压，对所述工频交流电压进行处理，获得标准脉冲信号。同时将标准脉冲信号分为a、b两路工频方波信号，并对b路工频方波信号进行n倍倍频处理，获得倍频脉冲信号。

信号处理与控制输出电路2，用于以a路工频方波信号过零时刻为起点对所述倍频脉冲信号进行处理，在指定工频相位同时输出多路控制信号。

光电传输电路3，设置于信号处理与控制输出电路和高压球隙触发放电回路之间，用于传输控制信号。

高压球隙触发放电回路4，用于根据多路控制信号触发多个高压球隙同步点火导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加。

在一个优选实施例中，如图2所示，所述信号处理与控制输出电路2包括单片机21，所述单片机21以a路工频方波信号过零时刻作为采样脉冲计数的开始，记录倍频脉冲信号的个数，当倍频脉冲信号的个数达到设定值时，单片机21在指定工频相位同时输出多路控制信号。其中，所述设定值由用户根据冲击电压需要叠加的工频相位进行设定。

在本实施例中，单片机型号优选stc89c52rc，其优点是低功耗、高性能、价格低廉，在同类产品中性价比较高。

在一个优选实施例中，如图2所示，所述交流电压采集整形电路1包括分压器11、滤波衰减器12、比较整形器13和倍频电路14。其中，所述分压器11用于获取系统中的工频交流电压。所述滤波衰减器12用于对工频交流电压进行直流隔离、滤波和衰减处理，即去除工频交流电压中的直流及其他杂波分量，并将其幅值衰减到5v以内，以获得标准脉冲信号。所述比较整形器13用于将标准脉冲信号分为a、b两路工频方波信号。所述倍频电路14用于对b路工频方波信号进行n倍倍频处理，获得倍频脉冲信号。

在本实施例中，分压器11优选电容分压器，分压比1000∶1，耐压100kv(本发明自身的试验系统输出最高电压为100kv，所以选择分压比1000∶1，耐压100kv的分压器)。滤波衰减器12是以lm358运算放大器为核心设计的二阶有源滤波器，其优点是电源电压范围宽、低输入失调电压和失调电流、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。如图4所示，比较整形器13是以op07集成运算放大器为核心设计的，其优点是具有非常低的输入失调电压，不需要额外的调零措施。如图5所示，倍频电路14是以cd404012位二进制串行计数器和锁相环芯片cd4046为核心设计的，其优点是cd4040在脉冲计数时对脉冲上升和下降时间无限制，cd4046输入阻抗高，动态功耗小。

在本实施例中，本发明的倍频处理主要是基于cd404012位二进制串行计数器实现的，因此倍频倍数n的取值为2ⁿ，其中0≤n≤12，n为整数。用户也可根据实际需求选择其他器件实现倍频。

在一个优选实施例中，如图3所示，所述光电传输电路3包括电-光转移装置31、光纤32和光-电转换装置33，所述光一电转换装置33设置于高压球隙内，所述控制信号经电-光转移装置31将电信号转换为光信号，光信号经过光纤32传输给高压球隙内的光-电转换装置33再变回电信号。在本实施例中，通过采用光纤传输控制信号，可实现将高压试验回路与控制回路隔离，保障了单片机等相关器件免受高压回路中强电场的影响，更重要的是可以保障操作人员的生命安全。

在一个优选实施例中，如图3所示，所述高压球隙触发放电回路4包括多个功率放大装置41和多个高压球隙42，一个高压球隙42对应一个功率放大装置41，所述每个高压球隙42内均设置有电子开关器件，所述每路控制信号控制对应的高压球隙电子开关器件导通放电，放电信号经功率放大装置41放大后变为2kv的高压脉冲触发高压球隙同步点火导通。

本发明还提供了一种与工频相位同步的高压球隙光电触发方法，所述方法包括如下步骤：

s100、利用分压器11获取试验系统中的工频交流电压，通过滤波衰减器12对所述工频交流电压进行处理，获得标准脉冲信号，同时利用比较整形器13将标准脉冲信号分为a、b两路工频方波信号，再用倍频电路14并对b路工频方波信号进行n倍倍频处理，获得倍频脉冲信号。

s200、将a路工频方波信号和倍频脉冲信号发送给单片机，单片机以a路工频方波信号过零时刻为起点对所述倍频脉冲信号进行处理，即以a路工频方波信号过零时刻作为采样脉冲计数的开始，记录倍频脉冲信号的个数，当倍频脉冲信号的个数达到设定值时，单片机在指定工频相位同时输出多路控制信号。所述设定值由用户根据冲击电压需要叠加的工频相位进行设定。

s300、单片机输出的多个控制信号经过电-光转换装置将电信变为光信号，光信号通过光纤传输出高压球隙中的光-电转换装置中再变回电信号，电信号控制信号控制球内的电子开关器件导通放电，放电信号经功率放大装置41放大后变为2kv的高压脉冲触发高压球隙点火导通，即高压球隙触发放电回路4根据多路控制信号触发多个高压球隙同步点火导通，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加。

图6(a)至图6(d)是本发明分别在工频相位0°/90°/180°/270°时单片机输出控制信号的示意图。图7是本发明在1s内连续触发4次的控制信号示意图。图8(a)至图8(d)是本发明分别在工频相位0°/90°/180°/270°时叠加标准操作冲击电压的试验波形。

通过如上技术方案及附图所示可知，本发明能够同时输出多路控制信号，实现控制多个球隙同步导通，并通过利用脉冲计数的方式锁定叠加相位，实现冲击电压在指定工频相位的精确叠加，并且叠加相位可控。通过软硬件相结合，可实现通过软件程序设计减少硬件电路设计的复杂性，也可实现通过软件与硬件调节同时减小设计误差。通过光纤传输控制信号，可实现将高压试验回路与控制回路隔离，保障了单片机等相关器件免受高压回路中强电场的影响，更重要的是可以保障操作人员的生命安全。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。