专利名称：一种真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置及其方法
技术领域：
本发明属于真空灭弧室的老炼技术领域，具体涉及一种用于真空灭弧室老炼的以纳秒连续脉冲源为核心的老炼装置，和以该新型老炼装置为载体的老炼方法。
背景技术：
目前，真空灭弧室的传统老炼技术主要有电流老炼及火花老炼两种。电流老炼的主要作用在于利用电弧的电磨损作用，除去依附在电极表面的气体、氧化物、微凸起等绝缘弱点，它对大电流分断和抑制弧后击穿有益。火花老炼技术是指在静态情况下给真空灭弧室施加高电压，引起真空灭弧室内部触头间及触头与屏蔽罩之间强烈的火花放电。通过火花放电的作用，清除触头和屏蔽电极表面的高β发射点。不同于传统的老炼方法，1993年达姆施塔特工业大学Ballat等(J.ballat， D.konig. Spark Conditioning Procedures for Vacuum Interrupters in Circuit Breakers[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation Vol. 28,No. 4,pp. 621-627, 1993)对高频老炼电源的电路参数进行了调整，优化老炼的电流幅值和频率后，得出了在一定频率和幅值的高频电流作用下，真空灭弧室的耐压水平的分散性可以从几十千伏减少并稳定到几千伏内。杨兰均等人在1998年申请的专利(专利号申请号为98112973.0) 中提及一种真空开关的高频老炼装置，利用LC振荡进行高频电流放电，研究表明该装置可以大大提高放电电流和在单位时间内的放电次数，提高真空开关的老炼效率。ABB公司 Fink 等人(Harald Fink, Dietmar Gentsch, et al. Conditioning of Series Vacuum Interrupter (VIs) for Medium Voltage by applying High-Frequency(HF) Current to Increase the Dielectric Strength of Vis[J]. IEEE Trans. On Plasma Science,Vol. 35, No. 4. pp. 873-878,2007.)提出一种高频电流老炼方法，该方法采用频率为7. 2kHz,电流峰值10kA、单次放电持续时间为数微秒的实验装置对真空灭弧室进行老炼，研究表明了采用高频老炼方案能够使触头表面在放电能量的熔蚀作用下在亚微米尺度上发生有利的转变。不管是传统的老炼还是利用高频电流对真空灭弧室进行老炼的方法，都存在放电能量难以控制，单位时间击穿次数无法准确设定，老炼程度和趋势无法准确控制等不足。针对以上情况，本发明提出以纳秒连续脉冲电压源替代传统老炼电源的新型真空灭弧室老炼方法。该方法通过调整单次放电过程的能量，并精确控制单位时间内的放电次数，实现对老炼程度及老炼趋势的有利控制，并极大提高真空灭弧室的老炼均勻度。在真空开断技术大量应用，并逐渐向高电压和大容量发展的趋势下，该老炼方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种真空灭弧室的纳秒连续脉冲电压老炼装置及其方法，该装置和方法采用纳秒级连续脉冲源作为真空灭弧室的老炼电源。通过控制单脉冲放电能量、连续脉冲的重复频率和作用时间，以达到真空灭弧室的最佳老炼效果。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的该种真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，包括控制系统、直流电源、储能单元、 形成网络、触发单元和控制开关部分；所述控制系统分别连接至直流电源和触发单元，直流电源的输出端连接储能单元，触发单元连接控制开关，储能单元和形成网络连接，形成网络通过限流单元对真空灭弧室输出脉冲电压；所述控制单元还连接至储能单元上；所述真空灭弧室的下部设置有调节装置；所述控制单元控制直流电源的通断、调节直流电源的电压幅值给储能单元进行充电；并设定触发单元的动作频率及连续脉冲持续时间；所述控制开关部分接受触发单元的动作指令，并控制储能单元产生脉冲，所述储能单元对形成网络中的脉冲变压器原边直接放电产生脉冲电压；该脉冲经形成网络产生单向的纳秒脉冲，产生的纳秒脉冲经限流单元后加载于真空灭弧室。上述限流单元为无感高压电阻。上述控制系统包括作为中央处理模块的单片机，所述单片机连接有信号传输模块、LED显示模块和老炼参数设置人机交换模块。上述单片机为AT89C52。上述LED显示模块由充电电压显示模块、预期脉冲电压显示模块和老炼参数显示模块组成。基于以上所述装置，本发明还提出一种老练方法，具体包括以下步骤1)首先将真空灭弧室由调节装置垂直固定，调节真空灭弧室触头的开距；2)调整老炼参数，包括直流电源的电压幅值，频率和放电持续时间，以及限流单元的大小；脉冲的重复频率和作用时间通过控制系统加以设定；3)调整好老炼参数后，对真空灭弧室进行老炼；4)完成第一次老炼后，翻转真空灭弧室的极性，再次进行老炼，直至老炼结束。以上步骤1)中，所述真空灭弧室的触头开距由调节装置进行调节，所述调节装置将触头静端固定，利用和触头动端连接的调节螺栓调节触头开距，触头刚分时刻的螺栓出头长度为初始值，调节螺栓后的出头长度和初始值的差值即为触头开距的大小。本发明与目前现有老炼技术相比，具有以下优点(1)老炼效果好，能显著提升真空灭弧室绝缘耐压能力以及减少击穿电压分散性。 原因在于1)老炼能量小并可控，老炼过程不存在“去老炼”作用；2)瞬态老炼电流大，在电场作用下，能有效地、有选择性地去除真空灭弧室内绝缘弱点；3)触头表面老炼均勻。(2)老炼效率高，能有效提高真空灭弧室制造厂家的生产效率。(3)老炼参数控制调整方便，易于工作人员操作。
图1 (a)是纳秒级连续脉冲老炼装置的原理图；图1 (b)是控制系统1的原理图；图2是调节装置9的结构示意图；图3是连续脉冲发生器的输出波形；
图4是连续脉冲发生器的单个脉冲输出波形
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述本发明真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置的构成如图1(a)所示。其中包括控制系统1、直流电源2、储能单元3、形成网络4、触发单元5、控制开关部分6、限流单元7、真空灭弧室8和调节装置9。其中控制系统1分别连接至直流电源2和触发单元5，直流电源 2的输出端连接储能单元3，触发单元5连接控制开关6，储能单元3和形成网络4连接，形成网络4通过限流单元7对真空灭弧室8输出脉冲电压；控制单元6还连接至储能单元3 上；调节装置9设置在真空灭弧室8的下部。调节装置9如图2所示，包括开距调整螺母9. 1、双头螺钉9. 2和套筒9.3 ；双头螺钉9. 2的上部是细螺纹9. 4、下部是粗螺纹9. 5 ；其中，开距调整螺母9. 1同轴螺纹配合设置在双头螺钉9. 2上部的细螺纹上，双头螺钉9. 2下部的粗螺纹9. 5与套筒9. 3的内螺纹配合同轴安装。控制系统1包括作为中央处理模块的单片机，单片机连接有信号传输模块、LED 显示模块和老炼参数设置人机交换模块。在本发明的较佳实施例中，单片机可以选择 AT89C52 ；LED显示模块由充电电压显示模块、预期脉冲电压显示模块和老炼参数显示模块组成。控制单元1首先用于控制直流电源2的通断和调节电压幅值给储能原件3进行充电，同时利用分压器将充电电压反馈给控制系统1的单片机，通过处理分析将充电电压和预期脉冲电压显示于LED显示模块；其次通过人机交换界面(即老炼参数设置人机交换模块)可选定本次老炼条件，根据老炼条件参数设定触发单元5的动作频率及连续脉冲持续时间。具体功能如图1(b)所示。本发明的控制开关部分6是由氢闸流管组成，接受触发单元5的动作指令后，控制储能单元3产生脉冲，该脉冲经形成网络4中的高压脉冲变压器和高压硅堆产生纳秒脉冲电压。产生的电脉冲经限流单元7后加载于真空灭弧室8，实现对真空灭弧室的老炼。真空灭弧室8的触头开距由装置9进行调节。其中限流单元7要求为无感高压电阻，调节装置 9需要调节灭弧室触头开距，触头开距大小要求精确到0. 02mm以上。图3所示为形成网络的连续脉冲输出波形，图4为单个脉冲波形，其10% 90% 前沿上升时间为纳秒级。本发明所涉及的老炼参数调节方法说明如下1)首先使真空灭弧室8由调节装置9垂直固定，调节装置9调节灭弧室8触头的开距调节装置9将触头静端固定，利用和触头动端连接的调节螺栓调节触头开距，触头刚分时刻的螺栓出头长度为初始值，调节螺栓后的出头长度和初始值的差值即为触头开距的大小。2)调整老炼参数，包括直流电源3的电压幅值、频率和放电持续时间，以及限流单元6的大小。脉冲的重复频率和作用时间通过控制系统1加以设定。参数的选择需要针对不同情况，选择合适的参数。3)调整好老炼参数后，对真空灭弧8室进行老炼。
4)完成第一次老炼后，翻转真空灭弧室8的极性，再次进行老炼，直至老炼结束。综上所述，本发明的真空灭弧室纳秒连续脉冲老炼装置是利用氢间流管控制开关来控制储能电容元件的连续导通放电，然后通过高压脉冲变压器和高压硅堆形成高压纳秒连续脉冲电压群。基于该装置的老炼方法是基于单片机系统通过控制氢闸流管控制开关的触发频率和触发时间，来调整纳秒连续脉冲的重复频率和作用时间；通过调节储能电容的容量、充电电压以及限流电阻的大小控制老炼电压、电流、能量，以达到真空灭弧室最佳老炼效果。
权利要求
1.一种真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，其特征在于，包括控制系统(1)、直流电源O)、储能单元(3)、形成网络G)、触发单元( 和控制开关部分(6)；所述控制系统(1) 分别连接至直流电源( 和触发单元(5)，直流电源O)的输出端连接储能单元(3)，触发单元(5)连接控制开关(6)，储能单元(3)和形成网络⑷连接，形成网络⑷通过限流单元(7)对真空灭弧室(8)输出脉冲电压；所述控制单元(6)还连接至储能单元( 上；所述真空灭弧室(8)的下部设置有调节装置(9)；所述控制单元(1)控制直流电源O)的通断、调节直流电源O)的电压幅值给储能单元(3)进行充电；并设定触发单元(5)的动作频率及连续脉冲持续时间；所述控制开关部分(6)接受触发单元(5)的动作指令，并控制储能单元(3)产生脉冲，所述储能单元(3)对形成网络中的脉冲变压器原边直接放电产生脉冲电压；该脉冲经形成网络(4)产生单向的纳秒脉冲，产生的纳秒脉冲经限流单元(7)后加载于真空灭弧室(8)。
2.根据权利要求1所述的真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，其特征在于，所述限流单元(7)为无感高压电阻。
3.根据权利要求1所述的真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，其特征在于，所述控制系统(1)包括作为中央处理模块的单片机，所述单片机连接有信号传输模块、LED显示模块和老炼参数设置人机交换模块。
4.根据权利要求3所述的真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，其特征在于，所述单片机为AT89C52。
5.根据权利要求3所述的真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置，其特征在于，所述LED 显示模块由充电电压显示模块、预期脉冲电压显示模块和老炼参数显示模块组成。
6.一种基于权利要求1所述装置的老练方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先使真空灭弧室(8)由调节装置(9)垂直固定，调节真空灭弧室(8)触头的开距；2)调整包括直流电源(3)的电压幅值、频率和放电持续时间以及限流单元(6)大小的老炼参数；脉冲的重复频率和作用时间通过控制系统(1)加以设定；3)调整好老炼参数后，对真空灭弧室(8)进行老炼；4)完成第一次老炼后，翻转真空灭弧室(8)的极性，再次进行老炼，直至老炼结束。
7.根据权利要求6所述的老练方法，其特征在于，步骤1)中，所述真空灭弧室(8)的触头开距由调节装置(9)进行调节，所述调节装置(9)将触头静端固定，利用和触头动端连接的调节螺栓调节触头开距，触头刚分时刻的螺栓出头长度为初始值，调节螺栓后的出头长度和初始值的差值即为触头开距的大小。
全文摘要
本发明涉及一种真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼装置及其方法，该装置包括控制系统、直流电源、储能单元、形成网络、触发单元和控制开关部分；控制系统连接至直流电源和触发单元，直流电源输出端连接储能单元，触发单元连接控制开关，储能单元和形成网络连接，形成网络通过限流单元对真空灭弧室输出脉冲电压；控制单元连接至储能单元上；真空灭弧室的下部设调节装置。本发明的方法通过调整单次放电过程的能量，并控制单位时间内的放电次数，实现老炼程度及老炼趋势的控制，提高真空灭弧室的老炼均匀度。本发明采用纳秒级连续脉冲源作为真空灭弧室的老炼电源。通过控制单脉冲放电能量、连续脉冲的重复频率和作用时间，达到真空灭弧室的最佳老炼效果。
文档编号H01H11/00GK102426954SQ20111036613
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者刘志远, 杨和, 杨红钦, 王建华, 翟小社, 耿英三 申请人:西安交通大学