级联式兆伏级电压发生装置的制作方法

本发明涉及高电压试验技术领域，具体而言，涉及一种级联式兆伏级电压发生装置。

背景技术：

目前，在研究雷电屏蔽问题时，一般利用长间隙放电来开展雷电上行先导试验研究。其关键是要在地面目标物附近产生与自然雷电等效的时变电场，该电场具有由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征。当前试验中，常用的marx冲击电压发生器只能输出固有双指数电压波形，无法满足雷电上行先导试验的电场等效性要求，进而成为制约大尺度目标物雷电防护的关键因素。为此，亟需研制新型原理兆伏级高电压发生装置，用于产生与自然雷电等效的电场波形。

在此需求背景下，一种电容可控充电原理的新型高电压发生技术已被相关学者提出。该技术融合电力电子与高电压试验技术，以低电压等级的电容可控充电单元电路(简称单元电路)为核心，通过多级单元电路串联(简称级联)抬升电压，以实现兆伏级高电压输出。根据公开的技术资料，该单元电路的典型输出电压为25kv，以此推算，若要实现1mv电压输出，则至少需要40级单元电路串联；要实现更高的电压输出，需要级联的单元电路数量也就更多，同时，由于采用级联方式抬升电压，使得单元电路间存在逐级电位差，故还需考虑单元电路间的电气绝缘问题。因此，为基于该新型技术研制mv级高电压发生装置，需要针对数量众多的单元电路及其级联问题，研究提出合理的装置结构方案。

中国专利公开号：cn104467512a的发明专利申请，公开了两个以上的充电触发单元轴向连接，充电触发单元包括气体开关以及位于气体开关两侧的电容，相邻的充电触发单元通过第一绝缘主体连接，以在大容量试品的情况下输出陡前沿冲击波形，但却无法产生具有由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征的电压波形，即产生与自然雷电等效的电压波形，无法满足雷电上行先导试验的电场等效性要求。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种级联式兆伏级电压发生装置，旨在针对数量众多的单元电路及其级联问题，提出合理的装置结构方案。

一个方面，本发明提出了一种级联式兆伏级电压发生装置。该装置包括：支撑结构、均压结构和串联的多级单元电路；其中，各级单元电路沿支撑结构的高度方向螺旋设置且均与支撑结构相连接，以产生具有预设时变特性的兆伏级电压；均压结构与支撑结构的顶部相连接，以均匀电场；支撑结构用于支撑各级单元电路和均压结构。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，相邻的两级单元电路的高度差ht＝k×(δu/eins)；上式中，k为裕度系数，k≥1；δu为相邻的两级单元电路的电位差，单位为kv；eins为支撑结构的材料沿面绝缘强度，单位为kv/m。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，螺旋方向上的各级单元电路中，高度方向上相邻的两级单元电路之间的轴向距离为单节螺距，单节螺距hs＝ns×ht；上式中，ns为单节螺距内布置的单元电路的数量；ht为相邻的两级单元电路的高度差。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，首级单元电路与末级单元电路之间的轴向距离为螺旋上升总高度，螺旋上升总高度hs＝(n-1)×ht；上式中，n为单元电路的总串联级数；ht为相邻的两级单元电路的高度差。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，支撑结构包括：底座、支撑筒和多个支撑板；其中，支撑筒的底端与底座相连接，支撑筒的顶端与均压结构相连接；各支撑板的第一端均与支撑筒相连接，并且，各支撑板沿支撑筒的高度方向螺旋设置，各级单元电路一一对应地设置于各支撑板上。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，各支撑板与相对应的各级单元电路之间均敷设有导电片，导电片作为与其相对应的单元电路工作电位参考面。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，每级单元电路均包括：电压控制器、变压器和电容器；其中，电压控制器、变压器和电容器依次安装于支撑板上；相邻的两级单元电路中，位于下级的电容器的第一端与位于上级的电容器的第二端电连接。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，支撑结构还包括：多个支撑柱，各支撑柱沿支撑筒的周向均匀设置，并且，各支撑柱的底端均与底座相连接，各支撑柱的顶端均与均压结构相连接；各支撑柱均与相对应的各支撑板的第二端相连接。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，支撑筒和各支撑柱均与支撑板可拆卸地相连接。

进一步地，上述级联式兆伏级电压发生装置中，支撑结构为绝缘的支撑结构。

本发明中，串联的多级单元电路可以产生具有预设时变特性兆伏级电压，而预设时变特性的电压可以为由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征的电压，该时变特征更加接近自然雷电等效的电场时变特征，可以满足雷电上行先导试验的电场等效性要求，进而使试验结果更加准确；各级单元电路沿支撑结构的高度方向螺旋设置，为进一步根据输入参数和约束条件开展装置具体结构设计和最终实现电容可控充电原理新型高电压发生技术奠定了基础，使得在试验室开展雷电上行先导等效模拟试验研究成为了可能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置的主视图；

图2为本发明实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置中，单元电路的主视图；

图4为本发明实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置中，单元电路的俯视图；

图5为本发明实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置中，单元电路与支撑结构相连接的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1和图2，图中示出了本实施例提供的级联式兆伏级电压发生装置的优选结构。如图所示，该装置包括：支撑结构1、均压结构2和串联的多级单元电路3。

其中，各级单元电路3环绕支撑结构1且沿着支撑结构1的高度方向螺旋上升设置，并且，各级单元电路3均与所述支撑结构1相连接。各级单元电路3可以产生具有预设时变特性的兆伏级电压，例如产生具有由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征的兆伏级电压。均压结构2与支撑结构1的顶部相连接，进而对装置电场进行均匀，此外，均压结构2还可以起到补偿杂散电容的作用。支撑结构1则对各级单元电路3和均压结构2提供支撑。具体实施时，均压结构2可以为双层均压环。

本实施例中，串联的多级单元电路3可以产生具有预设时变特性的兆伏级电压，而预设时变特性的电压可以为由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征的电压，该时变特征更加接近自然雷电等效的电场时变特征，可以满足雷电上行先导试验的电场等效性要求，进而使试验结果更加准确；各级单元电路3沿支撑结构1的高度方向螺旋设置，为进一步根据输入参数和约束条件开展装置具体结构设计和最终实现电容可控充电原理新型高电压发生技术奠定了基础，使得在试验室开展雷电上行先导等效模拟试验研究成为了可能。

上述实施例中，相邻的两级单元电路3的高度差ht＝k×(δu/eins)，其中，k为裕度系数，k≥1；δu为相邻的两级单元电路3的电位差，单位为kv；eins为支撑结构1的材料沿面绝缘强度，单位为kv/m。螺旋方向上的各级单元电路1中，高度方向上相邻的两级单元电路1之间的轴向距离为单节螺距，单节螺距hs＝ns×ht，其中，ns为单节螺距内布置的单元电路3的数量，ht为相邻的两级单元电路的高度差。首级单元电路3与末级单元电路3之间的轴向距离为螺旋上升总高度，螺旋上升总高度hs＝(n-1)×ht，其中，n为单元电路3的总串联级数，ht为相邻的两级单元电路的高度差。例如，如果相邻的两级单元电路3的电位差δu为25kv，支撑结构1的材料沿面绝缘强度eins为175kv/m，并取k为1.05，则可以由上述公式计算得到相邻的两级单元电路3的高度差ht为15cm；根据单节螺距内布置的单元电路3的数量ns为10级，相邻的两级单元电路3的高度差ht为15cm，可以由上述公式计算得到单节螺距的高度hs为1.5m；根据单元电路3的总串联级数n为60级，相邻的两级单元电路3的高度差ht为15cm，可以由上述公式计算得到螺旋上升总高度hs为8.85m。

上述实施例中，支撑结构1可以包括：底座11、支撑筒12和多个支撑板13。其中，支撑筒12的底端(相对于图1而言)可以与底座11相连接，底座11的顶端(相对于图1而言)可以与均压结构2相连接。具体实施时，底座11可以为钢构底座。各支撑板13的第一端(图1所示的右端)均可以与支撑筒12的外壁相连接，各支撑板13可以环绕支撑筒12且沿着支撑筒12的高度方向螺旋上升设置。具体实施时，各支撑板13的第一端均可以与支撑筒12的外壁可拆卸地连接，例如螺栓连接或法兰连接。支撑板13的个数可以与单元电路3的级数相同，进而使各级单元电路3可以一一对应地设置于各支撑板13上。

本实施例中，各级单元电路3可以利用支撑筒12和各支撑板13得到支撑固定，进而实现螺旋上升的布置方式，结构简单，易于实现。

上述实施例中，各支撑板13的上表面与相对应的各级单元电路3之间均可以敷设有条状金属的导电片31，导电片31可以作为与其相对应的单元电路3的工作电位参考面。

参见图3至图5，图中示出了本实施例提供的单元电路的优选结构。如图所示，每级单元电路3均可以包括：电压控制器32、变压器33和电容器34。其中，电压控制器32、变压器33和电容器34依次安装于支撑板13上。相邻的两级单元电路3中，位于下级的电容器34的第一端(图3所示的上端)与位于上级的电容器34的第二端(图3所示的下端)电连接，以实现各级单元电路3的电气串联。需要说明的是，电压控制器32、变压器33和电容器34的连接方式为本领域技术人员所公知，此处不再赘述。

根据组件结构特点，按大小划分有：电压控制器32>变压器33>电容器34；按重量划分有：电压控制器32≈变压器33>电容器34，具体的结构参数可以参见表1。

表1

因此，电压控制器32、变压器33和电容器34可以从左至右依次布置在左宽右窄的支撑板13上。支撑板13的厚度可以为15mm，支撑板13的第一端为窄边，支撑板13的第二端为宽边，支撑板13的第一端与支撑筒12相连接。

上述实施例中，支撑结构1还可以包括：多个支撑柱14。各支撑柱14可以沿支撑筒12的周向均匀设置，并且，各支撑柱14的底端均可以与底座11相连接，各支撑柱14的顶端均可以与均压结构2相连接。具体实施时，支撑结构1可以为绝缘的支撑结构1，即支撑筒12、各支撑板13和各支撑柱14均可以为绝缘的，例如，各支撑板13均可以为环氧树脂的支撑板。各支撑柱14可以与相对应的各支撑板13的第二端相连接，即与相对应的各支撑板13的宽边相连接。具体实施时，各支撑柱14与相对应的各支撑板13的第二端可以为可拆卸地连接，例如螺栓连接或法兰连接。

本实施例中，各支撑柱14可以对各级单元电路3起到进一步的支撑作用，进而使得各级单元电路3的位置得到进一步的固定。

综上，本实施例中，串联的多级单元电路可以产生具有预设时变特性的兆伏级电压，而预设时变特性的电压可以为由缓渐陡且近似呈单调指数上升的时变特征的电压，该时变特征更加接近自然雷电等效的电场时变特征，可以满足雷电上行先导试验的电场等效性要求，进而使试验结果更加准确；各级单元电路沿支撑结构的高度方向螺旋设置，为进一步根据输入参数和约束条件开展装置具体结构设计和最终实现电容可控充电原理新型高电压发生技术奠定了基础，使得在试验室开展雷电上行先导等效模拟试验研究成为了可能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。