一種igbt觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種IGBT觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置，包括：交流電源、調壓器、限流電阻、整流模塊、IGBT模塊、主電容和變壓器。電源通過IGBT模塊對主電容充電，再通過觸發(fā)導通IGBT模塊，使得主電容對變壓器的原邊放電，在副邊感應出操作沖擊電壓，由沖擊高壓分壓器測量，通過同軸電纜連接示波器，在示波器上顯示。裝置能夠產生非振蕩的和振蕩的操作沖擊電壓，除了變壓器、分壓器外，各元件均工作在較低電壓環(huán)境下，產生的電壓分散性小，不產生擊穿放電信號，為實驗室尤其是現場的應用提供了。本發(fā)明具有操作簡單、便于移動、波形準確、適合現場及局放測量的優(yōu)點。
【專利說明】一種IGBT觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及沖擊電壓發(fā)生器【技術領域】，涉及利用IGBT觸發(fā)感應操作沖擊電壓這一研究課題。
【背景技術】
[0002]電力設備在正常運行中，不但需要耐受正常工況下的工頻過電壓，還需要經常耐受雷電過電壓和操作過電壓，因此現場檢測電力設備的沖擊電壓耐受水平也是十分必要的。國家標準GB1094.3-2003中就規(guī)定了最高電壓大于170kV的電力變壓器，操作沖擊試驗為例行試驗。操作沖擊電壓試驗也是現場試驗中的重要組成部分，國家標準GB/T16927.3-2010中明確規(guī)定了設備現場交接程序中沖擊電壓的波形，不但對傳統(tǒng)的雷電沖擊和操作沖擊電壓進行了規(guī)定，還對振蕩沖擊電壓進行了定義。規(guī)程標準DL/T 618指出操作沖擊電壓試驗對檢測GIS中絕緣缺陷比較敏感，在進行交流耐壓試驗的同時可以增加沖擊電壓試驗。規(guī)程標準DL/T 555中指出操作沖擊電壓試驗對檢查GIS中存在的污染和異常電場結構特別有效，適用于較高額定電壓的GIS現場耐壓試驗。此外對于GIS設備，還需要進行局部放電的測量，在各種沖擊電壓下進行局部放電測量，也成為了現今常用的重要檢測手段之一。綜上所述，研究易于現場使用的操作沖擊電壓產生技術及其相應的裝置設備，具有十分重要的意義。
[0003]操作沖擊電壓是指峰值時間大于20 μ S、半峰值時間不大于4000 μ S的沖擊電壓，其分為非振蕩型沖擊和振蕩型沖擊電壓。非振蕩型操作沖擊指電壓迅速上升到峰值，然后無振蕩地緩慢降低到零的沖擊。而振蕩型操作沖擊電壓，則為電壓迅速上升到峰值，然后伴隨著頻率范圍在IkHz和15kHz之間的阻尼振蕩降低至零，其中有或無電壓極性的反轉。峰值時間Tp是指實際原點到達電壓峰值時刻之間的時間間隔；半峰值時間T2，對于非振蕩型操作沖擊電壓，定義為實際原點和電壓下降到半峰值時刻之間的時間間隔；對于振蕩型操作沖擊電壓，定義為實際原點和振蕩型操作沖擊電壓的包絡線降低到半峰值時刻之間的時間間隔。
[0004]通常，實驗室中的沖擊電壓發(fā)生器采用Marx電路，即多組電容器并聯充電串聯放電的方式產生沖擊，其中使用擊穿球間隙作為觸發(fā)放電的方式。這樣的沖擊電壓發(fā)生器占地面積普遍較大，搬運困難，球間隙擊穿電壓難于控制，產生的波形分散性較大，并且球隙擊穿放電會使同時測量局部放電有困難，難以適應現場試驗的要求。
[0005]目前，大多數研究給出的電路都較簡單，沒有關于振蕩操作沖擊電壓的詳細研究，并且仍使用球隙觸發(fā)放電。既沒有完整的電路元件參數和操作沖擊電壓的波形參數的關系研究，也沒有用電力電子開關取代球隙方面的研究。因此，有必要研究新型操作沖擊電壓發(fā)生器。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的是在實驗室或現場產生操作沖擊電壓，采用數值計算的方法，利用程序計算出發(fā)生器的電路元件參數。采用IGBT作為觸發(fā)沖擊產生的開關，利用電路對變壓器原邊放電，在副邊感應出操作沖擊電壓。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術方案來解決:
[0008]一種IGBT觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置，包括:交流電源(I)、調壓器
(2)、限流電阻(3)、整流模塊⑷、IGBT模塊(5)、主電容(9)和變壓器(14)，其特征在于:
[0009]交流電源(I)連接調壓器(2)，對調壓器進行220V供電；
[0010]調壓器的輸出電壓為O?1000V，所述調壓器通過限流電阻(3)和整流模塊⑷連接，所述整流模塊(4)進一步連接IGBT模塊(5)，所述IGBT模塊(5)進一步連接調波R-L-C模塊和主電容(9)，所述調波R-L-C模塊進一步和變壓器原邊相連；
[0011]其中:所述調波R-L-C模塊包括波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)；
[0012]所述IGBT模塊(5)至少包括第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)；
[0013]所述裝置通過第一 IGBT管子(6)對主電容(9)進行充電，充電后的主電容(9)通過第二 IGBT管子(7)和所述調波R-L-C模塊對所述變壓器(14)的原邊進行放電，所述變壓器的副邊則用于感應出操作沖擊電壓。
[0014]優(yōu)選的，所述IGBT模塊(5)由驅動電路⑶控制；
[0015]所述操作沖擊電壓由沖擊高壓分壓器(15)測量；
[0016]所述沖擊高壓分壓器(15)由高壓臂(17)和低壓臂(16)組成，所述沖擊高壓分壓器通過同軸電纜(18)連接示波器(19)，由示波器(19)示出操作沖擊電壓的波形。
[0017]優(yōu)選的，所述第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)串聯連接，且:第一 IGBT管子(6)的發(fā)射極連接第二 IGBT管子(7)的集電極(21)，第一 IGBT管子￠)的發(fā)射極與集電極(23)之間反向并聯第一二極管(29);第二 IGBT管子(7)的發(fā)射極(22)與集電極(21)之間反向并聯第二二極管(28)。
[0018]優(yōu)選的，所述的IGBT模塊(5)開通時間不大于0.15 μ S，關斷時間不大于0.4 μ S，由此引入的峰值時間Tp和半峰值時間T2的誤差均不大于0.75%，第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)耐壓為1700V，最大通過電流100Α。
[0019]優(yōu)選的，對于波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)，其所需耐壓水平不大于變壓器原邊電壓峰值的2倍；
[0020]通過波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)參數值的調節(jié)，以產生非振蕩操作沖擊電壓和振蕩操作沖擊電壓。
[0021]優(yōu)選的，所述的IGBT驅動電路⑶耐壓為5kV，開通時間小于0.67 μ s,關斷時間小于0.4 μ s,耐受的電壓變化率為50kV/y s ；
[0022]所述驅動電路為雙通道獨立控制觸發(fā)型，用以同時驅動第一 IGBT管子(6)和第二IGBT 管子(7)。
[0023]優(yōu)選的，通過調節(jié)波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容
(13)的參數，以使得產生的操作沖擊電壓峰值時間在20?400 μ s內可調，半峰值時間在1000?4000 μ s內可調
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]I)本發(fā)明當選擇變壓器和分壓器工作在2kV以上時，體積重量均較小，方便移動，及其適合現場試驗；現場試驗時，也可以利用現場的變壓器產生操作沖擊電壓。
[0026]2)本發(fā)明中各電阻、電容、電感因其耐壓等級不高而造價低廉且體積小，調節(jié)方便。
[0027]3)本發(fā)明采用IGBT作為觸發(fā)沖擊的開關使用，沒有球隙的擊穿放電過程，不會影響操作沖擊電壓試驗時局部放電的測量。如果進一步采用IGBT驅動電路控制通斷，十分方便，也沒有球隙擊穿時的噪音。
[0028]4)本發(fā)明不但可以產生非振蕩操作沖擊電壓，還可以產生振蕩操作沖擊電壓。并且根據電路參數計算程序調節(jié)元件，使得操作沖擊電壓的峰值時間和半峰值時間連續(xù)可調。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)結構示意圖；
[0030]圖2本發(fā)明的一個實施例的IGBT模塊示意圖；
[0031 ] 圖3本發(fā)明的一個實施例的IGBT驅動電路示意圖；
[0032]圖4本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)結構的等效電路分析圖；
[0033]圖5本發(fā)明的一個實施例產生的操作沖擊電壓形圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖進一步加以詳細說明；
[0035]如附圖1所示，一種IGBT觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置，包括:交流電源I接調壓器2，通過限流電阻3和整流二極管4通過IGBT模塊5中的第一個IGBT管子6的控制對主電容9進行充電，主電容充電后再通過觸發(fā)導通IGBT管子7，通過波頭電阻11、波尾電阻10、調波電感12和調波電容13，對變壓器14的原邊放電，在副邊感應出操作沖擊電壓。IGBT模塊由驅動電路8控制。操作沖擊電壓由沖擊高壓分壓器15測量，其由高壓臂17和低壓臂16組成，通過同軸電纜18連接示波器19，最終在示波器19上觀察操作沖擊電壓的波形。
[0036]附圖2為IGBT模塊結構圖，內部由兩個IGBT管子串聯而成，對于第一個IGBT管子，23為集電極，21為發(fā)射極，24為基極，25為輔助射極，29為跟該管子反向并聯的二極管；類似的，對于第二個IGBT管子，21為集電極，22為發(fā)射極，26為基極，27為輔助射極，28為跟該管子反向并聯的二極管。IGBT具有耐壓高、通態(tài)通流能力和斷態(tài)阻斷能力強、開關速度快、易于控制等特點，在變壓器低壓側代替球隙作為放電的開關。
[0037]附圖3為IGBT模塊的驅動電路結構原理圖，整個驅動電路由直流電源供電模塊31做電源，32,33分別為通道A和B的開關，36、38為A、B通道輸出模塊，其中通道A對應附圖1中的IGBT管子6，通道B對應附圖1中的IGBT管子7。當通道開關閉合，則對應IGBT管子導通，當開關打開則管子關斷。結合附圖1，當保持通道B開關33斷開時，閉合通道A開關32，IGBT管子6導通，電源開始對主電容C1充電，充電完成后斷開通道A開關32 ;此時閉合通道B開關33，IGBT管子7導通，主電容C1開始對變壓器14初級放電，則在變壓器次級會感應出所需的操作沖擊電壓。37為輸出反饋模塊，監(jiān)測驅動電路是否正常工作，若有異常，則通過保護電路34進行驅動芯片的重置，保護驅動芯片和IGBT模塊。驅動芯片35是驅動電路的核心，完成整個驅動電路的控制、運轉功能。
[0038]優(yōu)選的，所述的整流二極管反向耐壓大于調壓器峰值電壓，限流電阻阻值大于峰值電壓除以二極管最大電流。
[0039]優(yōu)選的，所述的IGBT模塊中有兩個管子，集射極耐壓、反向耐壓均大于調壓器峰值電壓，通流能力大于30A，門極開關電壓為+15V。一個管子作為控制充電的開關，另一個作為觸發(fā)放電的開關。
[0040]優(yōu)選的，所述的IGBT驅動電路采用+15V直流供電，可以通過開關產生±15V的電壓控制IGBT管子的通斷。
[0041]優(yōu)選的，所述的變壓器為充氣式無局放變壓器，且具備:體積小，漏感小，勵磁電感小的特點。
[0042]此外，本發(fā)明有配套的參數計算方法，可準確便捷的計算出調波電阻、電容、電感值等參數，確保產生的波形分散性小。當試品為變壓器時，可直接利用該方法和變壓器的參數計算所需的調波電阻、電容、電感，依舊按照系統(tǒng)的接法，直接利用被試變壓器產生操作沖擊電壓。
[0043]就所述計算方法而言:考慮到變壓器繞組的電阻相對電抗都比較小，而漏抗相對于勵磁電抗也比較小，變壓器便可等效為型電路，假設等效后變壓器的勵磁電感為Lm，當主電容對變壓器原邊放電時，整個系統(tǒng)結構的等效電路分析圖如附圖4所示，設:通過勵磁電感L111的電流為?π，調波電容C2上電壓為U2,通過的電流為i2，主電容C1上電壓為U1，通過的電流為I1，通過調波電感L的電流為L波尾電阻札上電流為iK1，則化簡可得微分方程:
[0044]
【權利要求】
1.一種IGBT觸發(fā)的變壓器感應操作沖擊電壓產生裝置，包括:交流電源(I)、調壓器(2)、限流電阻(3)、整流模塊⑷、IGBT模塊(5)、主電容(9)和變壓器(14)，其特征在于: 交流電源(I)連接調壓器(2)，對調壓器進行220V供電； 調壓器的輸出電壓為O?1000V，所述調壓器通過限流電阻(3)和整流模塊⑷連接，所述整流模塊(4)進一步連接IGBT模塊(5)，所述IGBT模塊(5)進一步連接調波R-L-C模塊和主電容(9)，所述調波R-L-C模塊進一步和變壓器原邊相連； 其中:所述調波R-L-C模塊包括波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)； 所述IGBT模塊(5)至少包括第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)； 所述裝置通過第一 IGBT管子(6)對主電容(9)進行充電，充電后的主電容(9)通過第二 IGBT管子(7)和所述調波R-L-C模塊對所述變壓器(14)的原邊進行放電，所述變壓器的副邊則用于感應出操作沖擊電壓。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述IGBT模塊(5)由驅動電路⑶控制； 所述操作沖擊電壓由沖擊高壓分壓器(15)測量； 所述沖擊高壓分壓器(15)由高壓臂(17)和低壓臂(16)組成，所述沖擊高壓分壓器通過同軸電纜(18)連接示波器(19)，由示波器(19)示出操作沖擊電壓的波形。
3.根據權利要求1所述的裝置，優(yōu)選的，其特征在于: 所述第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)串聯連接，且:第一 IGBT管子(6)的發(fā)射極連接第二 IGBT管子(7)的集電極(21)，第一 IGBT管子(6)的發(fā)射極與集電極(23)之間反向并聯第一二極管(29);第二 IGBT管子(7)的發(fā)射極(22)與集電極(21)之間反向并聯第二二極管(28)。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述的IGBT模塊(5)開通時間不大于0.15 μ S，關斷時間不大于0.4 μ S，由此引入的峰值時間Tp和半峰值時間T2的誤差均不大于0.75%，第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)耐壓為1700V，最大通過電流100Α。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 對于波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)，其所需耐壓水平不大于變壓器原邊電壓峰值的2倍； 通過波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)參數值的調節(jié)，以產生非振蕩操作沖擊電壓和振蕩操作沖擊電壓。
6.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于: 所述的IGBT驅動電路(8)耐壓為5kV，開通時間小于0.67 μ S，關斷時間小于0.4 μ S，耐受的電壓變化率為50kV/y s ； 所述驅動電路為雙通道獨立控制觸發(fā)型，用以同時驅動第一 IGBT管子(6)和第二 IGBT管子(7)。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于: 優(yōu)選的，通過調節(jié)波頭電阻(11)、波尾電阻(10)、調波電感(12)和調波電容(13)的參數，以使得產生的操作沖擊電壓峰值時間在20?400 μ s內可調，半峰值時間在1000?4000 μ s內可調。
8.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于: 對于所述參數值的調節(jié)，考慮到變壓器繞組的電阻相對電抗都比較小，而漏抗相對于勵磁電抗也比較小，變壓器便能等效為Γ型電路，當主電容對變壓器原邊放電時，假設此時等效的電路中，變壓器的勵磁電感為Lni，設:通過勵磁電感L111的電流為I，調波電容為C2,主電容為C1，調波電感為L，波尾電阻為R1，波頭電阻為R2，則得到等效的電路的微分方程如下:
針對微分方程(I)可通過引入中間變量化為常微分方程組求解，即
這樣，求解方程(I)的四階龍格庫塔公式為:
由上式(6)求出y后，則可得變壓器輸出的操作沖擊電壓的波形曲線U2:
1)進一步的，基于上述理論，對于振蕩操作沖擊電壓，振蕩操作沖擊電壓的波形計算步驟如下: . 1.1)設定振蕩操作沖擊電壓的目標波形的峰值時間Tp和半峰值時間T2； . 1.2)設定計算步長h以及最大計算步數，忽略漏抗并設定所述主電容C1、調波電容C2、波尾電阻R1、波頭電阻R2、調波電感L，以及變壓器的勵磁電感Lm的元件參數值； . 1.3)根據所述設定的元件參數值，計算系數矩陣F，并初始化曲線向量qx □，包絡線向量blx 口，極大值數組jdz []，數組y []，以及中間變量數組Kl []、K2 口、K3 []、K4 口； . 1.4)步進計算所述y[]和qx□，直至qx[]過零或達到最初設定的最大計算步數后，查找qx[]中的各極大值和其橫坐標及qx[]末位順序存入jdz []中；然后用Laplace插值方法求出jdz[]所有點的內插曲線，即包絡線向量blx□,以及求出jdz[]各連續(xù)兩點間距平均值的倒數并將其作為振蕩頻率freq ； . 1.5)查找qx[]中的最大值和blx[]下降沿中值，找到步驟1.2)所述設定的元件參數值情況下的、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間； .1.6)變更所述設定的元件參數值，循環(huán)調用上述步驟1.2)至1.5)，求得每一組所述設定的元件參數值情況下、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間，并計算其與目標波形的峰值時間Tp和半峰值時間T2的誤差S ;根據可接受的誤差S，確定循環(huán)次數，待循環(huán)結束后，在整個范圍內找到誤差最小的，即得到符合要求的所述主電容C1、調波電容C2、波尾電阻R1、波頭電阻R2、調波電感L的參數值，同時一并得到符合要求的操作沖擊電壓曲線、包絡線曲線、峰值時間、半峰值時間和振蕩頻率； .2)進一步的，基于上述理論，對于非振蕩操作沖擊電壓，與上述I)類似，只是變量少了調波電感L，具體的，非振蕩操作沖擊電壓的波形計算步驟如下: . 2.1)設定非振蕩操作沖擊電壓的目標波形的峰值時間Tq和半峰值時間T3 ； . 2.2)設定計算步長h以及最大計算步數，忽略漏抗并設定所述主電容C1、調波電容C2、波尾電阻R1、波頭電阻R2,以及變壓器的勵磁電感Lm的元件參數值； . 2.3)根據所述設定的元件參數值，計算系數矩陣F，并初始化曲線向量qx []，數組y []，以及中間變量數組Kl []、K2 口、K3 []、K4 口； . 2.4)步進計算所述y[]和qx□，直至qx[]過零或達到最初設定的最大計算步數后，查找qx[]中的最大值和下降沿中值，找到步驟2.2)所述設定的元件參數值情況下的、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間； . 2.5)變更所述設定的元件參數值，循環(huán)調用上述步驟2.2)至2.4)，求得每一組所述設定的元件參數值情況下、對應的操作沖擊電壓波形的峰值時間和半峰值時間，并計算其與目標波形的峰值時間Tp和半峰值時間T2的誤差S ;根據可接受的誤差S，確定循環(huán)次數，待循環(huán)結束后，在整個范圍內找到誤差最小的，即得到符合要求的所述主電容C1、調波電容C2、波尾電阻R1、波頭電阻R2的參數值，同時一并得到符合要求的操作沖擊電壓曲線、峰值時間、半峰值時間。
【文檔編號】H02M5/293GK104167927SQ201410383501
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權日:2014年8月6日
【發(fā)明者】黃軍凱, 劉崇濱, 曾華榮, 趙立進, 呂黔蘇, 劉華麟, 楊佳鵬, 任明, 董明, 張崇興 申請人:貴州電力試驗研究院, 西安交通大學