本發(fā)明涉及高電壓試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

目前，在研究雷電屏蔽問題時(shí)，一般利用長(zhǎng)間隙放電來開展雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)研究。其關(guān)鍵是要在地面目標(biāo)物附近產(chǎn)生與自然雷電等效的時(shí)變電場(chǎng)，該電場(chǎng)具有由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征。當(dāng)前試驗(yàn)中，常用的marx沖擊電壓發(fā)生器只能輸出固有雙指數(shù)電壓波形，無法滿足雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)的電場(chǎng)等效性要求，進(jìn)而成為制約大尺度目標(biāo)物雷電防護(hù)的關(guān)鍵因素。為此，亟需研制新型原理兆伏級(jí)高電壓發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生與自然雷電等效的電場(chǎng)波形。

在此需求背景下，一種電容可控充電原理的新型高電壓發(fā)生技術(shù)已被相關(guān)學(xué)者提出。該技術(shù)融合電力電子與高電壓試驗(yàn)技術(shù)，以低電壓等級(jí)的電容可控充電單元電路(簡(jiǎn)稱單元電路)為核心，通過多級(jí)單元電路串聯(lián)(簡(jiǎn)稱級(jí)聯(lián))抬升電壓，以實(shí)現(xiàn)兆伏級(jí)高電壓輸出。根據(jù)公開的技術(shù)資料，該單元電路的典型輸出電壓為25kv，以此推算，若要實(shí)現(xiàn)1mv電壓輸出，則至少需要40級(jí)單元電路串聯(lián)；要實(shí)現(xiàn)更高的電壓輸出，需要級(jí)聯(lián)的單元電路數(shù)量也就更多，同時(shí)，由于采用級(jí)聯(lián)方式抬升電壓，使得單元電路間存在逐級(jí)電位差，故還需考慮單元電路間的電氣絕緣問題。因此，為基于該新型技術(shù)研制mv級(jí)高電壓發(fā)生裝置，需要針對(duì)數(shù)量眾多的單元電路及其級(jí)聯(lián)問題，研究提出合理的裝置結(jié)構(gòu)方案。

中國(guó)專利公開號(hào)：cn104467512a的發(fā)明專利申請(qǐng)，公開了兩個(gè)以上的充電觸發(fā)單元軸向連接，充電觸發(fā)單元包括氣體開關(guān)以及位于氣體開關(guān)兩側(cè)的電容，相鄰的充電觸發(fā)單元通過第一絕緣主體連接，以在大容量試品的情況下輸出陡前沿沖擊波形，但卻無法產(chǎn)生具有由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征的電壓波形，即產(chǎn)生與自然雷電等效的電壓波形，無法滿足雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)的電場(chǎng)等效性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提出了一種級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置，旨在針對(duì)數(shù)量眾多的單元電路及其級(jí)聯(lián)問題，提出合理的裝置結(jié)構(gòu)方案。

一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置。該裝置包括：支撐結(jié)構(gòu)、均壓結(jié)構(gòu)和串聯(lián)的多級(jí)單元電路；其中，各級(jí)單元電路沿支撐結(jié)構(gòu)的高度方向螺旋設(shè)置且均與支撐結(jié)構(gòu)相連接，以產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)時(shí)變特性的兆伏級(jí)電壓；均壓結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的頂部相連接，以均勻電場(chǎng)；支撐結(jié)構(gòu)用于支撐各級(jí)單元電路和均壓結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，相鄰的兩級(jí)單元電路的高度差ht＝k×(δu/eins)；上式中，k為裕度系數(shù)，k≥1；δu為相鄰的兩級(jí)單元電路的電位差，單位為kv；eins為支撐結(jié)構(gòu)的材料沿面絕緣強(qiáng)度，單位為kv/m。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，螺旋方向上的各級(jí)單元電路中，高度方向上相鄰的兩級(jí)單元電路之間的軸向距離為單節(jié)螺距，單節(jié)螺距hs＝ns×ht；上式中，ns為單節(jié)螺距內(nèi)布置的單元電路的數(shù)量；ht為相鄰的兩級(jí)單元電路的高度差。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，首級(jí)單元電路與末級(jí)單元電路之間的軸向距離為螺旋上升總高度，螺旋上升總高度hs＝(n-1)×ht；上式中，n為單元電路的總串聯(lián)級(jí)數(shù)；ht為相鄰的兩級(jí)單元電路的高度差。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，支撐結(jié)構(gòu)包括：底座、支撐筒和多個(gè)支撐板；其中，支撐筒的底端與底座相連接，支撐筒的頂端與均壓結(jié)構(gòu)相連接；各支撐板的第一端均與支撐筒相連接，并且，各支撐板沿支撐筒的高度方向螺旋設(shè)置，各級(jí)單元電路一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置于各支撐板上。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，各支撐板與相對(duì)應(yīng)的各級(jí)單元電路之間均敷設(shè)有導(dǎo)電片，導(dǎo)電片作為與其相對(duì)應(yīng)的單元電路工作電位參考面。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，每級(jí)單元電路均包括：電壓控制器、變壓器和電容器；其中，電壓控制器、變壓器和電容器依次安裝于支撐板上；相鄰的兩級(jí)單元電路中，位于下級(jí)的電容器的第一端與位于上級(jí)的電容器的第二端電連接。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，支撐結(jié)構(gòu)還包括：多個(gè)支撐柱，各支撐柱沿支撐筒的周向均勻設(shè)置，并且，各支撐柱的底端均與底座相連接，各支撐柱的頂端均與均壓結(jié)構(gòu)相連接；各支撐柱均與相對(duì)應(yīng)的各支撐板的第二端相連接。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，支撐筒和各支撐柱均與支撐板可拆卸地相連接。

進(jìn)一步地，上述級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，支撐結(jié)構(gòu)為絕緣的支撐結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，串聯(lián)的多級(jí)單元電路可以產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)時(shí)變特性兆伏級(jí)電壓，而預(yù)設(shè)時(shí)變特性的電壓可以為由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征的電壓，該時(shí)變特征更加接近自然雷電等效的電場(chǎng)時(shí)變特征，可以滿足雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)的電場(chǎng)等效性要求，進(jìn)而使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確；各級(jí)單元電路沿支撐結(jié)構(gòu)的高度方向螺旋設(shè)置，為進(jìn)一步根據(jù)輸入?yún)?shù)和約束條件開展裝置具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最終實(shí)現(xiàn)電容可控充電原理新型高電壓發(fā)生技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，使得在試驗(yàn)室開展雷電上行先導(dǎo)等效模擬試驗(yàn)研究成為了可能。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置的主視圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，單元電路的主視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，單元電路的俯視圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置中，單元電路與支撐結(jié)構(gòu)相連接的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

參見圖1和圖2，圖中示出了本實(shí)施例提供的級(jí)聯(lián)式兆伏級(jí)電壓發(fā)生裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。如圖所示，該裝置包括：支撐結(jié)構(gòu)1、均壓結(jié)構(gòu)2和串聯(lián)的多級(jí)單元電路3。

其中，各級(jí)單元電路3環(huán)繞支撐結(jié)構(gòu)1且沿著支撐結(jié)構(gòu)1的高度方向螺旋上升設(shè)置，并且，各級(jí)單元電路3均與所述支撐結(jié)構(gòu)1相連接。各級(jí)單元電路3可以產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)時(shí)變特性的兆伏級(jí)電壓，例如產(chǎn)生具有由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征的兆伏級(jí)電壓。均壓結(jié)構(gòu)2與支撐結(jié)構(gòu)1的頂部相連接，進(jìn)而對(duì)裝置電場(chǎng)進(jìn)行均勻，此外，均壓結(jié)構(gòu)2還可以起到補(bǔ)償雜散電容的作用。支撐結(jié)構(gòu)1則對(duì)各級(jí)單元電路3和均壓結(jié)構(gòu)2提供支撐。具體實(shí)施時(shí)，均壓結(jié)構(gòu)2可以為雙層均壓環(huán)。

本實(shí)施例中，串聯(lián)的多級(jí)單元電路3可以產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)時(shí)變特性的兆伏級(jí)電壓，而預(yù)設(shè)時(shí)變特性的電壓可以為由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征的電壓，該時(shí)變特征更加接近自然雷電等效的電場(chǎng)時(shí)變特征，可以滿足雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)的電場(chǎng)等效性要求，進(jìn)而使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確；各級(jí)單元電路3沿支撐結(jié)構(gòu)1的高度方向螺旋設(shè)置，為進(jìn)一步根據(jù)輸入?yún)?shù)和約束條件開展裝置具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最終實(shí)現(xiàn)電容可控充電原理新型高電壓發(fā)生技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，使得在試驗(yàn)室開展雷電上行先導(dǎo)等效模擬試驗(yàn)研究成為了可能。

上述實(shí)施例中，相鄰的兩級(jí)單元電路3的高度差ht＝k×(δu/eins)，其中，k為裕度系數(shù)，k≥1；δu為相鄰的兩級(jí)單元電路3的電位差，單位為kv；eins為支撐結(jié)構(gòu)1的材料沿面絕緣強(qiáng)度，單位為kv/m。螺旋方向上的各級(jí)單元電路1中，高度方向上相鄰的兩級(jí)單元電路1之間的軸向距離為單節(jié)螺距，單節(jié)螺距hs＝ns×ht，其中，ns為單節(jié)螺距內(nèi)布置的單元電路3的數(shù)量，ht為相鄰的兩級(jí)單元電路的高度差。首級(jí)單元電路3與末級(jí)單元電路3之間的軸向距離為螺旋上升總高度，螺旋上升總高度hs＝(n-1)×ht，其中，n為單元電路3的總串聯(lián)級(jí)數(shù)，ht為相鄰的兩級(jí)單元電路的高度差。例如，如果相鄰的兩級(jí)單元電路3的電位差δu為25kv，支撐結(jié)構(gòu)1的材料沿面絕緣強(qiáng)度eins為175kv/m，并取k為1.05，則可以由上述公式計(jì)算得到相鄰的兩級(jí)單元電路3的高度差ht為15cm；根據(jù)單節(jié)螺距內(nèi)布置的單元電路3的數(shù)量ns為10級(jí)，相鄰的兩級(jí)單元電路3的高度差ht為15cm，可以由上述公式計(jì)算得到單節(jié)螺距的高度hs為1.5m；根據(jù)單元電路3的總串聯(lián)級(jí)數(shù)n為60級(jí)，相鄰的兩級(jí)單元電路3的高度差ht為15cm，可以由上述公式計(jì)算得到螺旋上升總高度hs為8.85m。

上述實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)1可以包括：底座11、支撐筒12和多個(gè)支撐板13。其中，支撐筒12的底端(相對(duì)于圖1而言)可以與底座11相連接，底座11的頂端(相對(duì)于圖1而言)可以與均壓結(jié)構(gòu)2相連接。具體實(shí)施時(shí)，底座11可以為鋼構(gòu)底座。各支撐板13的第一端(圖1所示的右端)均可以與支撐筒12的外壁相連接，各支撐板13可以環(huán)繞支撐筒12且沿著支撐筒12的高度方向螺旋上升設(shè)置。具體實(shí)施時(shí)，各支撐板13的第一端均可以與支撐筒12的外壁可拆卸地連接，例如螺栓連接或法蘭連接。支撐板13的個(gè)數(shù)可以與單元電路3的級(jí)數(shù)相同，進(jìn)而使各級(jí)單元電路3可以一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置于各支撐板13上。

本實(shí)施例中，各級(jí)單元電路3可以利用支撐筒12和各支撐板13得到支撐固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)螺旋上升的布置方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

上述實(shí)施例中，各支撐板13的上表面與相對(duì)應(yīng)的各級(jí)單元電路3之間均可以敷設(shè)有條狀金屬的導(dǎo)電片31，導(dǎo)電片31可以作為與其相對(duì)應(yīng)的單元電路3的工作電位參考面。

參見圖3至圖5，圖中示出了本實(shí)施例提供的單元電路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。如圖所示，每級(jí)單元電路3均可以包括：電壓控制器32、變壓器33和電容器34。其中，電壓控制器32、變壓器33和電容器34依次安裝于支撐板13上。相鄰的兩級(jí)單元電路3中，位于下級(jí)的電容器34的第一端(圖3所示的上端)與位于上級(jí)的電容器34的第二端(圖3所示的下端)電連接，以實(shí)現(xiàn)各級(jí)單元電路3的電氣串聯(lián)。需要說明的是，電壓控制器32、變壓器33和電容器34的連接方式為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，此處不再贅述。

根據(jù)組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按大小劃分有：電壓控制器32>變壓器33>電容器34；按重量劃分有：電壓控制器32≈變壓器33>電容器34，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以參見表1。

表1

因此，電壓控制器32、變壓器33和電容器34可以從左至右依次布置在左寬右窄的支撐板13上。支撐板13的厚度可以為15mm，支撐板13的第一端為窄邊，支撐板13的第二端為寬邊，支撐板13的第一端與支撐筒12相連接。

上述實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)1還可以包括：多個(gè)支撐柱14。各支撐柱14可以沿支撐筒12的周向均勻設(shè)置，并且，各支撐柱14的底端均可以與底座11相連接，各支撐柱14的頂端均可以與均壓結(jié)構(gòu)2相連接。具體實(shí)施時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)1可以為絕緣的支撐結(jié)構(gòu)1，即支撐筒12、各支撐板13和各支撐柱14均可以為絕緣的，例如，各支撐板13均可以為環(huán)氧樹脂的支撐板。各支撐柱14可以與相對(duì)應(yīng)的各支撐板13的第二端相連接，即與相對(duì)應(yīng)的各支撐板13的寬邊相連接。具體實(shí)施時(shí)，各支撐柱14與相對(duì)應(yīng)的各支撐板13的第二端可以為可拆卸地連接，例如螺栓連接或法蘭連接。

本實(shí)施例中，各支撐柱14可以對(duì)各級(jí)單元電路3起到進(jìn)一步的支撐作用，進(jìn)而使得各級(jí)單元電路3的位置得到進(jìn)一步的固定。

綜上，本實(shí)施例中，串聯(lián)的多級(jí)單元電路可以產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)時(shí)變特性的兆伏級(jí)電壓，而預(yù)設(shè)時(shí)變特性的電壓可以為由緩漸陡且近似呈單調(diào)指數(shù)上升的時(shí)變特征的電壓，該時(shí)變特征更加接近自然雷電等效的電場(chǎng)時(shí)變特征，可以滿足雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)的電場(chǎng)等效性要求，進(jìn)而使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確；各級(jí)單元電路沿支撐結(jié)構(gòu)的高度方向螺旋設(shè)置，為進(jìn)一步根據(jù)輸入?yún)?shù)和約束條件開展裝置具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最終實(shí)現(xiàn)電容可控充電原理新型高電壓發(fā)生技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，使得在試驗(yàn)室開展雷電上行先導(dǎo)等效模擬試驗(yàn)研究成為了可能。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。