[发明专利]一种介质放电用电压叠加电路及实验方法

说明书

本发明公开一种介质放电用电压叠加电路及实验方法。本发明采用少量电阻、电容构成无源型电压复合电路，与有源器件相比，可以提高输出电压幅值3～5个数量级。在该电路中，电阻除了限流保护，还起到类似电感阻隔脉冲波向直流源传播的作用。在满足绝缘介质击穿、闪络所需的高电压、大电流的同时，能有效保护直流源与脉冲源，实现直流叠加毫秒、微秒或纳秒等不同脉宽脉冲的电压波形输出。相比于现有的技术，本发明可简单、安全、高效的输出高幅值复杂电压波形，且波形基本无畸变，具备成本低廉、结构紧凑、体积小巧等优点，适合模拟各种直流叠加任意脉冲运行工况下的电压输出波形。

技术领域

本发明属于高压绝缘领域，具体涉及一种介质放电用电压叠加电路及实验方法。

背景技术

从微电子技术到全球能源互联的巨大需求，激发了人们对高品质绝缘介质的广泛兴趣。以电力系统为例，其安全稳定运行取决于电力设备的绝缘性能。因此，电力设备在出厂时需要进行型式试验，而耐压测试是其中必不可少的一环。通常，耐压测试包括直流耐压，也包括雷击过电压、操作波过电压测试。直流耐压需要直流电源产生直流高电压，而雷击过电压、操作波过电压属于脉冲高电压可以通过Marx电路等产生。然而，电力系统中的设备带电运行时，不仅需要承受高压直流，还需要承受各种形式的脉冲过电压。仅仅依靠单独的直流耐压测试或者雷击、操作波等过电压测试不能保证电力设备完全满足实际运行工况，测试存在弊端。因此，专家学者们在研究开发电力设备用绝缘介质时，会引入直流叠加脉冲的复合电压来进行介质的绝缘特性试验，一般是击穿、闪络等形式放电测试。介质在击穿或闪络测试时，通常先承受逐渐上升的电压，当电压高达一定阈值(kV量级)时，介质会发生击穿或者闪络，会失去绝缘性能变为导体，从而使放电回路产生大电流。高电压、大电流的测试与工作环境不仅要求介质具有高品质的绝缘性能，还对电压复合电路提出了严苛要求。

授权号为CN101834523B的中国发明专利提出了一种获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法，能够较好地输出多种形式的脉冲高电压，但满足不了直流叠加脉冲的复合高电压输出的需求。授权号为CN101662869B的中国发明专利提出了脉冲恒流源与直流恒流源叠加电路，该电路可以实现脉冲电流与直流电流的叠加，受二极管单向导通的原理限制，不能实现两种异极性电流或电压的叠加。授权号为CN111505452B的中国发明专利介绍了一种基于高压脉冲叠加直流电压的绝缘材料表面带电实验方法，并未提及高压脉冲和直流电压叠加的具体操作方法及装置，而且单独的滤波电容也不能很好的保护直流电源不受雷电波干扰，输出波形只能实现简单的雷电波和直流电压的单次瞬时叠加，无法连续输出叠加波形。授权号为CN210665829U的中国实用新型专利公开了一种任意波形输出的电压源，通过上位机、信号传输与转换模块、量程控制模块和输出接口可以输出任意波形，但是受数字电路原理限制，不能输出完全连续的高幅值电压，且受器件现有工艺限制，输出电压最高几百伏远远达不到绝缘介质击穿或闪络测试所需要的高幅值电压。申请号为CN103560069A的中国发明专利公开了一种直流叠加脉冲电源，该电源未对内部电路做任何描述，而且输出电压只能实现脉冲电压和直流电压的单次瞬时叠加，不能用于介质的连续高压放电实验。申请号为CN113348618A的中国发明专利提出了一种将直流输入通过升压斩波电路产生脉冲输出的装置，该装置通过电感与开关的组合提高脉冲电压输出幅值，不能实现多种电压波形的叠加。

与数字电路原理不同，电容、电阻等无源模拟器件组成的电路可以在模拟直流源的作用下输出连续的电压，且没有工艺限制，能够很容易地选取高耐压器件。因此，本发明提出了一种基于电容、电阻等无源模拟器件组成的电压叠加电路及实验方法。该发明不仅能够输出高幅值电压波形，还适合模拟各种直流叠加任意脉冲运行工况下的电压输出波形。在满足绝缘介质击穿、闪络所需的高电压、大电流的同时，能有效保护直流源与脉冲源，实现直流叠加毫秒、微秒或纳秒等不同脉宽的脉冲的电压波形输出。相比于现有的技术，本发明可简单、安全、高效的输出高幅值复杂电压波形，且波形基本无畸变，具备成本低廉、结构紧凑、体积小巧等优点，具有重要的工程应用价值和可行性。