本发明涉及一种高频方波电压下电介质放电特性的实验装置。
背景技术：
高频变压器是电力电子变压器、高压直流变换器等新型电力设备中必不可少的核心器件，其绝缘性能严重影响着电力电子设备的运行可靠性。高频变压器的端口电压通常为上升时间短、幅值大、频率高的非正弦激励信号，绝缘材料长期承受着高重复频率的电应力冲击，发生击穿、沿面闪络概率大幅增加，研究绝缘介质在高频电压下的放电特性，对高频变压器绝缘材料的优化选取以及绝缘结构的优化设计具有重要意义。
对于绝缘介质的放电特性研究，国内外提出的实验装置及方法多围绕工频工况展开。如专利cn201721644102.2提出一种可测量试样厚度的击穿电压实验装置，有效避免了试样滑动对实验造成的影响；专利cn201320744614.1设计了一种油纸绝缘击穿强度实验装置，能够灵活调节油隙宽度及油纸比例；专利cn201410722931.2提出了一种在sf6气体中进行绝缘材料沿面闪络实验的装置，利用多对电极同时研究在同一大气压下不同电极间距下沿面闪络的实验特性，满足了在一次实验中处理多块绝缘样本的研究。以上的工频放电实验装置所针对的放电类型较为单一，且电压信号多由工频试验台输出，起始升压、升压速率以及耐压时间等参数多为人工调控和读取，易造成实验操作误差。同时，高频高压条件下，各类电力电子器件的损耗及发热更为严重，对于放电装置及信号检测装置的设计将提出更高的要求。
专利cn200610113549.7提出一种重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法及装置，实验中可将采集的信号波形送至计算机进行存储处理，并设计了可开展气体、液体及固体介质的击穿实验腔，具有良好的应用推广前景；专利cn201810387312.0提出了一种基于高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，兼备同时施加直流电压和脉冲电压与正、负直流电源切换的功能。
根据高频变压器在电力设备中的应用场景，其端口电压可分为单极性方波和双极性方波两种，探究绝缘介质在单/双极性高频方波电压下的击穿、沿面放电特性，将对高频变压器的绝缘优化设计提供重要参考。然而，若研制不同输出电压极性的多个高频电源、不同放电类型的多个实验腔，不但使研发成本提高，实验流程也更为繁琐。
目前，国内外关于高频方波电压下绝缘介质击穿的实验较少，而且施压电压的极性、介质放电类型均较为单一。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种输出电压极性可调的高频方波电介质放电特性实验装置。本发明可用于实验室开展绝缘介质在单极性或双极性高频方波电压下的击穿、闪络特性实验研究，适用于各类绝缘介质的高频击穿特性与气-固、液-固、气-液交界面的闪络特性实验。
本发明高频方波电介质放电特性实验装置，包括：双极性高频方波电源、电压参数调控模块、保护电阻、单/双极性转换模块、放电实验台、电压传感器、电流传感器、宽频高速数字存储示波器，以及计算机。
计算机和电压参数调控模块的进线端连接，电压参数调控模块的出线端和双极性高频方波电源的远控接口连接，通过计算机预置的初始电压、升压梯度、级间升压速率等信息送至电压参数调控模块，电压参数调控模块将数字信号转换为模拟信号，并通过同轴电缆线传递给双极性高频方波电源。双极性高频方波电源的输出端连接接保护电阻的一端，保护电阻的另一端连接单/双极性转换模块的输入端，单/双极性转换模块的输出端分别连接放电实验台和电压传感器，电压传感器的探头部分与单/双极性转换模块连接，用于实时监测施加在放电实验台上的电压值，呈现圆环状的电流传感器均匀缠绕在放电实验台的地电极输出线上，对击穿瞬间流过电介质的电流信号进行采集，电流传感器与电压传感器的信号输出端分别连接宽频高速数字存储示波器对应通道，宽频高速数字存储示波器通过数据转接卡接入计算机。
所述的高频方波电源采用高频开关，可输出电压0～20kv、频率1～20khz、电流0～100ma连续可调的双极性高频方波信号，同时具有频率调节电位器，电压监控信号插头、过流保护反馈插头等参数控制外设。
所述的单/双极性转换模块由可控常闭开关、耐高温整流二极管、高压大功率玻璃釉电阻器、冷却油杯和模式选择旋钮组成。模式选择旋钮与可控常闭开关相连，用于控制常闭开关的档位；两个可控常闭开关的a-a′档位直接相连，常闭开关的b档位输出端连接耐高温整流二极管的输入端，耐高温整流二极管的输出端分别连接高压大功率玻璃釉电阻器的输入端和常闭开关的b′档位，高压大功率玻璃釉电阻器的输出端接地；高压大功率玻璃釉电阻器被完全浸入冷却油杯当中，以达到良好的散热效果。若常闭开关处于a-a′档位，则施加在放电实验台高压输入端的电压波形为双极性方波；若常闭开关处于b-b′档位，则输出电压波形被整流为单极性方波。
所述的电压参数调控模块具有电源输出参数设置、自动计时、d/a信号转换等功能。计算机的输出端连接电压参数调控模块的进线端，电压参数调控模块的内部进线分别与d/a转换模块的输入端、自动计时模块的输出端相连，d/a转换模块的输出端经由同轴电缆线与高频方波电源的远程控制端口相连，双极性高频方波电源的过流保护反馈端口经由过流保护反馈线与自动计时模块的输入端连接。计算机输出的起始电压、升压梯度、级间升压速率等数字信号由d/a转换电路转换为1～20v的电信号，与高频电源的1～20kv输出电压值呈线性对应关系。击穿瞬间电信号流经过流保护反馈线传递给自动计时模块，自动计时模块将实验耐压时间反馈至计算机。
所述的放电实验台由放电腔、上屏蔽盖、进线杆、静导电杆、紧固螺栓、饼状绝缘盖板、放电电极、动导电杆、导电杆支座、不锈钢底座、刻度套筒、观察窗、调距转盘、可拆卸真空腔组成。放电腔固定在不锈钢底座上，腔壁外侧开有两个观察窗，用于实时观测腔体内放电情况。饼状绝缘盖板由紧固螺栓固定在放电腔上方，起到防闪络的作用。进线杆固定在绝缘盖板上，进线杆的下方与静导电杆紧密连接，进线杆的上方安装屏蔽盖，以起到防电晕作用。静导电杆的下端连接放电电极的上电极。导电杆支座固定于放电腔内部的正下方，动导电杆穿过导电杆支座内部并与放电电极的下电极连接。调距转盘安装于动导电杆的末端，利用调距转盘可调节放电电极间隙，刻度套筒被固定于动导电杆下半部分的不锈钢外壳上，用于测量和读取放电间距。对于空气间隙的高频击穿实验，可更换放电电极以满足不同电场均匀度的实验条件。固体介质直接夹在放电电极之间开展击穿实验。进行气-固、液-固绝缘系统的沿面放电实验时，可事先更换指型电极，并利用调距转盘将电极间距调整至合理位置，利用材料紧固螺栓将待测材料与环氧树脂垫板夹紧。
本发明装置的工作原理和过程如下：
通过调节单/双极性转换模块、频率调节电位器，以预置输出电压的极性、频率，计算机上设置输出电压起始值、升压梯度、级间升压速率，电压参数调控模块将数字信号转换为模拟信号并传递给高频电源远控接口，即完成电压参数初始值的设定。电源开关启动，触发自动计时模块，当经过一定的耐受时间后，放电电极的间隙被击穿，击穿瞬间高频方波电源过流保护动作反馈给电压参数调控模块中的自动计时模块并停止计时，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器和电流传感器检测到，示波器记录击穿时刻的电压与电流信号并送至计算机进行存储。
本发明装置可用于空气间隙、固体、液体介质击穿特性以及气-固、液-固、气-液绝缘界面闪络特性实验分析。在实验过程中，可根据具体的放电类型以及电介质测试对象，选择放电实验台内部的放电电极类型，并且向可拆卸真空腔内部充入绝缘介质。计算机用于电压参数初始值的设定，电压参数调控模块内部的d/a转换模块用于将电压参数初始值的数字信号转换为高频电源远控接口可识别的模拟信号，电源输出的电压信号经过单/双极性转换模块的预置档位，经过极性转换的电压信号被施加在放电实验台内部的高压电极上，电压传感器用于实时监测施加电压值。当放电电极的间隙被击穿，环绕在地电极输出端的电流传感器可将击穿瞬间电流值传递给示波器，与此同时，高频方波电源的过流保护功能被触发，并将过流信号反馈给电压参数调控模块内部的自动计时模块。以上即可完成耐压时间、击穿电压、电流的读取和存储。
本发明借助极性转换模块实现了电压极性的预设，借助电压参数调控模块方便实现了电源输出参数设置，并设计了击穿、沿面放电多功能实验腔，便于简单、高效的在不同电压极性下对绝缘介质进行不同放电类型的绝缘特性实验研究及对比分析。
附图说明
图1为高频方波电介质放电特性实验装置组成原理图，图中：1双极性高频方波电源，2电压参数调控模块，3保护电阻，4单/双极性转换模块，5放电实验台，6电压传感器，7电流传感器，8宽频高速数字存储示波器，9计算机；
图2为单/双极性转换模块内部结构示意图，图中：10可控常闭开关，11耐高温整流二极管，12高压大功率玻璃釉电阻器，13冷却油杯，14模式选择旋钮；
图3为电压参数调控模块与高频电源接线图，图中：15d/a转换模块，16同轴电缆线，17过流保护反馈线，18自动计时模块，19频率调节电位器；
图4为放电实验台示意图，图中：20放电腔，21上屏蔽盖，22进线杆，23静导电杆，24紧固螺栓，25饼状绝缘盖板，26放电电极，27动导电杆，28导电杆支座，29不锈钢底座，30刻度套筒，31观察窗，32调距转盘，33可拆卸真空腔；
图5为沿面放电示意图，图中：34指型电极，35材料紧固螺栓，36待测材料，37环氧树脂垫板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明实验装置包括双极性高频方波电源1、电压参数调控模块2、保护电阻3、单/双极性转换模块4、放电实验台5、电压传感器6、电流传感器7、宽频高速数字存储示波器8，以及计算机9。计算机9与电压参数调控模块2的进线端连接，将初始电压、升压梯度、级间升压速率等信息传递给电压参数调控模块2。电压参数调控模块2的出线端和双极性高频方波电源的远控接口连接，将数字信号转换为模拟信号并传递给双极性高频方波电源1的远控接口，同时过流保护反馈线的两端分别连接双极性高频方波电源1和电压参数调控模块2中的自动计时模块，双极性高频方波电源1的输出端连接接保护电阻3的一端，保护电阻3的另一端连接单/双极性转换模块4的输入端，单/双极性转换模块4的输出端分别连接放电实验台5和电压传感器6，电压传感器6的探头部分与单/双极性转换模块4连接，用于实时监测施加在放电实验台5上的电压值，呈现圆环状的电流传感器7均匀缠绕在放电实验台5的地电极输出线上，对击穿瞬间流过电介质的电流信号进行采集，电流传感器7与电压传感器6的信号输出端分别连接宽频高速数字存储示波器8对应通道，宽频高速数字存储示波器8通过数据转接卡接入计算机9。其中：高频电源1为采用高频开关技术研制而成的双极性方波电源，可输出电压0～20kv、频率1～20khz、电流0～100ma连续可调的高频信号，同时具有频率调节电位器、电压远控接口、过流保护反馈接口等参数控制外设。
图2所示为单/双极性转换模块4内部结构。如图2所示，单/双极性转换模块4由可控常闭开关10、耐高温整流二极管11、高压大功率玻璃釉电阻器12、冷却油杯13和模式选择旋钮14组成。模式选择旋钮14与可控常闭开关10相连，用于控制常闭开关10的档位；两个可控常闭开关10的a-a′档位直接相连，可控常闭开关10的b档位输出端连接耐高温整流二极管11的输入端，耐高温整流二极管11的输出端分别连接高压大功率玻璃釉电阻器12的输入端和可控常闭开关10的b′档位，高压大功率玻璃釉电阻器12的输出端接地；高压大功率玻璃釉电阻器12被完全浸入到冷却油杯13当中，以达到良好的散热效果。若可控常闭开关10处于a-a′档位，则施加在放电实验台5高压输入端的电压波形为双极性方波；若可控常闭开关10处于b-b′档位，则输出电压波形被整流为单极性方波。
图3所示为电压参数调控模块2内部结构及其与高频电源1接线方式。如图3所示，电压参数调控模块2具有电源输出参数设置、自动计时、d/a信号转换等功能。计算机9的输出端连接电压参数调控模块2的进线端，电压参数调控模块2的内部进线分别与d/a转换模块15的输入端、自动计时模块18的输出端相连，d/a转换模块15的输出端经由同轴电缆线16与高频方波电源1的远程控制端口相连，双极性高频方波电源1的过流保护反馈端口经由过流保护反馈线17与自动计时模块18的输入端连接。计算机9输出的起始电压、升压梯度、级间升压速率等数字信号由d/a转换电路15转换为1～20v的电信号，与双极性高频方波电源1的1～20kv输出电压值呈线性对应关系。击穿瞬间电信号经由过流保护反馈线17传递给自动计时模块18，自动计时模块18将实验耐压时间反馈至计算机9。
图4所示为放电实验台5结构。如图4所示，放电实验台5由放电腔20、上屏蔽盖21、进线杆22、静导电杆23、紧固螺栓24、饼状绝缘盖板25、放电电极26、动导电杆27、导电杆支座28、不锈钢底座29、刻度套筒30、观察窗31、调距转盘32、可拆卸真空腔33组成；放电腔20固定在不锈钢底座29上，腔壁外侧开有两个观察窗31，用于实时观测腔体内放电情况；饼状绝缘盖板25由紧固螺栓24固定在放电腔20上方，起到防闪络的作用；进线杆22固定在饼状绝缘盖板25上，进线杆22的下方与静导电杆23紧密连接，进线杆22的上方安装上屏蔽盖21以起到防电晕作用，静导电杆23的下端连接放电电极26的上电极；导电杆支座28固定于放电腔20内部的正下方，动导电杆27穿过导电杆支座28内部并与放电电极26的下电极连接；调距转盘32安装于动导电杆27的末端，利用调距转盘32可调节放电电极26间隙，刻度套筒30被固定于动导电杆27下半部分的不锈钢外壳上，用于测量和读取放电间距；对于空气间隙的高频击穿实验，可更换放电电极26以满足不同电场均匀度的实验条件；固体介质直接夹在放电电极26之间开展击穿实验；气-固、液-固绝缘系统的沿面放电实验，可事先更换指型电极34并利用调距转盘32将电极间距调整至合理位置，利用材料紧固螺栓35将待测材料36与环氧树脂垫板37夹紧。
本发明装置的工作过程如下：
通过调节单/双极性转换模块、频率调节电位器，以预置输出电压的极性、频率，计算机上设置输出电压起始值、升压梯度、级间升压速率，电压参数调控模块将数字信号转换为模拟信号并传递给高频电源远控接口，即完成电压参数初始值的设定；电源开关启动，触发自动计时模块，当经过一定的耐受时间后，放电电极的间隙被击穿，击穿瞬间高频方波电源过流保护动作反馈给电压参数调控模块中的自动计时模块并停止计时，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器和电流传感器检测到，示波器记录击穿时刻的电压与电流信号并送至计算机进行存储。
本发明提出的高频方波电介质放电特性实验装置，可在实验室内开展高频下空气间隙、固体、液体介质击穿特性以及气-固、液-固、气-液绝缘界面闪络特性实验分析。在实验过程中，可根据具体的放电类型以及电介质测试对象，选择放电实验台内部的放电电极类型，并且向可拆卸真空腔内部充入绝缘介质。计算机用于电压参数初始值的设定，电压参数调控模块内部的d/a转换模块用于将电压参数初始值的数字信号转换为高频电源远控接口可识别的模拟信号，电源输出的电压信号经过单/双极性转换模块的预置档位，经过极性转换的电压信号被施加在放电实验台内部的高压电极上，电压传感器用于实时监测施加电压值。当放电电极的间隙被击穿，环绕在地电极输出端的电流传感器可将击穿瞬间电流值传递给示波器，与此同时，高频方波电源的过流保护功能被触发，并将过流信号反馈给电压参数调控模块内部的自动计时模块，以上即可完成耐压时间、击穿电压、电流的读取和存储。
本发明利用单/双极性转换模块实现了输出电压极性的灵活转换，便于比较相同实验条件下高频方波电压极性对介质放电特性的影响，借助电压参数调控模块设置电源输出参数，使实验简单、高效进行。