專利名稱：脈沖電壓發生器電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于產生一個閃速脈沖電壓供測試被試裝置的電容量的脈沖電壓發生器電路，如像在獨立的權利要求1的特征初步表述條款中所界定的那樣。
在電學上表示一個電容的物體被廣泛使用脈沖電壓發生器進行測試。所用的脈沖電壓發生器一般都使用1924年就已知道并具有多個充電級的馬克思乘法器電路設計，在這種電路情形下，每一級具有串聯連接的一個浪涌電容和一個開關器件(特別是開關火花隙)，一個與浪涌電容和開關器件并聯連接的并聯電阻，以及與它們串聯連接的一個串聯電阻，兩級互相連接得使它們能夠并聯充電并能串聯放電。
在測試被試裝置的電容時，被試裝置本身以及電容性脈沖電壓分壓器一般都連接到脈沖電壓發生器電路的末級，該脈沖電壓分壓器在各級放電時將所產生的閃速脈沖電壓降到能夠用測量和記錄裝置處理的電平。被試裝置和脈沖電壓分壓器的電容與所存在的寄生電容一道組成測試電路(包括有脈沖電壓發生器、脈沖電壓分壓器、被試裝置以及連接引線)的負載電容，另外，由于整個測試裝置的物理尺寸的關系，還具有不可避免的電感。負載電容與這個電感一道組成一個振蕩電路(用各個充電級的串聯電阻來阻尼，串聯電阻也叫做終端電阻、前端電阻或阻尼電阻)。除了阻尼作用之外，串聯電阻還被用于調節所產生的脈沖電壓上升時間。為了獲得理想的上升時間，負載電容越大，串聯電阻必須選擇得越小。
脈沖電壓發生器通常被用來產生一個符合IEC60-1(1989)1.2/50的標準閃速脈沖電壓，也就是具有1.2μs+30％的上升時間和50μs+20％的半值降落時間的電壓脈沖。為了遵守具體的上升時間，對于大負載電容，串聯電阻必須選擇得小到使所產生的閃速脈沖電壓為一個阻尼振蕩。標準IEC60-1允許一個超出不振蕩電壓曲線5％的最大過沖量。由此推出，脈沖電壓發生器的理論最大負載電容(從現在起稱為極限負載電容)在串聯電阻將過沖限制為剛好5％和上升時間達到1.56μs的容許上限時產生。串聯電阻的任何增加都會降低過沖量，但同時會增加上升時間，而串聯電阻的任何降低則會縮短上升時間，但會增加過沖量。
為了增加馬克思乘法器電路的極限負載電容，已經作出各種努力使用適當布置充電級來設計具有盡可能小電感的脈沖電壓發生器。例如，已知的做法包括有曲折布置充電級，將發生器中的電流分到兩個相反的電流通路中，或者將所有的元件布置得非常靠近。但是，使用常規的開放結構，脈沖電壓發生器的低電感設計只能影響總電感的一部分，因為包括有被試裝置和連接引線在內的外部回路的尺寸決定于克服電壓所需要的間距和被試裝置的幾何尺寸的關系，這里的改善目前只能是小范圍的。
但是，用戶的觀點則要求有高于已知的馬克思乘法器電路的極限電容，例如用于測試SF6絕緣系統的部件。同樣，對于變壓器測試，脈沖電壓發生器常常負載卷繞電容，再也不可能有標準的上升時間。
因此，本發明就是基于提供開頭提到的那種型式的脈沖電壓發生器電路的目的，借助它可以獲得高于已知對比電路的極限負載電容。
這個目的通過根據本發明的獨立權利要求1的脈沖電壓發生器電路達到。獨立的權利要求9定義一種根據本發明的附加電路元件，通過它可以增加開頭提到的那種型式脈沖電壓發生器電路的極限負載電容。各種優選的設計變例則由相關的權利要求產生。
本發明最本質的東西是一種用于產生一個閃速脈沖電壓供測試被試裝置的電容的脈沖電壓發生器電路，電路具有一個單元電級或多個充電級，可以將負載電容連接到單充電級或最末充電級，脈沖電壓發生器電路配置有一個附加電路元件用于減少加給負載電容的閃速脈沖電壓前沿的過沖量，該附加電路元件具有一個補償電容和至少一個與之并聯連接的放電電阻或放電火花隙，脈沖電壓發生器的充電級或者每一充電級包括串聯連接的一個浪涌電容和一個開關器件，一個與浪涌電容和開關器件并聯連接的并聯電阻，以及一個與它們串聯連接的串聯電阻，必要時將兩級互相連接得使它們能夠并聯充電且能夠串聯放電。
附加電路元件并不消減過沖的原因，只是補償負載電容兩端的電壓過沖，具體地說是被試裝置兩端的電壓過沖。本發明的基本思想是獲得過沖期間負載電容兩端的減壓，該減壓作用在過沖衰落后消失。過沖不是一般地減小，而是被補償得在被試裝置上不出現任何的電壓尖脈沖。
由于減低加給負載電容的閃速脈沖電壓的脈沖前沿過沖量的結果，用于根據本發明的脈沖電壓發生器電路的極限負載電容便大大高于以前已知的電路，也就是說可以測試大得多的被試裝置。
下文參照五個示范性實施例并利用附圖更詳細地敘述根據本發明的脈沖電壓發生器電路，在附圖中
圖1示出具有一個充電級并具有一個帶放電電阻的附加電路元件的第一電路的示意圖；圖2示出具有兩個充電級并且具有一個帶放電電阻的附加電路元件的第二電路的示意圖；圖3示出具有兩個充電級并且每級配備一個帶放電電阻的附加電路元件的第三電路的示意圖；圖4示出具有一個充電級并且具有一個帶放電火花隙的附加電路元件的第四電路的示意圖；圖5示出具有兩個充電級并且具有一個帶放電火花隙的上游附加電路元件的第五電路的示意圖；圖6示出根據本發明的具有一個外接附加元件形式的附加電路元件和一個脈沖電壓分壓器的脈沖電壓發生器的前視圖；圖7示出根據圖6的帶一個附加電路元件和脈沖電壓分壓器的脈沖電壓發生器的平面視圖；以及圖8示出根據本發明具有配備給各個充電級的附加電路元件的脈沖電壓發生器的水平剖面圖。
圖1所示的測試電路包括一個具有單充電級1并具有一個附加電路元件5的脈沖電壓發生器電路以及一個負載電容4。充電級1具有串聯連接的一個浪涌電容11和一個開關火花隙12，一個與浪涌電容11和開關火花隙12并聯連接的并聯電阻13，以及與它們串聯連接的一個串聯電阻器14。
測試裝置的物理尺寸形成一個具有不可避免的自電感3的測試電路，自電感3與負載電容4組成一個用串聯電阻阻尼的振蕩電路。
負載電容4包括被試裝置的電容、電容性脈沖電壓分壓器的電容(它將該級放電時產生的閃速脈沖電壓降低到可以用測量和記錄設備處理的數值)、以及所出現的寄生電容。
附加電路元件5安排得串聯在充電級1和負載電容4之間，它包括一個補償電容51以及一個與之并聯的放電電阻52，后者又和放電電阻電感53聯在一起。
為了產生一個閃速脈沖電壓，通過一個充電裝置(未示出)對浪涌電容11充電，然后再通過觸擊開關火花隙12放電。這樣，就產生一個電壓脈沖，其電壓曲線一開始快速上升(起始上升)，隨后便慢慢降落(下降邊沿)，補償電容和負載電容4均在起始上升期間充電。降落也就是電壓脈沖的下降邊沿則通過充電級1、附加電路元件5以及負載電容4經由并聯電阻13的聯合放電產生。
為了產生出符合IEC60-1(1989)的1.2/50標準閃速脈沖電壓，用于對大負載電容4產生適當小起始上升時間的串聯電阻14必須選擇得如此之小，使得所產生的閃速脈沖電壓成為一個阻尼振蕩，與非振蕩的電壓曲線相比，5％的最大過沖量是可以允許的，這就限制了最大的允許負載電容4。
所產生的加給負載電容4的閃速脈沖電壓的脈沖前沿過沖的降低作用從本質上說是由附加電路元件5促成的，這是因為在起始上升期間，電壓在補償電容51和負載電容4之間分配。在這以后，過沖降落并且補償電容51經由放電電阻52放電。一旦補償電容51放完了電，電壓分配便不存在并且負載電容4兩端的電壓便等于補償電容51和負載電容4的串聯電路兩端的振蕩電壓與補償電容51的兩端的脈沖電壓之差。
通過適當選擇補償電容51、放電電阻52和放電電阻電感53，并借助于附加電路元件5，本脈沖電壓發生器電路的極限負載電容差不多可以增加一倍。
下面的聲明適用于所有以下的敘述。在一個圖包含有為使附圖中含義明確起見的標號、但這些標號在直接有關的敘述中沒有說明的地方，那就是引證了前面的圖的敘述中提到過的地方。
圖2這個第二示范性實施例中的脈沖電壓發生器電路具有兩個充電級1、2，基本上用和圖1所示的充電級相同的方法設計并在本段文字中說明之，在第二充電級中，浪涌電容標為21，開關火花隙標為22，并聯電阻器為23，串聯電阻器為24。
代替整個測試電路自電感的是兩個充電級1、2的自電感15、25和外接回路的自電感30，包括附加電路元件5、被試裝置、脈沖電壓分壓器以及連接引線都照搬到這里。
兩個充電級1、2一方面經由串聯電阻14互相連接，另一方面還經由一個高阻值充電電阻20互相連接。在充電期間，它們借助充電裝置(未示出)直接或者經由充電電阻20并聯充電。一旦開關火花隙12和22受到觸擊，它們便串聯放電，兩級1、2之間的連接經由阻值比充電電阻20相對較低的串聯電阻器14接通。
所產生的加于負載電容4的閃速脈沖電壓前沿過沖的降低作用是由附加電路元件5促成的，這與結合圖1所說明的第一示范性實施例相似。
圖3在這個第三示范性實施例中，脈沖電壓發生器電路以和前面的示范性實施例同樣的方法設計。唯一的區別是，代替安排在實際的脈沖發生器外部的單附加電路元件，使用了兩個適當設計的附加電路元件5,5’，各自被安排得直接串聯于充電級1、2之一的下游，附加電路元件5’中的補償電容被標為51'，放電電阻被標為52’并且放電電阻電感被標為53’。
所產生的加于負載電容4的閃速脈沖電壓的脈沖前沿過沖的降低作用由附加電路元件5、5’促成，與前面的示范性實施例相似。
圖4除了附加電路元件6之外，所示的第四示范性實施例與第一示范性實施例相同。
在這一情形，附加電路元件6有一個通常大于圖1所示的補償電容51的補償電容61，并有一個可以比開關火花隙12遲些觸發的放電火花隙62。
附加電路元件6的工作方式與第一示范性實施例相同。在所產生的電壓脈沖起始上升期間，由補償電容61和負載電容4組成的串聯電路被充電。電壓在補償電容61和負載電容4之間分配，這就減少了負載電容4的脈沖前沿過沖。放電火花隙62大致在達到尖頂時觸發，其結果使補償電容61短路，所分的電壓消失。
圖5所示的第五示范性實施例，除了附加電路元件外，與第二示范性實施例相同。
代替在第二充電級2和負載電容4之間安排一個附加電路元件，附加電路元件7在本情形下被連接到第一充電級1的上游。附加電路元件7具有一個串聯連接的補償火花隙73和補償電容71，以及與它們并聯的充電電阻74和放電火花隙72。
當兩個充電級1、2充電時，補償電容71也經由一個具有高電阻比較有利的充電電阻74充電。當充電級1、2放電時，補償電容71在第一階段通過觸擊也就是觸發補償火花隙73接通，使得充電級1、2上的電壓減去補償電容71上的電壓。在差不多在所產生的電壓脈沖達到峰值時開始的第二階段，補償電容71由于觸擊放電火花隙72而被短路。其結果是減壓作用消失。
圖6和7根據本發明的所示脈沖電壓發生器100具有一個外接附加電路元件50形式的附加電路元件，該元件也可換裝到現已存在的脈沖電壓發生器上。外接附加電路元件50的一端連接到一個常規的電容性脈沖電壓分壓器200(這里不作更詳細的敘述)，以便將所產生的閃速脈沖電壓降低到能夠用測量和記錄裝置(未示出)處理的數值。
脈沖電壓發生器100使用根據第二示范性實施例的電路設計，但使用四個充電級而不僅僅是兩級，它具有浪涌電容101、102、103、104和充電電阻111、112、113。開關火花隙、并聯電路以及串聯電阻的位置在圖6中均以虛線表示。第四充電級的開關火花隙124可以在圖7看到。浪涌電容101、102、103、104借助充電裝置(未示出)經由充電裝置連接線192充電。充電開關193用于在脈沖電壓發生器100斷開或者安全保護電路斷路時泄放浪涌電容101、102、103、104。各個電路元件均安裝在垂直的支撐型材181上。后者則固定在一個裝備有滾輪183的基架182上。蓋板184則安排在最上面一級的上方。
外接附加元件50有一個兩元件的補償電容510(就是補償電容)和一個與之并聯的兩元件放電電阻520，這些元件都安裝在一個安裝架500上。一個放電電阻元件例如說設計成交叉繞制在圓柱形絕緣管上的線繞電阻。補償電容器510和放電電阻520的模塊化結構允許與一定范圍內的型號不同的脈沖電壓發生器匹配。安裝架500懸在脈沖電壓發生器100的一個垂直支撐型材181和脈沖電壓分壓器200之間，但也可以例如說安裝在單獨的絕緣支架上。
下文是上述脈沖電壓發生器100的一個具體數字的例子。這一情形的脈沖電壓發生器100有一個400kV的總充電電壓和一個20kJ的充電能量，并且每個充電級都配備有12Ω的串聯電阻。對被試裝置的電容匹配借助可更換的接串聯電阻實現。電感為每級2.5μH左右，同時假定被試裝置外部連接線的電感為6μH。在60μH的測試電路總電感和沒有任何外接附加元件50的情況下，可以根據標準測試的最大負載電容(被試裝置和脈沖電壓分壓器200的電容以及寄生電容)為15.5nF，外接串聯電阻斷開。
外接附加元件50的補償電容器510的兩個元件各自具有32nF的電容量并被設計用于至少150kV的脈沖電壓，它們產生一個16nF的電容量用于補償電容510。放電電阻520具有24Ω的總電阻并且由繞組產生的放電電阻電感為3μH。此外，外接附加元件50包括有脈沖電壓發生器的每個充電級的0.5Ω串聯內阻，也就是說總共為2Ω的內阻，有時候還包括5Ω和10Ω的兩個外接串聯電阻。借助串聯內阻和10Ω的外接串聯電阻，脈沖電壓發生器可以在符合標準IEC60-1時荷載到25nF的負載電容；串聯內阻和5Ω的外接串聯電阻則允許它荷載到31nF的負載電容；而利用它們本身的串聯內阻，則可荷載到36nF的負載電容。
圖8根據本發明的脈沖電壓發生器600使用根據第三示范性實施例的電路設計，但更有利地使用了兩個以上的充電級。一級中的所述浪涌電容602構造成兩個元件并連接到下面一級的附加電路元件70。附加電路元件70有一個補償電容器710，也就是補償電容，一個與之并聯連接的放電電阻720，后者例如說構造成一個交叉繞在平板絕緣骨架上的線繞電阻。附加電路元件70經由串聯電阻641連接到一個開關火花隙621。631表示配備給開關火花隙621的并聯電阻器，而用于為浪涌電容602充電的充電電阻則沒有示出。設置一個電機驅動的接地機構650用來將脈沖電壓發生器接地。各個電路元件均安裝在一個最好配有滾輪的安裝架608上。
下文是上述脈沖電壓發生器600的一個具體數字的例子。這一情形下的脈沖電壓發生器600具有10個充電級，具有2000kV的總充電電壓和200kJ的充電能量，并且每個充電級裝備有46Ω、30Ω和22Ω的串聯電阻641。對被試裝置的電容的匹配通過適當組合各級的串聯電阻來實現，對于三個串聯電阻的并聯連接，每級能夠達到的最小串聯電阻為9.95Ω。此外，每一級具有一個大約3.5μH的電感，而對于被測試裝置的外接線則假定一個18μH的電感。在53μH的測試電路總電感和沒有任何附加電路元件70的情況下，可以按照標準測試的最大負載電容(被試裝置和脈沖電壓分壓器的電容以及寄生電容)為3.85nF。此外，三級配備有一個46Ω和30Ω的串聯電阻組成的并聯電路，七級只配備22Ω的串聯電阻，使得總的串聯電阻為159Ω。
每一級中附加電路元件70的補償電容710有一個50nF的電容并被設計用于180kV的脈沖電壓。每一級的放電電阻為8Ω并且繞組產生的放電電阻電感為1.5μH。此外，附加電路元件70包含有串聯電阻，這使得有可能獲得10Ω、20Ω、30Ω、55Ω或70Ω的總串聯電阻。因此，脈沖電壓發生器能夠荷載的負載電容達10.5nF，同時符合標準IEC60-1。
可以產生出有關上述脈沖電壓發生器的其他設計變化。特別是可以改變充電級數而不會有任何問題。
權利要求
1．用于產生一個閃速脈沖電壓測試被試裝置的電容的脈沖電壓發生器電路，具有一個單充電級或多個充電級(1,2)，單級或每級具有串聯連接的一個浪涌電容(11,21)和一個開關器件，一個與浪涌電容(11,21)和開關器件并聯連接的并聯電阻(13,23)，以及與它們串聯的一個串聯電阻(14,24)，必要時將兩級互相連接得使它們能夠并聯充電和串聯放電，可以將一個負載電容(4)連接到該單級或末級(1,2)，其特征在于至少一個用于降低加給負載電容(4)的閃速脈沖電壓前沿過沖量的附加電路元件(5,5’。6,7)，該附加電路元件有一個補償電容(51,51’,61,71)和至少一個與之并聯的放電電阻(52,52’)或放電火花隙(62,72)。
2．根據權利要求1的脈沖電壓發生器電路，其特征在于一個開關火花隙(12,22)被用作開關器件。
3．根據權利要求1或2的脈沖電壓發生器電路，其特征在于附加電路元件(5,6)或至少一個附加電路元件(5,5’)串聯連接在充電級(1,2)中的串聯電阻(14,24)的下游。
4．根據權利要求3具有多個充電級(1,2)的脈沖電壓器發生電路，其特征在于一個附加電路元件(5,5’,6)串聯連接在最末充電級(1,2)中的串聯電阻(14,24)的下游。
5．根據權利要求4的脈沖電壓發生器電路，其特征在于附加電路元件(5,5’,6)串聯連接在每一充電級(1,2)中的串聯電阻(14,24)的下游。
6．根據權利要求1或2的脈沖電壓發生器電路，其特征在于附加電路元件(7)連接在充電級或至少一個充電級(1)的上游。
7．根據權利要求6的脈沖電壓發生器電路，其特征在于附加電路元件(7)具有串聯連接的一個補償火花隙(73)和一個補償電容(71)以及與它們并聯的一個充電電阻(74)和一個放電火花隙(72)，用這樣的方法使得補償電容(71)在下游的充電級(1)充電的同時也被充電，而在充電級(1)放電時，它在第一階段借助觸擊補償火花隙(73)接通，使充電級(1)上的電壓減少掉補償電容兩端的電壓，并在第二階段借助觸擊放電火花隙(72)而短路。
8．根據權利要求1至7的脈沖電壓發生器電路，具有至少一個帶有放電火花隙(62,72)的附加電路元件(6,7)，其特征在于放電火花隙的觸發可以遲于開關器件的觸發，特別是遲于并聯的充電級(1)的開關火花隙(12)的觸擊。
9．根據權利要求1至8之一的用于脈沖電壓發生器電路的附加電路元件，其特征在于所述附加電路元件有一個補償電容(51,51’,61,71)以及與之并聯連接的至少一個放電電阻(52,52’)或是一個放電火花隙(62,72)。
10．根據權利要求9的附加電路元件，其特征在于所述附加電路元件具有串聯連接的一個補償電容(71)和一個補償火花隙(73)，以及與它們并聯連接的一個充電電阻(74)和一個放電火花隙(72)。
全文摘要
一種用于產生一個閃速脈沖電壓測試被試裝置的電容的脈沖電壓發生器電路具有兩個充電級(1,2)。每級(1,2)包括有串聯連接的一個浪涌電容(11,21)和一個開關火花隙(12,22),一個與浪涌電容和開關火花隙(12,22)并聯連接的并連電阻(13,23),以及與它們串聯連接的一個串聯電阻(14,24)。兩個級(1,2)互相連接得使它們能夠并聯充電且能串聯放電。一個負載電容(4)連接到第二級(2),一個用于降低加給負載電容(4)的閃速脈沖電壓前沿過沖量的附加電路元件安排在第二級(2)和附加電路元件之間。附加電路元件(5)具有一個補償電容(51)和一個與之并聯的放電電阻(52)。
文檔編號G01R31/14GK1231729SQ97198174
公開日1999年10月13日 申請日期1997年9月16日 優先權日1996年9月23日
發明者約根·沃爾夫 申請人:赫夫里·特倫齊股份公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
