中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)是一种可以直接获得小于100 ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要应用。为此,介绍了近年来以流体物理研究所为代表的中国工程物理研究院在快脉冲LTD模块关键单元技术(如多间隙气体开关、触发系统和磁芯等)、单LTD模块以及多级LTD模块串联装置等方面的研究进展。研究结果表明,LTD具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点,是未来强流脉冲驱动器设计的优选技术路线。     

1MV/100kA快脉冲直线型变压器驱动源装置设计

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)技术是一种可以直接获得<100ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要的应用前景。为了掌握LTD装置设计技术,基于已经研制完成的100kV/100kA快脉冲LTD原型模块,设计了输出电压/电流分别为1 MV/100kA的快脉冲LTD装置。装置由10级LTD模块串联而成,系统总储能为20kJ,次级采用真空磁绝缘传输线结构。装置直径约1.5m,长度约2.2m。根据10级LTD模块串联装置系统电路分析和数值模拟,结果表明在10Ω负载上的输出电压约为1.08MV,上升时间约51ns,脉宽为168ns。同时还针对磁绝缘传输线锥形和直筒形阴极结构建立了简化模型,采用PIC粒子模拟编码对其进行粒子模拟,结果表明,2种结构在负载端的输出电压均约为1MV,输出阻抗接近10Ω,同轴传输线间隙的电子流能够实现磁绝缘。     

一种多模块高电压固态变压器的研制

固态变压器(SST)作为一种基于电力电子技术的新型电力变压器,可以对初级和次级的电压、电流进行主动补偿和控制,因此很适合应用在发电、输变电和配电等多个电力系统场景。提出一种由10个子模块并联输出组成的高电压SST设计方案,每个子模块由一个三电平功率因数校正(PFC)转换器和一个隔离型LLC谐振转换器构成,10个子模块并联输出端连接至负载逆变器,最终由逆变器输出向负载供电。首先分析了PFC转换器和LLC转换器的工作原理,然后介绍了功率级的控制策略,最后搭建实验样机对所提方案进行了验证。实验结果表明,所提方案可以实现10 kV～220 V的功率转换,且保持较高的功率因数和较低的电流谐波率。     

基于时域有限积分技术的四级串联快脉冲直线型变压器驱动源电磁特性

快脉冲直线型变压器驱动源（FLTD）感应腔内部结构和媒质分布复杂,支路放电时快速上升沿脉冲将使空间离散更为繁密,导致计算量剧增。该文利用时域有限积分理论首次研究4级串联共用、独立腔体结构MA级FLTD在支路放电时的电磁场分布规律。使用场路耦合将电路中电容元件的放电电流作为激励耦合至三维场模型,使用非均匀网格对FLTD初级感应腔内的关键部件剖分网格进行加密处理,使用表面阻抗边界条件描述良导体以降低求解自由度数量,使用基于等效原理的区域分解算法将4级串联FLTD划分为24个不同的求解子区域。结果表明,时域有限积分技术可有效分析FLTD初级腔体内脉冲放电瞬态过程,两种感应腔结构的输出性能和电磁场分布基本一致,4级串联共用腔体结构FLTD设计方案可行。     

一种基于功率损耗突变的变压器匝间保护

在分析了现有的变压器保护的基础上,建立了变压器的电磁暂态模型,对匝间短路故障的暂态过程进行了仿真。针对差动保护在反映匝间故障时灵敏度不足的问题,结合对已有的基于电流电压的变压器保护理论的分析,提出了一种基于损耗功率突变的变压器匝间保护方案。通过实时计算有功损耗与无功损耗之间的比值,故障时该比值将发生较大的突变,从而可测量到轻微匝间故障,可有效的补充差动保护在反映轻微匝间故障的灵敏度不足的缺陷。     

一种基于功率损耗突变的变压器匝间保护

在分析了现有的变压器保护的基础上,建立了变压器的电磁暂态模型,对匝间短路故障的暂态过程进行了仿真.针对差动保护在反映匝间故障时灵敏度不足的问题,结合对已有的基于电流电压的变压器保护理论的分析,提出了一种基于损耗功率突变的变压器匝间保护方案.通过实时计算有功损耗与无功损耗之间的比值,故障时该比值将发生较大的突变,从而可测量到轻微匝间故障,可有效的补充差动保护在反映轻微匝间故障的灵敏度不足的缺陷.     

一种新型电子变压器的研制

根据常用电子变压器的电磁兼容性和安全方面的新要求，对其基本线路进行改进设计和分析。在输入端加入了滤波网络和输入保护电路，并加入了实用的输出保护电路。既实现了220V输入、12V／60W输出的功能，又大大提高了电子变压器的性能，达到了IEC制定的技术标准。通过理论和实验分析，证明了该设计的优点，给出了元件参考参数。本电路设计具有实用性，适用于工业化生产。     

一种现场快速判断矿热炉变压器匝间故障的方法

提出了一种在现场快速判断矿热炉变压器匝间故障的方法,分析了该方法的原理,并给出了实例.     

电力变压器中不容忽视的一匝电势

分析了Ｙ，ｙｎ０联结的大容量电力变压器低压侧采用双Ｙ并联时，两个星形中点间的连接不当造成每相两并联绕电压不相等的原因及产生的严重后果，并提出了中点连线改进的方案。     

一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源

为满足高压脉冲电场灭菌实验的需要,提出一种结合经典Marx发生器与全固态开关器件的高压双极性方波脉冲源设计方案。选用全固态开关器件替代传统的火花间隙开关,以单极性Marx发生器为核心,实现能量压缩,通过全桥固态调制器可实现高压方波脉冲的双极性输出。详细分析了电路的结构、工作过程、控制策略和负载适应能力。以全固态IGBT为主开关器件,研制了脉冲源的高压主回路部分;设计了相应的控制电路和开关同步触发电路,通过光纤和隔离供电模块实现了信号传输和强弱电的隔离。相比于常规的双极性高压脉冲源,该方案具有更简洁的电路结构和良好的负载适应能力,实现了输出脉冲极性可控、前沿更陡,脉冲频率、脉宽、电压幅值可调等优点。实验结果表明,该脉冲源系统可以产生幅值范围-7~7 k V、每秒脉冲数1~1 000、脉宽范围2~10μs、极性可变的高压方波脉冲,为开展高压脉冲电场灭菌实验,寻找最佳灭菌电参数条件,提供了硬件支持。     

一种轮式直线型超声电机

利用非统一截面梁在正交方向上的2个6阶弯曲振动模态作为工作模态,设计了一种新型直线超声电机,对其驱动机理进行详细的分析,推导出定子表面质点的运动轨迹。同时,对定子的夹持和预压力施加方案进行了设计。设计加工的电机定子直径为20mm,长109mm,重230g。在驱动电压峰峰值为300V,驱动频率为32kHz时,电机最高速度达到433mm/s,最大推力为18N,推重比达到了7.9:1。     

一种多路压电驱动控制系统的研制及实验研究

针对粉体微输送的基本要求,提出一种基于DDS技术的多路压电控制系统的设计方案,系统包括了波形存储模块、基准频率产生模块、基准电压设置模块以及D/A输出模块等。系统可以实现多路信号的独立控制和输出,电压范围为0~100 V,频率范围为0~256 Hz,最后以羟基磷灰石和钛粉为例,进行了多路粉体微输送实验,结果表明所设计的系统完全满足多种粉体微输送的要求,并且具有非常高的稳定性和可靠性。     

采用双边对称输入方式的4模块直线变压器驱动源研制

为开展脉冲功率系统小型化研究,介绍了直线变压器驱动源的工作原理,阐述了其设计思想和关键技术,研制了以脉冲形成网络为初级脉冲形成单元、采用双边对称输入方式的4模块直线变压器驱动源。通过对单模块的试验研究,分析了充电位置对输出电压波形的影响,并进行了优化设计。研究了充电过程中充电电流对磁芯的去磁作用,并根据设计参数进行了模拟计算,结果表明充电电流可使磁芯完全去磁。最后开展了4模块直线变压器驱动源的试验研究,其输出电压幅值约600kV、脉宽约200ns、前沿约52ns(10%～90%),输出功率达数GW,在重频25Hz下工作稳定。与相同输出参数的基于水介质脉冲形成线的直线变压器驱动源相比其尺寸明显减小,说明此直线变压器驱动源的研制促进了脉冲功率源小型化发展。     

一例换流变压器匝间短路故障分析

介绍了一例在调试过程中出现的换流变压器绕组匝间绝缘故障导致的保护动作,直流系统退出运行案例。分析了换流变压器匝间短路故障过程,通过现场试验和解体分析,查找到绕组内部的故障点,指出可能是在运输和存放过程中因受潮导致变压器内部故障的发生,并对换流变压器交接试验和故障后油色谱诊断试验提出了改进建议。     

10kV全固态重复频率方波脉冲源研制

基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和Marx发生器电路,研制了一种在重复频率1~100 Hz下,最高输出脉冲电压10 kV、脉冲宽度从550ns到1μs可调的全固态方波脉冲源。设计中利用直流高压电源作为能源系统,采用MOSFET半导体固态开关替代气体火花隙开关作为放电主开关,用快恢复二极管取代充电电阻。由外部多功能触发器产生脉宽和频率均可调节的触发信号,通过驱动电路控制由MOSFET半导体固态开关构成的放电主开关,经脉冲放电回路在不同负载上实现输出所需的高压方波脉冲。通过实验验证了设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重频信号触发下该固态方波脉冲源输出的实验结果。     

一种新型变压器冷却控制装置的研制

针对目前大型变压器冷却控制装置存在的问题,提出了一种基于PLC(可编程序控制器)的大型变压器强油循环风冷控制装置的原理和实现方法.装置依据变压器顶层油温,采用有差值裕度的投切阈值进行投/切控制,并依设定的时间间隔,使冷却设备定期轮换工作.此外,装置还具有完善的保护、故障定位、显示等功能.试验运行表明,该装置运行可靠、控制准确,满足了大型变压器冷却装置智能化控制的要求.     

一种基于电流比变化量的变压器匝间短路保护方法

变压器匝间短路特别是少匝数短路时,现有保护很难检测并发现故障。基于变压器绕组两侧电流比值与两侧绕组匝数比值之间的对应关系,提出了一种电流比变化量匝间保护方法,构建了保护动作判据。该方法不仅能躲过变压器内部相间故障及变压器外部短路的影响,还能区分匝间短路故障相,具有很高的保护灵敏度。通过对试验变压器进行的内部匝间短路试验,验证了所提方法的有效性。     

变压器的匝间短路保护

<正> 对于变压器的内部故障一般采用差动保护与瓦斯保护,但是当变压器绕组内发生匝间短路时这些保护是不能认为足够有效的。这一结论的根据是,在只有1—2匝短路时的故障初期,前一种保护大半是不灵敏的,而后一种保护的动作则带有较大的延迟。某些变压器既没有瓦斯保护,又没有差动保护,例如干式变压器,而另外一些变压器则没有差动保护,例如电炉变压器。