电容器极性反转试验回路及方法

技术领域

本发明涉及一种电容极性反转试验回路及方法。

背景技术

根据IEC相关标准的要求需要对直流输电系统中的直流电容器进行极性反转试验，根据IEC标准要求，电容器试验设备电容器单元应能承受1.1倍的最大持续直流电压(Ud)并保持2h，然后在10ms内改变电压极性并保持相同的幅值，同样再保持2h，之后再进行一次电压极性反转并保持2h，电容器应能承受3个循环电压极性反转。

电容器极性反转试验为IEC标准新的技术要求，目前已有一项公布号为CN110927531A，名称为“一种用于电容器极性反转试验的极性反转电路”中记载的试验回路进行电容器极性反转试验，电路如图1所示，其进行电容器极性反转是通过硅堆的极性反转实现的，该方案的缺点是试验变压器、调压器以及硅堆均需要较大的电流，否则会影响反转的时间。由于在极性反转时，瞬间的电流很大，硅堆的瞬间的电压达到反转电压的2倍，对硅堆的要求较高，否则容易损坏。

发明内容

为了解决现有的电容极性反转试验电路中试验变压器、调压器以及硅堆均需要较大的电流，否则影响反转时间，以及对硅堆要求较高的技术问题，本发明提供了一种电容器极性反转试验回路及方法。

本发明的技术方案是：

电容器极性反转试验回路，其特殊之处在于：

包括电压调节单元、充电电阻R1、第一硅堆D1、第二硅堆D2、第一脉冲电容器C1、第一放电电阻R3、延时电阻R2、第二脉冲电容器C2、第二放电电阻R4；

所述电压调节单元包括依次连接的调压器T和试验变压器B，用于将交流电源的电压调整到电容器极性反转试验所需的电压；

所述试验变压器B的高压输出端连接充电电阻R1的一端，试验变压器B的低压输出端连接系统地；

所述充电电阻R1的另一端同时连接第一硅堆D1的负极和第二硅堆D2的正极；

所述第一硅堆D1的正极分两路，其中一路与第一开关K1的一端连接，另一路通过开关K2分别与第七开关K7的一端、第二脉冲电容器C2的一端以及第八开关的一端连接；第七开关K7的另一端通过延时电阻R2接试品电容器Cx的一端，第二脉冲电容器C2的另一端接系统地，第八开关K8的另一端通过第二放电电阻R4接系统地；试品电容器Cx的另一端接系统地；

所述第一开关K1的另一端分别与第一脉冲电容器C1的一端、第五开关K5的一端连接；第五开关K5的另一端与试品电容器Cx的一端连接；第一脉冲电容器C1的另一端与第一放电电阻R3的一端连接；第一放电电阻R3的另一端与第六开关K6的一端连接；第六开关K6的另一端与试品电容器Cx的一端连接；

所述第二硅堆D2的负极分两路，其中一路通过第三开关K3分别与第七开关K7的一端、第二脉冲电容器C2的一端以及第八开关K8的一端连接，另一路通过第四开关K4与第六开关K6的一端连接；

所述第二脉冲电容器C2的电容量是第一脉冲电容器C1电容量的2倍。

进一步地，第二脉冲电容器C2的额定电压应高于试品电容器Cx所能承受的最高电压。

进一步地，第二脉冲电容器C2所能承受的最高电压应比试品电容器Cx所能承受的最高电压至少高10％。

进一步地，第二脉冲电容器C2的电容量大于试品电容器Cx的最大电容量。

本发明还提供了一种利用上述的电容器极性反转试验回路进行试品电容器Cx极性反转试验的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，向试品电容器Cx充电并保持电压至试验所要求的时间：

将第一开关K1、第三开关K3和第六开关K6合闸，第二开关K2、第四开关K4、第五开关K5、第七开关K7和第八开关K8断开，第一硅堆D1通过第一开关K1、第一脉冲电容器C1、第一放电电阻R3、第六开关K6、试品电容器Cx组成的回路，给第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx串联充电，使试品电容器Cx对地具有负极性电压；第二硅堆D2通过第三开关K3和第二脉冲电容器C2组成的回路，给第二脉冲电容器C2充电，使第二脉冲电容器C2对地具有正极性电压；当电压充电到需要的幅值后，保持电压至试验所要求的时间，然后断开第一开关K1、第三开关K3和第六开关K6；

步骤2，改变试品电容器Cx电压极性并保持相同的幅值：

将第七开关K7合闸，第二脉冲电容器C2通过延时电阻R2对试品电容器Cx放电，使试品电容器Cx和第二脉冲电容器C2具有相同的正极性的电压；当第二脉冲电容器C2的电容量是第一脉冲电容器C1电容量的2倍时，试品电容器Cx的极性会由一个极性反转为另外一个极性，并具有相同幅值；

步骤3，再次向试品电容器Cx充电并保持电压至试验所要求的时间：

将第七开关K7断开，将第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5合闸，第一脉冲电容器C1反方向与试品电容器Cx串联，第二硅堆D2通过第四开关K4、第一放电电阻R3、第一脉冲电容器C1、第五开关K5、试品电容器Cx组成的回路，给第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx串联充电，使试品电容器Cx对地持续保持正极性电压；第一硅堆D1通过第二开关K2给第二脉冲电容器C2充电，使第二脉冲电容器C2对地具有负极性电压；保持电压至试验所要求的时间，然后断开第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5；

步骤4，再次改变试品电容器Cx电压极性并保持相同的幅值：

第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5断开后，将第七开关K7合闸，再次完成极性反转；

步骤5，试品电容器Cx极性反转完成后，再断开第七开关K7，返回步骤1进行下一轮的充电及反转，直至完成试验所需的充电和反转次数及其时间；

步骤6，试验完成后的系统放电

断开电源，并使调压器回零，然后，通过第五开关K5，第六开关K6同时合闸，经第一放电电阻R3给第一电容器C1放电；通过第七开关K7和第八开关K8同时合闸，经第二放电电阻R4给第二电容器C2放电，并经第二放电电阻R4和延时电阻R2给试品电容器Cx放电；

当所述第一硅堆D1和第二硅堆D2反方向安装时，上述各步骤的所有电容器会获得反极性的电压。

本发明的优点是：

1、利用试品电容器Cx的电压保持时间，有足够的时间给C2充电，然后利用C2储存的能量对Cx实施电压反转，这样充电回路与反转回路分离，不会相互影响，调压器、试验变压器以及硅堆所需的电流可以很小，其最大电流可通过充电电阻R1来限制，提高了设备的安全性。

2、试品电容器Cx的充电电压通过第一脉冲电容器C1来限制，当第二脉冲电容器C2的容量等于第一脉冲电容器C1容量的2倍时，通过第二脉冲电容器C2将试品电容器Cx反转后，无论试品电容器Cx的容量怎样变化，反转后的电压极性相反，电压相等。

附图说明

图1是现有的电容极性反转电路示意图。

图1中附图标记说明：

1-电源进线的接触器；2-调压器；3-试验变压器；11-测量试品两端电压的分压器；12-试品；14-高压硅堆；15-高压硅堆极性转换机构；23-接地开关；24-充放电保护电阻；33-直流电压的测量点；35-参考电位0。

图2是本发明的电路原理示意图。

图2中附图标记说明：

T为调压器；B为试验变压器；R1为充电电阻；D1、D2为两个方向相反的两个硅堆；K1～K8为8个开关；R2为延时电阻；R3和R4为放电电阻；C1和C2为两组脉冲电容器；Cx为试品电容器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的电容器极性反转试验回路，包括调压器T、试验变压器B、充电电阻R1、第一硅堆D1、第二硅堆D2、第一开关K1～第八开关K8、第一脉冲电容器C1、第二脉冲电容器C2、延时电阻R2、第一放电电阻R3和第二放电电阻R4。

调压器T和试验变压器B依次连接构成电压调节单元，用于将交流电源的电压调整到电容器极性反转试验所需的电压；

第一硅堆D1和第二硅堆D2用于整流，将交流电压改变为直流电压；

充电电阻R1用于限制流过第一硅堆D1和第二硅堆D2的电流，对第一硅堆D1和第二硅堆D2及试验变压器B起保护作用；

第一脉冲电容器C1主要用于试验时限制试品电容器Cx的电压；

第二脉冲电容器C2用于对试品电容器Cx的极性进行反转；

延时电阻R2用于实现第二脉冲电容器C2对试品电容器Cx极性反转时，控制反转的时间；

第一放电电阻R3用于试验完成后对脉冲电容器C1进行放电；

第二放电电阻R4用于试验完成后对试品电容器Cx和脉冲电容器C2进行放电。

参照图2，利用本发明进行试品电容器Cx极性反转试验的过程如下：

步骤1，向试品电容器Cx充电并保持电压至试验所要求的时间：

将第一开关K1、第三开关K3和第六开关K6合闸，第二开关K2、第四开关K4、第五开关K5、第七开关K7和第八开关K8断开，第一硅堆D1通过第一开关K1、第一脉冲电容器C1、第一放电电阻R3、第六开关K6、试品电容器Cx组成的回路，给第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx串联充电，；第二硅堆D2通过第三开关K3和第二脉冲电容器C2组成的回路，给第二脉冲电容器C2充电，使第一脉冲电容器C1、试品电容器Cx与第二脉冲电容器C2对地具有不同极性的电压。按图2所示的拓扑结构接线，第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx对地具有负极性的电压，而第二脉冲电容器C2对地具有正极性的电压。当电压充电到需要的幅值后，保持电压至试验所要求的时间，然后断开第一开关K1、第三开关K3和第六开关K6。

步骤2，改变试品电容器Cx电压极性并保持相同的幅值：

第一开关K1、第三开关K3和第六开关K6断开后，将第七开关K7合闸，这时，由于第二脉冲电容器C2电压和所储存的能量较大，第二脉冲电容器C2会通过延时电阻R2对试品电容器Cx放电，使试品电容器Cx和第二脉冲电容器C2具有相同的正极性的电压，延时电阻R2用于控制放电的时间。当第二脉冲电容器C2的电容量是第一脉冲电容器C1(第一脉冲电容器C1的电容量至少大于试品电容器Cx的最大电容量值)电容量的2倍时，试品电容器Cx的极性会由一个极性反转为另外一个极性，并具有相同幅值。

步骤3，再次向试品电容器Cx充电并保持电压至试验所要求的时间：

试品电容器Cx的极性反转完成后，将第七开关K7断开，然后，将第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5合闸，这样第一脉冲电容器C1的电压不变，第一脉冲电容器C1反方向与试品电容器Cx串联，第二硅堆D2通过第四开关K4、第一放电电阻R3、第一脉冲电容器C1、第五开关K5、试品电容器Cx组成的回路，给第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx串联充电，这时，第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx已经具有需要的电压，交流电源只需提供电压的维持；第一硅堆D1通过第二开关K2给第二脉冲电容器C2充电，使第一脉冲电容器C1、试品电容器Cx与第二脉冲电容器C2对地继续具有不同极性的电压；按图2所示的拓扑结构接线，试品电容器Cx对地具有正极性电压，而第二脉冲电容器C2对地具有负极性的电压。保持电压至试验所要求的时间，然后断开第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5。

步骤4，再次改变试品电容器Cx电压极性并保持相同的幅值：

第二开关K2、第四开关K4和第五开关K5断开后，将第七开关K7合闸，再次完成极性反转。

步骤5，试品电容器Cx极性反转完成后，再断开第七开关K7，返回步骤1进行下一轮的充电及反转，直至完成试验所需的充电和反转次数及其时间。

步骤6，试验完成后的系统放电

按照上述步骤完成试验，将交流电源断开后，第五开关K5、第六开关K6合闸，第一脉冲电容器C1上的电荷将通过第一放电电阻R3进行放电，第一脉冲电容器C1上的能量将被第一放电电阻R3吸收；第七开关K7，第八开关K8合闸，试品电容器Cx上的电荷将通过延时电阻R2和第二放电电阻R4进行放电，第二脉冲电容器C2上的电荷将通过第二放电电阻R4放电，试品电容器Cx上的能量将被延时电阻R2和第二放电电阻R4吸收，第二脉冲电容器C2上的能量将被第二放电电阻R4吸收；放电完成后，试验人员才能进入试验区，以确保人身安全。

如果将图2中的第一硅堆D1、第二硅堆D2反方向设置，所有电容器充电的极性将相反。

图2中，第一脉冲电容器C1、第二脉冲电容器C2的电压和电容量需要根据试验室的试验能力来确定，主要是由试品电容器Cx的最高电压和最大电容量来确定。一般情况下，第二脉冲电容器C2的额定电压要高于可能出现的试品电容器Cx的最高电压，至少保留10％的余度。第二脉冲电容器C2的电容量要至少要大于可能出现的试品电容器Cx的最大电容量，具体需根据试验能力所需覆盖的试品电容器Cx的电容量及电压范围来确定。

本发明的主要特点之一是，第二脉冲电容器C2的电容量必须是第一脉冲电容器C1的2倍，理论计算如下：

当第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx串联充电至电压U时，第一脉冲电容器C1和试品电容器Cx上的电压分别为：

而第二脉冲电容器C2充有反方向的电压U，第二脉冲电容器C2和试品电容器Cx上所存电荷量分别为：

Q

Q

当其他开关均断开，第二脉冲电容器C2和试品电容器Cx通过K7并联后，第二脉冲电容器C2和试品电容器Cx对应极板上具有相反的电荷，由于第二脉冲电容器C2的电荷量较大，并联后电荷会中和并重新分配，使其具有相同的电压。其电压为：

由式(2)得出：

将(6)式代入(5)式得：

进一步简化：

由(8)式来看，当C2＝2C1时，无论试品电容器Cx的电容怎样变化，其极性反转前后的电压U0cx和Ucx的幅值始终相等，但电压极性是相反的。