高压大功率脉冲电源

高压大功率脉冲电源范围本文件规定了高压大功率脉冲电源的术语和定义、产品组成及基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输及贮存。本文件适用于高压大功率脉冲电源的制造与生产。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T191—2008包装储运图示标志GB/T1094.2-2013电力变压器第2部分：液浸式变压器温升GB/T4208-2017外壳防护等级（IP代码）GB/T13306-2011标牌GB/T13384-2008机电产品包装通用技术条件GB/T19212-2016变压器、电抗器、电源装置及其组合的安全（系列）JB/T4276-1999变流器产品包装技术条件术语和定义GB/T15579.1-2013界定的术语和定义适用于本文件。脉冲电源pulsedpowersupply由基础直流发生装置及叠加的脉冲发生装置组成的电源。3.2脉冲电压pulsevoltage脉冲电源的脉冲发生装置输出电压的幅值。3.3脉冲宽度pulsewidth从脉冲前沿的电压达10%脉冲电压到脉冲后沿的电压降至10%脉冲电压的时间间隔。3.4脉冲电流pulsecurrent脉冲电电源的脉冲发生装置输出电流的幅值。3.5基础直流电压basedirectvoltage脉冲电源的基础直流发生装置输出电压的平均值。3.6输出电压outputcurrent脉冲电压的脉冲电压与基础直流电压叠加后的幅值。3.7基础直流电流basedirectvoltage脉冲电源的基础直流发生装置输出电流的平均值。产品组成及基本参数4.1产品组成高压大功率脉冲电源采用模块化设计，包含数据仿真单元、能源输出单元、总控单元、脉冲成形调节单元、阻抗调节单元、系统集成单元、监测单元等组成。4.1.1高压充电单元高压充电单元为储能单元充电，产品可靠性高，易维护，抗电磁干扰能力强，性能稳定。4.1.2脉冲成形单元脉冲成形单元包括脉冲电容器、放电开关组件、调波电感组件、触发模块等。4.1.3监测单元实现对系统运行过程中的各电气参数进行监测，用以评估系统运行状态及其对运行参数实时记录，以供研究分析使用。主要组成包括电压电流传感器、信号调理及采集模块等。4.1.4总控单元总控单元是一个集成的系统操作软件，能实时反映系统的状态信息，同时能通过操作台控制整个系统的运行，包含总控操作部分及相关软件，具体应包含：对各个能源输出口输出电压、电流进行远程设置；对参数测量进行整体集中控制；对采集到的数据进行整理分析，并建立专家数据库，同时各种实验情况、结果可进行完整记录留存，并建立后台分析系统，为测试部件的优化提供依据。4.1.5负载单元根据项目实际需要设计合适的电阻/电感。4.2基本参数高压大功率脉冲电源的基本参数应符合表1的要求：表1基本参数序号项目名称参数指标1模块工作电压0.5kV～20kV2单组能源模块工作储能330kJ3充电时间＜100s4充电电压误差＜±5%5放电电压测量精度＜3%6放电电流测量精度＜3%7外形尺寸＜3%8工作电流最高允许峰值工作电流不小于230kA（负载短路时），在放电电压20kV，负载为电感值65±1μH，电阻值25±1mΩ时（模块与负载间通过10m长高压同轴电缆连接），放电电流上升沿为500±50μs（0～100%），峰值电流为80±5kA。9应用场合各种高压充电场合均可使用技术要求5.1基本要求5.1.1电源应符合本标准的规定，并按经规定程序批准的图样和技术文件制造。5.1.2电源所用外购件必须购买符合国家标准、行业标准及相关标准规定的产品，并有产品质量合格证书；外协件必须按要求加工，有产品质量证明书。5.1.3正常工作条件a)环境温度：－30℃～+60℃；b)空气相对湿度：不大于80%；c)海拔：≤1000m；d）使用场所通风良好。5.2主部件设计要求5.2.1主逆变电路设计主逆变电路设计包括滤波电抗器、整流滤波电路、逆变电路、高频整流变压器等设计a）滤波电抗器设计：要求输出谐波小于±1%；b）整流滤波电路设计：采用大功率二极管整流桥，耐压不低于2000V，承受的峰值电流不低于5A；c）逆变器电路设计：IGBT耐压不低于2000V，峰值电流不低于2.5A；d）高频整流变压器设计：变比1:150，铁芯采用超微晶，输出脉冲电压为（60-110）KV，峰值电流为（600-2000）mA。5.2.2IGBT驱动及检测电路设计a）IGBT驱动电路设计：由DSP产生PWM信号经驱动电路控制IGBT输出，PWM信号的频率、占空比可根据负载情况调节；b)检测电路设计：高、低压部分采用隔离措施，尽可能减小高压对低压部分的影响，提高工作可靠性；c)抗干扰设计：为了防止高频电路干扰的入侵，DSP的输入、输出信号全都采用光电耦合器隔离，IGBT驱动电路通过光纤与DSP通讯；d）保护设计：IGBT有硬件保护和软件保护，过压、过流保护等。5.3电源整机性能5.3.1调压电源有调压功能，可通过控制脉冲周期进行调压。5.3.2电压整定具有在额定输出直流/脉冲电压（60-110）KV的（10%—100%）范围内，任意设定电压整定值功能。5.3.3电流整定具有在额定输出直流电流/脉冲（600-2000）mA的（10%—100%）范围内，任意设定电压整定值功能。5.3.4数据通讯接口具有有线数据接口与上位机通讯，通过通讯口显示高频变压器、脉冲变压器一次、二次电压、电流，变压器油温、IGBT结温等，通过界面能控制和操作脉冲电源。5.3.5运行方式电源具有手动连续、自动连续和脉冲供电的运行方式，应能在额定工作条件下连续工作8h。5.3.6状态转换及闪络处理5.3.6.1电源可承受在空载和短路条件下开机和停机的冲击及负载/空载相互转换时，负载/短路相互转换时的冲击。5.3.6.2电源具有闪络处理的功能，可在（0～150）次/min闪络状态下正常运行，当负载发生电弧时应能迅速灭弧，不发生任何事故。5.3.7报警保护电源具备以下报警保护功能：a)输入电流过流报警保护；b)输入电压欠压报警保护；c)负载短路报警保护；d)负载开路报警保护；e)功率开关管故障报警保护；f)整流变压器偏励磁故障报警保护；g)整流变压器油温超温报警保护；h)功率开关管温度超温报警保护。5.3.8显示精度a)电量参数显示精度应不大于±1.5%；b)温度显示误差应不大于±1℃。5.3.9电压和电流整定误差5.3.9.1在运行电流不超过整定电流的情况下，输出电压与整定电压的示值误差不超过额定值的5%。5.3.9.2在运行电压不超过整定电压的情况下，输出电流与整定电流的示值误差不超过额定值的5%。5.3.10效率和功率因数电源在额定负载条件下，转换效率应≥90%；功率因数应≥0.9。5.3.11防护等级电源外壳防护等级应符合GB/T4208-2017中IP54的规定。5.3.12绝缘电阻电源的危险带电部件与壳体之间的绝缘电阻应≥2MΩ。5.3.13耐压强度5.3.13.1用高压直流发生器在高频变压器高压回路（高压绕组、高压磁套管）与低压线包、铁芯及外壳间加1.5倍输出电压（90kV），历时1min，应无绝缘击穿、闪络或异常现象。5.3.13.2高频变压器低压绕组与箱壳间施加脉冲电压，试验电压峰值电压为2500V，历时1min，应无绝缘击穿、闪络或异常现象。5.3.13.3用高压脉冲发生器在脉冲变压器高压回路（高压绕组、高压磁套管）与低压线包、铁芯及外壳间加1.5倍输出电压（120kV），历时1min，应无绝缘击穿、闪络或异常现象。5.3.13.4脉冲变压器低压绕组与箱壳间施加脉冲电压，试验电压峰值电压为10000v，历时1min，应无绝缘击穿、闪络或异常现象。5.3.13.5变压器油击穿电压应不小于40kV/2.5mm。5.3.14温升应符合GB/T1094.2-2013中6.2的规定，高频变压器和脉冲变压器在连续额定容量稳态下的温升限值不超过45℃。5.3.15外观和结构5.3.15.1电源的外观应整洁，色泽均匀，涂层无脱落、无划痕和机械损伤。5.3.15.2电源结构应牢固无松动、操作键应灵活可靠，主回路联结、二次配线与电器元件安装可靠，布线整齐。试验方法6.1调压改变控制信号PWM占空比，用示波器验证开关管的控制信号波形。6.2电压整定通过计算机设定输出整定电压，用示波器或千伏表测量产品实际的输出电压值。6.3电流整定通过相应的整定负载，用示波器或万用表测量产品实际的输出电流值。6.4运行方式通过计算机操作改变产品运行方式，实现手动连续、自动连续脉冲供电方式切换；电源在额定电压和额定电流的条件下连续运行8h，温升未超过规定上限，无任何不正常现象发生。6.5状态转换使产品在额定工作条件下正常启动运行，然后使用高压隔离开关在负载-开路间切换10次，在负载－短路间切换10次，目视检查。6.6闪络处理在不低于额定电压60%的前提下，产品允许在150次/min闪络状态下运行15min，当用模拟电场产生电弧时应能迅速灭弧，目视检查，产品不应发生任何故障。6.7报警保护用模拟试验的方法进行，依次模拟各项报警保护功能状态，验证是否有效报警保护动作，目视检查是否正常。6.8空载运行使产品输出开路，把电压整定值设定在额定值50%、80%、100%，分别使产品运行和停止10次，产品内部无放电现象，无绝缘破损，目视检查。6.9短路运行使产品输出短路，把电流整定值设定在额定值50%、80%、100%，分别使产品运行和停止10次，观察有无异常现象发生，目视检查。6.10显示精度6.10.1用精度为±0.5级的电参数测试仪测量产品的输入电流、输入电压、输入功率、功率因数。6.10.2用频率计测量控制信号频率，用0.5级的高压表测量产品的输出直流电压，用0.5级的电流表测量产品的输出电流。6.10.3使产品运行在不低于80%额定电压和100%额定电流条件下，用三相电参数分析仪测量产品的输入电压、输入电流，用高压直流千伏表测量输出电压，用数字示波器测量输出电流、频率等各项参数，与计算机显示数据进行比较。6.11电压整定误差在计算机上分别将整定电压设置在额定值的30%，70%，100%。再按式1）计算：………………（1）式中：电压整定误差；实测值；整定值。6.12电流整定误差在计算机上分别将整定电流设置在额定值的30%，70%，100%。再按式2）计算：………………（2）式中：电流整定误差；实测值；整定值。6.13效率在额定工作条件下，用功率计分别测量输入、输出功率。再按式3）计算：………………（3）式中：转换效率；输出功率；输入功率。6.14功率因数试验方法同5.10，用电参数测试仪测量出产品的功率因数。6.15防护等级按GB/T4208-2017中12和13的方法进行。6.16绝缘电阻按GB/T19212.1-2016中18.2的方法，用绝缘电阻测试仪进行。6.17耐压强度按GB/T19212.1-2016中18.3的方法，用耐压测试仪进行。6.18外观与结构用目视和手感的方法进行。检验规则7.1检验分类电源检验分出厂检验和型式检验。7.2出厂检验7.2.1每台电源应经公司质检部门检验合格后，并附有产品合格证后方可出厂。6.2.2出厂检验项目为外观、装配质量和运转性能等项目。