1.250μs開路電壓波發(fā)生器的研制

朱夏敏+張陽(yáng)建

摘 要：開路電壓波發(fā)生器是一種產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1.2/50?s波形的高電壓發(fā)生裝置。主要用于檢測(cè)氣體放電管、空氣間隙放電器以及帶有氣體放電管或空氣間隙放電器的電涌保護(hù)器（Surge Protective Device， SPD）。同時(shí)沖擊電壓發(fā)生器廣泛應(yīng)用于研究SPD、電力設(shè)備遭受雷電過電壓與操作過電壓的絕緣性能，所以對(duì)于沖擊電壓發(fā)生器要求能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的雷電波形。該項(xiàng)目研制的開路電壓波發(fā)生器分別對(duì)充電回路、高壓放電回路與操作控制電路部分進(jìn)行了科學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)調(diào)試。能夠產(chǎn)生符合規(guī)范要求的1.2/50 ?s雷電過電壓波形，波前時(shí)間1.2?s+16.7%，半峰值時(shí)間50?s+8%，峰值誤差為-0.8%，充電電壓0～20 kV。

關(guān)鍵詞：1.2/50 ?s開路電壓波 研制 雷電過電壓 SPD

中圖分類號(hào)：TM23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0072-03

沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖波的高電壓發(fā)生裝置。起初它只被用于研究電力設(shè)備操守大氣過電壓（雷電）時(shí)的絕緣性能，后來又被用于研究電力設(shè)備操守操作過電壓的絕緣性能。所以對(duì)于沖擊電壓發(fā)生器，要求能夠產(chǎn)生出現(xiàn)在電力設(shè)備上標(biāo)準(zhǔn)的雷電波形，沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波前陡度有關(guān)[1]。

隨著全球變暖雷電災(zāi)害逐年增多，在現(xiàn)代社會(huì)中雷電嚴(yán)重威脅人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，各種電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn)和廣泛使用，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，使微電子器件的集成化、小型化水平不斷不提高。但在發(fā)展的同時(shí)，電子信息設(shè)備的耐過電壓、耐過電流和抗雷電電磁脈沖的能力卻大大下降[2-3]。這就要求把電力系統(tǒng)中的過電壓限制在一定的范圍之內(nèi)，為了給電力系統(tǒng)中的設(shè)備提供一個(gè)安全的運(yùn)行環(huán)境，SPD成為限制過電壓的重要電子器件之一。SPD主要是通過泄放雷電流、限制電涌電壓來保護(hù)電子設(shè)備，使電子設(shè)備免遭雷電電涌和電力系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓的危害。同時(shí)SPD在為設(shè)備提供過電壓防護(hù)的同時(shí)，必須切實(shí)解決好自身的安全問題。但在實(shí)際應(yīng)用中，SPD在為電力系統(tǒng)提供保護(hù)的同時(shí)也出現(xiàn)了一系列的問題。所以在GB18802中規(guī)定了對(duì)氣體放電管、空氣間隙以及帶有氣體放電管或空氣間隙放電器SPD的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，所有投入使用的SPD產(chǎn)品都須通過檢測(cè)部門的檢測(cè)才能投入應(yīng)用。因此，開路電壓發(fā)生器等實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備廣泛應(yīng)用于SPD、電力設(shè)備的耐受過電壓沖擊檢測(cè)與絕緣性能研究領(lǐng)域[7]。

1 1.2/50 ?s沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

沖擊電壓發(fā)生器要滿足兩個(gè)要求：首先要能輸出幾十萬伏到幾百萬伏的電壓，同時(shí)這電壓要具有一定波形。它是用下列馬克斯（Marx）回路來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

圖中，T為試驗(yàn)變壓器、D為高壓硅堆、r為保護(hù)電阻、R為充電電阻、C1～C4為主電容器、rd為阻尼電阻、C′為對(duì)地雜散電容、g1為點(diǎn)火球隙、g2～g4為中間球隙、g0為隔離球隙、Rt為放電電阻、Rf為波前電阻、C0為試品及測(cè)量設(shè)備等電容。

2 1.2/50 ?s沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2.1 沖擊電壓發(fā)生器充電回路與放電回路的設(shè)計(jì)

沖擊電壓波形是靠高壓電容的充電與放電來獲得高電位的，應(yīng)該按照電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與器件的連接方式將電容安裝在合適的位置上[2-3]。充電回路的設(shè)計(jì)主要是為放電回路提供高壓脈沖，放電過程由控制電路部分來實(shí)現(xiàn)同時(shí)有控制電路來對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作[4]。對(duì)電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求電性能上要絕緣可靠，不發(fā)生閃絡(luò)或擊穿等事故；放電回路線路盡可能短，器件與線路的分布電感盡可能小；設(shè)備內(nèi)外需接地的部位要進(jìn)行有效的等電位連接與可靠的接地[5-6]。對(duì)產(chǎn)生高壓的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來說，其內(nèi)部的期間布局與布線對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定有極大的影響。該設(shè)備在研制過程中將充電回路與放電回路分兩層放置，且高壓器件之間用絕緣性能較好的高壓線聯(lián)接，同時(shí)對(duì)高壓放電回路與控制電路部分的線路采用合理的綜合布線，從而來確保設(shè)備器件的安全運(yùn)行與設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。其設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中由高壓源AC、充電電阻R1、電阻分壓器R2R3與高壓電容組成電壓發(fā)生器的充電回路部分；放電回路由高壓電容C1、放電電阻R4R5、電阻R6R7、電容C1C2與電阻分壓器R8R9組成。其中分壓電阻R3接充電電壓表、R9兩端為測(cè)量BNC接口、R8兩端為高壓輸出端，用于沖擊測(cè)試SPD、氣體放電管與空氣間隙等器件，K為放電控制部分。

充電回路部分由正負(fù)高壓源AC通過充電電阻R1向高壓電容C1充電獲得高電壓，最大充電電壓可達(dá)到±20 kV，正負(fù)高壓源的獲得由電磁繼電器控制的極性選擇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。放電回路由高壓電容與波頭電阻R4R5、波尾電容C1C2與電阻R8等組成，通過放電控制電路K來實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試元件的放電沖擊。

2.2 電阻分壓器的設(shè)計(jì)

電工界所用的電子分壓器，通常是用優(yōu)質(zhì)電阻絲無感繞成。為了減小電感，要求在滿足阻值及限制升溫的前提下，電阻絲應(yīng)盡可能短。在圖2中的R2R3與R8R9為電壓顯示表頭電阻分壓器與元件測(cè)量部分電阻分壓器。在雷電沖擊電壓條件下，采用電阻分壓器作為轉(zhuǎn)換裝置具有一定的優(yōu)點(diǎn)[1]。

（1）當(dāng)它采用溫度系數(shù)小的電阻絲康銅絲或溫度系數(shù)較小而電阻系數(shù)較高的卡瑪絲繞成時(shí)，它的溫度穩(wěn)定性高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性也較高。

（2）而且采用上述電阻分壓器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，它的響應(yīng)特性有可能提高。

但在設(shè)計(jì)電阻分壓器是也要注意它的不足之處：為了高響應(yīng)性能它的電阻值不能太高。由于它會(huì)對(duì)沖擊電壓發(fā)生器造成負(fù)載影響，它的接入會(huì)縮短沖擊波的半峰值時(shí)間。但一般可以調(diào)整發(fā)生器的放電電阻來解決；同時(shí)由于工作時(shí)電阻會(huì)發(fā)熱，電阻的能量消耗與所加電壓的平方值相關(guān)，這就造成了當(dāng)電阻值選為10～20 kΩ時(shí)，所加雷電沖擊電壓不能高于2 MV的主要原因。作為標(biāo)準(zhǔn)分壓器，阻值應(yīng)該不大于10 kΩ。

3 1.2/50 ?s開路電壓發(fā)生器輸出波形與誤差分析

在1.2/50 ?s開路電壓發(fā)生器的研制過程中，經(jīng)過設(shè)計(jì)創(chuàng)新與新增功能的優(yōu)化，使發(fā)生器的使用性能大幅提高。同時(shí)為監(jiān)測(cè)發(fā)生器在長(zhǎng)時(shí)間的沖擊使用中發(fā)生故障，該電壓波發(fā)生器新增有自檢開關(guān)，可以隨時(shí)查看電壓發(fā)生器兩個(gè)直流電源的運(yùn)行狀態(tài)。以下是1.2/50 ?s開路電壓發(fā)生器的輸出波形。（見圖3～6）

依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目研制的1.2/50 ?s開路電壓波發(fā)

生器的誤差范圍為：波頭部分為1.2?s+16.7%（0.2/1.2×100%）、波尾部分為50?s+8%（4/50×100%）、峰值部分誤差為-0.8%

（4/500×100%），峰值誤差分析如圖7所示。

根據(jù)分析，造成誤差的主要原因是由于在采集設(shè)備電路器件時(shí)無法采集到符合理論標(biāo)準(zhǔn)的器件而造成的。其中波頭電阻與波尾電容的偏大致使1.2/50 ?s開路電壓波發(fā)生器的輸出波頭與波尾誤差偏大。同時(shí)連接器件與測(cè)試線路的分布參數(shù)也對(duì)輸出波形有一定的影響。

4 結(jié)語

文章研制的1.2/50 ?s開路電壓波發(fā)生器，在吸收現(xiàn)有相關(guān)檢測(cè)設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上又彌補(bǔ)了原有設(shè)備的不足，經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自檢開關(guān)設(shè)計(jì)可以直接觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部直流供電電源的運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)備內(nèi)部布線采用高壓線路與控制線路分開布局的布線方法，這樣可以確保設(shè)備內(nèi)部器件的運(yùn)行安全和設(shè)備的穩(wěn)定性。

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