適用于脈沖電聲法的ns級超窄高壓脈沖發(fā)生器的研制

崔翔，唐征岐，施勇，王毅，周榮成，潘捷

（1.上海電力學院，上海200090；2.上海綠色環(huán)保能源有限公司，上海200090；3.國網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海202150）

0 引 言

固體絕緣材料在電場的作用下，其內(nèi)部每個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)正負電荷不能互相抵消，則多余的電荷成為相應位置上的空間電荷［1］。這些空間電荷形成的庫倫場與外施電場疊加，導致電介質(zhì)內(nèi)部的電場分布發(fā)生畸變，從而影響電介質(zhì)的介電性能，如擊穿性能、導電性能等。因此，了解材料的空間電荷分布狀態(tài)對于掌握固體絕緣介質(zhì)的電荷輸運特性有著重要意義。

經(jīng)過三十多年的發(fā)展，電聲脈沖法已經(jīng)成為一種無損、高效的測量固體絕緣中的空間電荷的方法，在實際中得到廣泛應用。由電聲脈沖法測量原理可知，空間電荷分布信號的強弱、信號的形狀都與高壓脈沖的幅值合形狀有關(guān)，可見ns級脈沖發(fā)生器的參數(shù)直接影響了測試系統(tǒng)的測量范圍和精度。根據(jù)PEA法空間電荷測試系統(tǒng)對電聲脈沖法的測量要求，在分析脈沖形成線形成脈沖機理的基礎(chǔ)上，利用脈沖傳輸線技術(shù)研制了一臺脈沖寬度為20 ns～100 ns、脈沖幅值為0～3 500 V的頻率可調(diào)的ns級超窄高壓脈沖發(fā)生器。

1 電聲脈沖法空間電荷測量原理

PEA法測量原理為：在試樣上施加前后沿較短的窄脈寬高壓電脈沖，試樣中的空間電荷在這個脈沖的作用下，將產(chǎn)生相應的壓力波脈沖，由壓電傳感器接收和測量壓力波脈沖，即可以得到相應的試樣中空間電荷的分布情況［2］。測量原理如圖 1所示［3］。

圖1 脈沖電聲法測量原理Fig.1 Measurement principle of PEA method

高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的高壓脈沖與壓電傳感器的厚度共同影響著PEA測試系統(tǒng)的分辨率與靈敏度［2］。研究表明，脈沖寬度越寬，傳感器越厚，靈敏度越高；若脈沖寬度為理想脈沖，傳感器厚度非常小時，分辨率最高。被測試樣厚度、脈沖寬度與傳感器厚度的適當參數(shù)選擇見表1［4］。為了適應不同厚度的試樣，所研制的脈沖發(fā)生器的脈沖寬為20 ns～100 ns。

表1 不同厚度試樣對應參數(shù)Tab.1 Parameters of samples with different thickness

2 ns級超窄高壓脈沖發(fā)生器總體框架設(shè)計

ns級超窄高壓脈沖形成原理如圖2所示。其工作原理：利用高壓電容充電電源提供脈沖能量，同軸電纜為脈沖形成線，通過脈沖控制電路控制水銀繼電器的動作，周期性釋放脈沖形成線的能量，產(chǎn)生不同脈沖形成線長度所對應的不同脈沖寬度的ns級脈沖。

圖2 ns級高壓超窄脈沖形成原理圖Fig.2 Forming principle diagram ns-class high voltage ultra narrow pulse

整個系統(tǒng)主要由高壓直流電源、水銀繼電器控制電路、脈沖形成電路三部分組成。文中使用CCM300型高壓電容充電電源作為高壓直流電源，該電源輸出電壓精確可控，輸出電流恒定可控，抗干擾能力強，可輸出0～10 kV的直流電壓，并且體積小巧，利于設(shè)備整體的小型化。

基于脈沖形成線原理，論文對其相應的脈沖形成電路進行了設(shè)計，系統(tǒng)原理如圖3所示。電阻R1為限流保護電阻，選取2 MΩ/5 W，W1、W2為脈沖形成線與脈沖傳輸線，選取SYV-50-3-1型同軸電纜，該型號同軸電纜波阻抗為50Ω。V1為HVDC高壓直流電源，R2、R5為脈沖形成線與脈沖傳輸線的阻抗匹配電阻，R3、R4構(gòu)成分壓器，用于示波器測量輸出波形，C1為隔直電容，用以消除信號中的直流分量，C2為被測樣品的等效電容。

圖3 脈沖控制電路Fig.3 Pulse control circuit

脈沖形成電路工作過程為：當開關(guān)斷開時，HVDC高壓直流電源通過限流電阻R1為脈沖形成線充電；當開關(guān)閉合時，脈沖形成線上儲存的能量開始釋放，并通過脈沖傳輸線傳輸至試樣處。隔直電容C1的主要作用是消除脈沖信號中的直流分量，起到了一定的濾波作用，但是隔直電容會分擔一部分試樣的脈沖電場，有研究表明［5］，C1的電容值為C2的電容值的10倍時，試樣能獲得大部分脈沖電場。

設(shè)內(nèi)導體直徑為a，外導體直徑為b，同軸電纜內(nèi)外導體絕緣為εr，真空介電常數(shù)為ε0，則同軸電纜單位長度電容C0為：

設(shè)同軸電纜的波阻抗為Z0，則根據(jù)波阻抗公式：

可以求得同軸電纜單位長度電感L0。根據(jù)C0和L0則可求得電磁波在同軸電纜中傳播的速度v為：

設(shè)同軸電纜的長度為l，則根據(jù)同軸傳輸線脈寬計算公式：

可得同軸電纜的長度與脈沖寬度成正比，即可以通過截取不同長度的同軸電纜即可改變不同的脈沖寬度。

另外，脈沖傳輸線的作用是將脈沖由脈沖形成線傳輸至被測試樣，為了減小脈沖發(fā)生展寬與衰減的影響，在不影響連接性能的情況下，應盡可能地減小脈沖傳輸線的長度。

3 匹配阻抗對波形的影響分析

利用同軸電纜產(chǎn)生脈沖的電路，實質(zhì)上是一種射頻電路，射頻電路的匹配阻抗會對脈沖波形造成影響。當匹配阻抗與脈沖傳輸線的波阻抗相等時，稱為阻抗匹配，若不相等，稱為阻抗失配。由于脈沖形成線產(chǎn)生的脈沖寬度可以等效為電磁波在傳輸線中傳播的時間，因此傳輸線的放電過程需要用分布參數(shù)來處理。設(shè)傳輸線的特性阻抗波為Z0，被充電到－VB的電壓，負載電阻為RT，則單傳輸線對負載放電的等效電路如圖4所示。

圖4 單傳輸線對負載放電等效電路Fig.4 Equivalent circuit of load discharge single transmission line

電路方程為：

當t＝0時，傳輸線內(nèi)筒已被充電到 －VB電壓，相應于傳輸線上電壓為VB，初始條件為：

邊界條件為：

對式（5）進行拉式變換，并利用初始條件得到：

邊界條件經(jīng)拉式變化后改寫為：

由式（8）可得：

此方程的解為：

由此可得，負責上的電壓為：

由式（13）可得波形圖為如圖5所示。由圖可知，在0≤t≤τ期間，負載RT上產(chǎn)生了幅值為VB/2，脈沖寬度為2l/v的電壓脈沖，輸出電壓極性與充電電壓極性相同。

圖5 R T＝Z0時傳輸線放電波形Fig.5 Transmission line discharge waveform when R T＝Z0

把分母展開成冪級數(shù)，可得：

進行拉式反變化可得：

由此可得非匹配負載下的電壓波形，當0＜k＜1，即RT＞Z0時，波形呈階梯狀衰減，極性不變，如圖6所示；當－1＜k＜0，即RT＜Z0時，波形呈震蕩衰減趨勢，極性發(fā)生周期性變化，如圖7所示。

圖6 非匹配負載0＜k＜1時的電壓波形Fig.6 Voltage waveform of non-matching load when 0＜k＜1

圖7 非匹配負載－1＜k＜0時的電壓波形Fig.7 Voltage waveform of non-matching load when－1＜k＜0

4 水銀繼電器控制電路設(shè)計

由上述的脈沖形成原理可知，高壓開關(guān)的動作直接關(guān)系到高壓脈沖的波形和測試信號的穩(wěn)定性。本文采用高壓水銀繼電器作為切換開關(guān)，其為某公司生產(chǎn)的水銀繼電器，控制電壓為12 V，最大耐受電壓為8 000 V，動作時間和釋放時間均為3 ms。為使繼電器能穩(wěn)定高效工作，設(shè)定計算最小動作周期為T＝10 ms，最大動作頻率為：f＝1/T＝100 Hz。但是，頻率過高會快速降低水銀繼電器壽命，為此論文設(shè)計了頻率可調(diào)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)在不影響測量信號的前提下降低開關(guān)頻率的目的。

為了實現(xiàn)對上述水銀繼電器的控制，論文采用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來控制水銀繼電器，其電路如圖8所示。其工作過程為：開始時C1電壓為零，端子VCC和RST上施加輸入電壓充電VDD，端子THR和TRI電壓為零，電容C1被充電，Vc上升；當C1上的電壓升到2/3 VDD時，觸發(fā)器復位，此時，VO為低電平，電容C通過R2和T放電，使C1上的電壓下降；當C1上的電壓下降到1/3 VDD時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平類似地，當C1上的電壓上升到2/3 VDD時，觸發(fā)器極性翻轉(zhuǎn)，故在充放電過程中，端子OUT上VO控制的三極管相應地導通與截止，在輸出端就得到一個周期性的方波，如圖9所示。

圖8 水銀繼電器控制電路Fig.8 Control circuit of mercury relay

圖9 脈沖電路控制信號波形Fig.9 Control signal waveform of pulse circuit

其占空比為：

頻率為：

在設(shè)計過程中，在滿足水銀繼電器動作和釋放時間的條件下，應盡可能使占空比小于或者等于50%，達到降低限流電阻的功率損耗的目的。

5 試驗結(jié)果及討論

利用上述原理搭建了脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器可以通過調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出電壓來調(diào)節(jié)脈沖的幅值，改變脈沖形成線的長度可以改變脈沖寬度。文中同軸電纜的特性阻抗為50Ω，示波器測量的分壓電阻變比為10：1，圖10為在不同匹配阻抗下的脈沖波形。當匹配阻抗為100Ω時，脈沖呈階梯狀衰減，并且會使脈寬延寬；當匹配阻抗為25Ω時，脈沖震蕩衰減，并使脈寬減小。圖11為脈寬分別為20 ns、40 ns、80 ns的脈沖波形，其脈沖形成線的計算長度分別為1.72 m、3.44 m、6.88 m，由圖中可以得出，脈沖寬度成比例增加，符合前面討論的脈沖寬度與脈沖形成線的長度成正比的結(jié)論。

值得注意的是，脈沖形成線的放置方式也會對脈沖造成影響，如圖12所示，在同樣的直流高壓電壓下，相比較將同軸電纜折疊成盤型放置，將同軸電纜鋪開放置會使脈沖波形的幅值更高，得到更好的效率，并且使脈寬更靠近計算脈寬。初步分析認為，將同軸電纜折疊成盤型放置會增加脈沖形成線的雜散電容與雜散電感，在射頻技術(shù)中，雜散電容與雜散電感會影響信號，使信號發(fā)生衰減或者失真。

圖10 不同阻抗匹配下的脈沖波形Fig.10 Pulse waveform with different matching resistance

圖11 不同脈沖寬度的脈沖波形Fig.11 Pulse waveform with different pulse width

圖12 不同結(jié)構(gòu)的脈沖形成線的脈沖波形Fig.12 Pulse waveform with different PFL structures

6 結(jié)束語

基于脈沖形成線原理設(shè)計了超窄高壓脈沖器，該脈沖發(fā)生器能夠輸出不同頻率（20 Hz～100 Hz）、不同脈寬（20 ns～100 ns）、不同幅值（0～3 500 V）的高壓脈沖，達到空間電荷分布測量的要求，可適用于不同空間分辨率的電聲脈沖法空間電荷分布測試系統(tǒng)。分析了匹配阻抗大小對脈沖波形影響，得出如下結(jié)論：

脈寬和傳輸線長度成正比，脈沖形成線的放置方式也會影響脈沖波形。線纜的波阻抗與匹配阻抗不相等時會對波形產(chǎn)生影響，當匹配阻抗大于波阻抗時，波形呈階梯狀衰減，極性不變；當匹配阻抗小于波阻抗時，波形呈震蕩衰減趨勢，極性發(fā)生周期性變化。利用水銀繼電器可實現(xiàn)對高壓的可靠切換，可得到穩(wěn)定的超窄高壓脈沖，這克服了干璜管動作過程中的抖動對高壓脈沖的影響。