1.250μs開(kāi)路電壓波發(fā)生器的研制

1、1.250s開(kāi)路電壓波發(fā)生器的研制摘要：開(kāi)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SurgeProtectiveDevice，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(guò)電壓與操作過(guò)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。該工程研制的開(kāi)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局部進(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)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的1.2/50?s雷電過(guò)電壓波形，波前時(shí)間1.2?s+16.7%，半峰值時(shí)間50?s+8%，

2、峰值誤差為-0.8%，充電電壓020kV。關(guān)鍵詞：1.2/50?s開(kāi)路電壓波研制雷電過(guò)電壓SPD中圖分類號(hào)：TM23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202108b-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(guò)電壓雷電時(shí)的絕緣性能，后來(lái)又被用于研究電力設(shè)備操守操作過(guò)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)平安。同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)和科技的開(kāi)展，各種電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn)

3、和廣泛使用，尤其是微電子技術(shù)的開(kāi)展，使微電子器件的集成化、小型化水平不斷不提高。但在開(kāi)展的同時(shí)，電子信息設(shè)備的耐過(guò)電壓、耐過(guò)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(guò)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)平安的運(yùn)行環(huán)境，SPD成為限制過(guò)電壓的重要電子器件之一。SPD主要是通過(guò)泄放雷電流、限制電涌電壓來(lái)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(guò)電壓的危害。同時(shí)SPD在為設(shè)備提供過(guò)電壓防護(hù)的同時(shí)，必須切實(shí)解決好自身的平安問(wèn)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(wèn)題。所以在GB18802中規(guī)定了對(duì)氣體放電管、空氣

4、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(guò)檢測(cè)部門(mén)的檢測(cè)才能投入應(yīng)用。因此，開(kāi)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(guò)電壓沖擊檢測(cè)與絕緣性能研究領(lǐng)域【7】。11.2/50?s沖擊電壓發(fā)生器的根本原理沖擊電壓發(fā)生器要滿足兩個(gè)要求：首先要能輸出幾十萬(wàn)伏到幾百萬(wàn)伏的電壓，同時(shí)這電壓要具有一定波形。它是用以下馬克斯Marx回路來(lái)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、C1C4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、g2g4為中間球隙、g0為隔離球隙、Rt為放電電阻、Rf為

5、波前電阻、C0為試品及測(cè)量設(shè)備等電容。21.2/50?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(lái)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適宜的位置上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(guò)程由控制電路局部來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)有控制電路來(lái)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??；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(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的期間布局與布線對(duì)設(shè)備的穩(wěn)

6、定有極大的影響。該設(shè)備在研制過(guò)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局部的線路采用合理的綜合布線，從而來(lái)確保設(shè)備器件的平安運(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)生器的充電回路局部；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為放電控制局部。充電回路局部由正負(fù)高壓源AC通過(guò)

7、充電電阻R1向高壓電容C1充電獲得高電壓，最大充電電壓可到達(dá)±20kV，正負(fù)高壓源的獲得由電磁繼電器控制的極性選擇開(kāi)關(guān)來(lái)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(guò)放電控制電路K來(lái)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(wú)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)量局部電阻分壓器。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)

8、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缺乏之處：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(lái)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1020k時(shí)，所加雷電沖擊電壓不能高于2MV的主要原因。作為標(biāo)準(zhǔn)分壓器，阻值應(yīng)該不大于10k。31.2/50?s開(kāi)路電壓發(fā)生器輸出波形與誤差分析在1.2/50?s開(kāi)路電壓發(fā)生器的研制過(guò)程中，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與新增功能的

9、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(kāi)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(kāi)路電壓發(fā)生器的輸出波形。見(jiàn)圖36依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，該工程研制的1.2/50?s開(kāi)路電壓波發(fā)生器的誤差范圍為：波頭局部為1.2?s+16.7%0.2/1.2×100%、波尾局部為50?s+8%4/50×100%、峰值局部誤差為-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(wú)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

10、的偏大致使1.2/50?s開(kāi)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(yǔ)文章研制的1.2/50?s開(kāi)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)根底上又彌補(bǔ)了原有設(shè)備的缺乏，經(jīng)過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自檢開(kāi)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(kāi)布局的布線方法，這樣可以確保設(shè)備內(nèi)部器件的運(yùn)行平安和設(shè)備的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)【1】張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng).高電壓試驗(yàn)技術(shù)M.清華大學(xué)出版社，2021.【2】陳景亮，姚學(xué)玲，孫偉.脈沖電流技術(shù)M.西安交通大學(xué)出版社，2021.【3】AndreasBeuted，JohnVanColler.SurgeprotectionoflowvoltagepowersysytemsforcellulartelecommunicationssitesC/PowerTechConference.2021.【4】劉亮，張貴新，羅承沐.