學(xué)習(xí)論文-沖擊電流發(fā)生器初階

沖擊電流發(fā)生器初階1.1沖擊電流發(fā)生器1.1.1沖擊電流發(fā)生器概述在大氣過電壓及操作過電壓下絕緣設(shè)備遭受破壞，不僅由于電場(chǎng)強(qiáng)度高使絕緣材料發(fā)生擊穿，還由于此時(shí)流過的大電流所伴隨的熱和力的破壞作用而造成損壞。所以為了檢驗(yàn)電氣設(shè)備在大氣過電壓及操作過電壓下的絕緣性能，需要模擬產(chǎn)生大電流，因此產(chǎn)生了沖擊電流發(fā)生器這種應(yīng)用廣泛的充放電裝置。沖擊電流發(fā)生器是一種產(chǎn)生沖擊大電流的裝置，它能夠把能量較緩慢地儲(chǔ)存在某種儲(chǔ)能元件中，然后突然把這些能量釋放到負(fù)載上，以得到瞬時(shí)值很大的沖擊電流〔脈沖電流〕。它的根本原理是“電容器長(zhǎng)時(shí)間充電，把電能儲(chǔ)存在電容器中，然后使電容器短時(shí)間放電，使負(fù)載得到很大的功率。〞沖擊電流發(fā)生器主要用來產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流或操作波電流，用以檢驗(yàn)電氣設(shè)備耐受實(shí)際雷電流或操作波電流的熱和電動(dòng)力的能力，所產(chǎn)生的沖擊電流的幅值從幾千安到幾百千安，甚至峰值可到達(dá)兆安級(jí)1.1.2沖擊電流發(fā)生器根本原理典型的沖擊電流發(fā)生器主要包括兩局部：整流充電回路和沖擊放電回路，整流充電回路是由變壓器，調(diào)壓器，整流器，限流電阻和儲(chǔ)能電容所組成；沖擊放電回路是由儲(chǔ)能電容，隔離間隙，傳輸線和負(fù)載組成。充電時(shí)間一般需要幾秒到幾分鐘，而放電時(shí)間極短，僅為微妙的數(shù)量級(jí)，這樣負(fù)載就可以得到非常大的瞬時(shí)功率。例如一個(gè)工作電壓為50kV,電容量為120微法，儲(chǔ)能為150kJ的沖擊電流發(fā)生器可以產(chǎn)生1MA以上的電流，1010沖擊電流發(fā)生器的作用原理與單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器根本相同，在比擬長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)電容器組C被整流電源充電到電壓Uo，然后發(fā)送一觸發(fā)脈沖Ust到三點(diǎn)極隔離間隙G，使間隙G擊穿，從而在短時(shí)間內(nèi)電容器組C把所獲得的能量釋放給被試品，使被試品獲得很大的瞬時(shí)功率。另外可根據(jù)充電電壓的上下和回路參數(shù)的大小，可以產(chǎn)生不同大小和波形不同的沖擊電流，來得到圖1-1沖擊電流發(fā)生器根本原理圖在現(xiàn)代的沖擊電流發(fā)生器中，為了獲得很大的沖擊電流幅值和陡度，將放電回路中的電感盡可能的小。而回路總電感是由幾局部電感所組成，其中包括電容器中的剩余電感、線路電感、球隙電感和試品中的電感。所以往往利用減少傳輸線的電感和采用低電感的電容器，除此之外還采用增加電容器并聯(lián)的臺(tái)數(shù)和多隔離間隙并聯(lián)接到共同的負(fù)載上運(yùn)行，來降低放電回路中的電感值。另外所產(chǎn)生的沖擊大電流應(yīng)從地上回路流歸電容器，防止局部電流經(jīng)接地系統(tǒng)流歸電容器，使地電位升高，引起平安事故或測(cè)量上的困難，所以放電回路只允許一點(diǎn)接地，電容器組必須是對(duì)地絕緣。1.1.3沖擊電流標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流波分為兩類，第一類是指數(shù)波，第二類為方波。指數(shù)波的波形如圖1-3所示，以Tf/Tt表示，有1us/20us，4us/10us，8us/20us，30us/80us四種。方波的波形如圖1-4所示，其峰值持續(xù)時(shí)間Td為500us，1000us，2000us，以及2000-3200us四種。對(duì)于指數(shù)型沖擊電流波的峰值，波前時(shí)間Tf，半波峰時(shí)間Tt的允許偏差均規(guī)定在±10％以內(nèi)。在指數(shù)型沖擊電流峰值附近，允許小的過沖或振蕩，但是單個(gè)峰值的過沖和震蕩不應(yīng)超過其峰值的5%。當(dāng)電流下降到零后，反極性的振蕩圖1-3標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流指數(shù)波Tf－波前時(shí)間〔波頭時(shí)間Tt－半峰值時(shí)間〔波尾時(shí)間〕圖1-4標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流方波Td－峰值持續(xù)時(shí)間，T1.1.4沖擊電流試驗(yàn)沖擊電流試驗(yàn)通常由五局部組成，直流充電裝置，主放電回路，觸發(fā)回路，測(cè)量裝置，控制回路。其原理方框圖如圖1-2所示圖1-2沖擊電流試驗(yàn)的組成框圖直流充電裝置，即充電回路。它由高壓變壓器，高壓整流硅堆，充電電阻和直流高壓指示儀表組成。它的作用是把電網(wǎng)中的電能經(jīng)過整流裝置變成直流電，送到電容器中儲(chǔ)存起來。主放電回路是整個(gè)試驗(yàn)裝置的核心局部，它由儲(chǔ)能電容器，傳輸線，隔離間隙，負(fù)載等組成。由觸發(fā)回路接通主放電回路，使已經(jīng)充滿電的電容器對(duì)負(fù)載放電，使得負(fù)載獲得極大地電流。觸發(fā)回路是一個(gè)能產(chǎn)生幾十甚至幾千千伏的觸發(fā)脈沖的電壓發(fā)生器。在主回路需要放電的時(shí)候，由控制回路送出一個(gè)信號(hào)區(qū)啟動(dòng)觸發(fā)回路，觸發(fā)回路再送出一個(gè)觸發(fā)電壓，使隔離間隙擊穿，接通放電回路。測(cè)量裝置主要是進(jìn)行沖擊電流和沖擊電壓的測(cè)量，其中包括峰值和波形的測(cè)量。由于沖擊電流和沖擊電壓的特征，一是變化很快的一次暫態(tài)量，二是電壓和電流的數(shù)值很大。因此兩者不能采用普通的儀表進(jìn)行測(cè)量，需要使用一些專門的測(cè)量方法。沖擊電流一般采用線圈或同軸分流器，而沖擊電壓那么采用分壓器來進(jìn)行測(cè)量。控制回路的作用是使試驗(yàn)裝置各局部按順序動(dòng)作?？刂苹芈房梢酝瑫r(shí)輸出多路控制脈沖，按要求去啟動(dòng)相應(yīng)的儀器設(shè)備，而且每一路的控制脈沖的延遲時(shí)間均是可調(diào)的。而在沖擊大電流試驗(yàn)中，控制回路本身的啟動(dòng)有人員主控和外加信號(hào)主控兩種方式。沖擊電流試驗(yàn)的動(dòng)作順序如此：儲(chǔ)能電容器由直流充電裝置充好電，其他的儀器和設(shè)備加上電源，處于準(zhǔn)備狀態(tài)。然后由試驗(yàn)人員發(fā)出主控信號(hào)，使控制回路輸出一個(gè)控制脈沖給觸發(fā)間隙，使間隙擊穿而接通放電回路。在一定的時(shí)間間隔后，控制回路在送出一個(gè)控制脈沖給示波器，使它啟動(dòng)記錄下被測(cè)信號(hào)的電信號(hào)波形。在電力部門和電力設(shè)備制造部門中，主要對(duì)電力系統(tǒng)使用的避雷器以及電子、電信系統(tǒng)使用的壓敏電阻等需進(jìn)行的沖擊電流試驗(yàn)圖1-3避雷器的電流沖擊耐受試驗(yàn)要求沖擊電流發(fā)生器回路分析而沖擊電流發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)RLC放電回路如圖1-5所示，根據(jù)電路理論的知識(shí)可以知道，電流波形有三種情況，振蕩、臨界振蕩、非振蕩。令，假設(shè)時(shí)，電流為振蕩波，假設(shè)時(shí)，電流為臨界振蕩波形，假設(shè)時(shí)，電流那么為非振蕩波。圖1-5主放電回路的等效電路RLC回路=1\*GB3①當(dāng)，電流為振蕩波時(shí)，電流波性：〔1-1〕峰值時(shí)間：〔1-2〕電流峰值：〔1-3〕=2\*GB3②當(dāng)，電流為臨界振蕩波時(shí)，電流波形：〔1-4〕峰值時(shí)間：〔1-5〕電流峰值：〔1-6〕=3\*GB3③當(dāng)，電流為非振蕩波時(shí)，電流波形：〔1-7〕峰值時(shí)間：〔1-8〕電流峰值：〔1-9〕上面三種情況，無論是哪一種情況，電流幅值都可以表示為當(dāng)R=0，，，；此時(shí)最大沖擊電流決定電容器的充電電壓U，電容量C和電感L。電壓U升高，電流成正比增加；電容量C增加，增加；電感L越小，電流值越大。當(dāng)電容器選定后，電容量和電壓就已經(jīng)確定了，為了提高沖擊電流，關(guān)鍵在于減少主放電回路各局部的電感。在同樣的電容器下，回路電感如果減少四倍，電流就可以增加兩倍，所以回路電感對(duì)最大沖擊電流起了決定性的作用。當(dāng)，。即當(dāng)趨向于0時(shí)，同時(shí)也趨向于1。當(dāng)正?；芈方Y(jié)構(gòu)時(shí)，不專門外加阻尼電阻，R值稍大于零，也不大，也可以到達(dá)0.85—0.95?？傮w來說，可見在一定的U,L,C的情況下，當(dāng)R=0時(shí)可以獲得最大的沖擊電流值。但在實(shí)際的電路當(dāng)中，電阻不能為零，但在振蕩情況下電流有較大的幅值，非振蕩波的最大幅值產(chǎn)生在臨界條件，但其幅值僅為純LC電路內(nèi)振蕩電流最大值的36.8％。沖擊電流發(fā)生器要獲得最大電流，必須盡可能地減少回路電感。從上面分析可以看到，沖擊電流發(fā)生器靠改變回路參數(shù)來調(diào)節(jié)波形，靠升降充電電壓來調(diào)節(jié)電流幅值。從上面式子〔1-1〕到〔1-9〕雖然表示了電流幅值及波形與充電電壓及回路參數(shù)的關(guān)系，但是如果按照這些公式進(jìn)行計(jì)算，除非在臨界狀態(tài)，一般都比擬負(fù)載，而且求得的電流最大值時(shí)間與前面沖擊電流指數(shù)波圖形不符。如按目前規(guī)定的波形定義來求沖擊電流幅值、波形時(shí)間與充電電壓回路和回路參數(shù)的關(guān)系，可以利用下列圖1-6與圖1-7。方法如下：=1\*GB2⑴如給定的波形和電流幅值求回路參數(shù)和充電電壓，即，為數(shù)。假設(shè)R也，可先從圖1-6由找到相應(yīng)的及值。計(jì)算值。再由公式，求得L及C的值。再?gòu)膱D1-7找到相應(yīng)于值的。由公式求得充電電壓。=2\*GB2⑵如給定的是R、L、C和充電電壓U求產(chǎn)生電流的幅值和波形。首先算出值后，再通過圖1-6找到相應(yīng)的值的、值，再按公式算得波前時(shí)間及半峰值時(shí)間。然后從圖1-7查得相應(yīng)的值的，再按公式算得電流幅值。圖1-6及，，的關(guān)系圖1-7和，的關(guān)系下面舉例說明：回路參數(shù)為L(zhǎng)=5.48uH,C=12uF,R=0.5,充電電壓U=54.5kV,求產(chǎn)生的沖擊電流波形及幅值。解：先算得由圖1-6可以查得由圖1-7可以查得算得對(duì)于主放電回路的振蕩頻率,頻率和電容器充電電壓無關(guān)，只決定于回路參數(shù)，當(dāng)忽略回路電阻時(shí)，它只決定于電容量C和回路電感L，電感和電容越小，它們可以儲(chǔ)存的能量就越小，相互間容易交換能量，因此振蕩頻率高。而沖擊電流的最大上升陡度和電容量C及回路電阻R無關(guān),它決定于電容的充電電壓U和回路電感L。U越高，沖擊電流上升越快。而電感阻礙沖擊電流的變化，電感越大，沖擊電流的上升越困難，陡度就越小。又因?yàn)閷?shí)際的電路中有電阻，有電阻就要消耗能量，使沖擊電流幅值按指數(shù)函數(shù)衰減。的大小反響了沖擊電流衰減的快慢，它決定于回路電阻R和電感L。電阻越大，同一時(shí)間內(nèi)，能量消耗越多，沖擊電流幅值減少就越快。1.1.6沖擊電流發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)巨大的沖擊電流發(fā)生器在結(jié)構(gòu)上有許多特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和使用上需要充分注意。第一點(diǎn)是，為了獲得盡可能大的沖擊電流和陡度，應(yīng)該盡可能減少放電回路的電感和電阻。在對(duì)電容器組、引線和結(jié)構(gòu)布置方面需要作出合理的安排；第二點(diǎn)是，放電回路是靠球間隙等開放元件接通的，要求開關(guān)元件應(yīng)動(dòng)作迅速，能耐受大電流作用，壽命長(zhǎng)等。特別是當(dāng)電容器分成假設(shè)干組并聯(lián)放電時(shí)，那么要求各組的開關(guān)元件應(yīng)同步準(zhǔn)確，分散性小。第三點(diǎn)是，由于儲(chǔ)能電容器中的能量是由整流電源供應(yīng)的，儲(chǔ)存的能量越大，所需的充電時(shí)間就越長(zhǎng)。所以對(duì)于強(qiáng)大的沖擊電流發(fā)生器，為了縮短充電時(shí)間，應(yīng)采用特殊的快速充電設(shè)備。第四點(diǎn)是，由于通流導(dǎo)體之間存在著強(qiáng)大的電動(dòng)力，各通流導(dǎo)體應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，防止電動(dòng)力的破壞。第五點(diǎn)是，由于儲(chǔ)存在電容器中的能量是巨大的，當(dāng)某一電容器發(fā)生短路故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸事故，因此電容器組應(yīng)有可靠地保護(hù)措施。第五點(diǎn)是，如果試品要求有較高的試驗(yàn)電壓，而電容器的額定電壓不能滿足要求時(shí)，可以將電容器分成假設(shè)干組，每組由多臺(tái)電容器并聯(lián)組成，但各組電容器之間和對(duì)地應(yīng)該有足夠的絕緣。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)要求，使幾組電容器進(jìn)行串聯(lián)放電，這樣既可以獲得大的沖擊電流，也可以獲得較高的電壓。圖1-8電容器并聯(lián)放電圖1-9電容器串聯(lián)放電第六點(diǎn)是，由于沖擊電流幅值高，變化速度快，要求放電回路僅一點(diǎn)接地，電容器組應(yīng)該對(duì)地絕緣，否那么將使地電位升高，引起平安事故或測(cè)量上的困難。沖擊電流發(fā)生器的充電方式大致可以分為恒壓充電和恒流充電兩種。對(duì)于容量較小的沖擊電流發(fā)生器，通常采用恒壓充電方式。由于隨著電容器的充電電壓逐漸升高，充電電流逐漸下降，致使電容器的充電電壓上升緩慢。而對(duì)于容量很大的沖擊電流發(fā)生器，多采用恒流充電方式，以減少充電時(shí)間。所謂的恒流充電電路，就是在充電過程中始終保持著充電電流維持恒定。通過電路計(jì)算，我們可以知道，無論是在直流充電電路，還是交流整流充電電路中，恒流充電的充電時(shí)間要比恒壓的充電時(shí)間要短一些。1.1.7沖擊電流發(fā)生器應(yīng)用范圍沖擊電流技術(shù)是隨著近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)而開展起來的一門技術(shù)，而沖擊電流發(fā)生器可以再很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百萬安培的沖擊電流。它在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)改造中得到越來越多的應(yīng)用。目前，沖擊電流發(fā)生器的應(yīng)用已經(jīng)超出了電力運(yùn)行部門和電工制造部門，在核物理、加速器、激光、脈沖功率等技術(shù)物理部門得到了廣泛的應(yīng)用。例如沖擊電流發(fā)生器被廣泛地應(yīng)用在高溫等離子體和受控?zé)岷朔错懙难芯恐?，用它來產(chǎn)生溫度高達(dá)幾千萬度的高溫等離子體；用它來產(chǎn)生約束帶電粒子的磁場(chǎng)。其中在等離子焦點(diǎn)裝置中，沖擊電流達(dá)四百萬安培；在等離子體角收縮裝置中，沖擊電流甚至到達(dá)一億安培。沖擊大電流還可以產(chǎn)生高達(dá)兩千萬高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)，用來研究在強(qiáng)磁場(chǎng)中的物質(zhì)