1.250μs開路電壓波發生器的研制

朱夏敏+張陽建

摘 要：開路電壓波發生器是一種產生標準1.2/50?s波形的高電壓發生裝置。主要用于檢測氣體放電管、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器（Surge Protective Device， SPD）。同時沖擊電壓發生器廣泛應用于研究SPD、電力設備遭受雷電過電壓與操作過電壓的絕緣性能，所以對于沖擊電壓發生器要求能產生標準的雷電波形。該項目研制的開路電壓波發生器分別對充電回路、高壓放電回路與操作控制電路部分進行了科學的創新設計與校準實驗調試。能夠產生符合規范要求的1.2/50 ?s雷電過電壓波形，波前時間1.2?s+16.7%，半峰值時間50?s+8%，峰值誤差為-0.8%，充電電壓0～20 kV。

關鍵詞：1.2/50 ?s開路電壓波 研制 雷電過電壓 SPD

中圖分類號：TM23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0072-03

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

隨著全球變暖雷電災害逐年增多，在現代社會中雷電嚴重威脅人類的生命和財產安全。同時隨著經濟和科技的發展，各種電子信息設備大量涌現和廣泛使用，尤其是微電子技術的發展，使微電子器件的集成化、小型化水平不斷不提高。但在發展的同時，電子信息設備的耐過電壓、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中的過電壓限制在一定的范圍之內，為了給電力系統中的設備提供一個安全的運行環境，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電子設備，使電子設備免遭雷電電涌和電力系統內部操作過電壓的危害。同時SPD在為設備提供過電壓防護的同時，必須切實解決好自身的安全問題。但在實際應用中，SPD在為電力系統提供保護的同時也出現了一系列的問題。所以在GB18802中規定了對氣體放電管、空氣間隙以及帶有氣體放電管或空氣間隙放電器SPD的檢測標準，所有投入使用的SPD產品都須通過檢測部門的檢測才能投入應用。因此，開路電壓發生器等實驗檢測設備廣泛應用于SPD、電力設備的耐受過電壓沖擊檢測與絕緣性能研究領域[7]。

1 1.2/50 ?s沖擊電壓發生器的基本原理

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

圖中，T為試驗變壓器、D為高壓硅堆、r為保護電阻、R為充電電阻、C1～C4為主電容器、rd為阻尼電阻、C′為對地雜散電容、g1為點火球隙、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為試品及測量設備等電容。

2 1.2/50 ?s沖擊電壓發生器的設計

2.1 沖擊電壓發生器充電回路與放電回路的設計

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，應該按照電路的設計結構與器件的連接方式將電容安裝在合適的位置上[2-3]。充電回路的設計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現同時有控制電路來對設備進行相應的操作[4]。對電壓發生器的結構設計要求電性能上要絕緣可靠，不發生閃絡或擊穿等事故；放電回路線路盡可能短，器件與線路的分布電感盡可能??；設備內外需接地的部位要進行有效的等電位連接與可靠的接地[5-6]。對產生高壓的實驗設備來說，其內部的期間布局與布線對設備的穩定有極大的影響。該設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接，同時對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，從而來確保設備器件的安全運行與設備運行的穩定性。其設計電路結構如圖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、R9兩端為測量BNC接口、R8兩端為高壓輸出端，用于沖擊測試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，最大充電電壓可達到±20 kV，正負高壓源的獲得由電磁繼電器控制的極性選擇開關來實現。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來實現對測試元件的放電沖擊。

2.2 電阻分壓器的設計

電工界所用的電子分壓器，通常是用優質電阻絲無感繞成。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換裝置具有一定的優點[1]。

（1）當它采用溫度系數小的電阻絲康銅絲或溫度系數較小而電阻系數較高的卡瑪絲繞成時，它的溫度穩定性高，長期穩定性也較高。

（2）而且采用上述電阻分壓器設計結構，它的響應特性有可能提高。

但在設計電阻分壓器是也要注意它的不足之處：為了高響應性能它的電阻值不能太高。由于它會對沖擊電壓發生器造成負載影響，它的接入會縮短沖擊波的半峰值時間。但一般可以調整發生器的放電電阻來解決；同時由于工作時電阻會發熱，電阻的能量消耗與所加電壓的平方值相關，這就造成了當電阻值選為10～20 kΩ時，所加雷電沖擊電壓不能高于2 MV的主要原因。作為標準分壓器，阻值應該不大于10 kΩ。

3 1.2/50 ?s開路電壓發生器輸出波形與誤差分析

在1.2/50 ?s開路電壓發生器的研制過程中，經過設計創新與新增功能的優化，使發生器的使用性能大幅提高。同時為監測發生器在長時間的沖擊使用中發生故障，該電壓波發生器新增有自檢開關，可以隨時查看電壓發生器兩個直流電源的運行狀態。以下是1.2/50 ?s開路電壓發生器的輸出波形。（見圖3～6）

依據規范標準，該項目研制的1.2/50 ?s開路電壓波發

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。

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

4 結語

文章研制的1.2/50 ?s開路電壓波發生器，在吸收現有相關檢測設備技術基礎上又彌補了原有設備的不足，經過創新設計，自檢開關設計可以直接觀測設備內部直流供電電源的運行狀態；設備內部布線采用高壓線路與控制線路分開布局的布線方法，這樣可以確保設備內部器件的運行安全和設備的穩定性。

參考文獻

[1] 張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗技術[M].清華大學出版社，2009.

[2] 陳景亮，姚學玲，孫偉.脈沖電流技術[M].西安交通大學出版社，2008.

[3] Andreas Beuted，John Van Coller.Surge protection of low voltage powersysytems for cellular telecommunications sites[C]//Power Tech Conference.2003.

[4] 劉亮，張貴新，羅承沐.沖擊波形發生電路設計方法的改進[J].電工技術學報，2007（5）：7.

[5] 趙有斌，李政，王建生，等.沖擊電壓發生器雷電波的負載特性及其波形分析和改善[J].高壓電器，1999（1）：20.

[6] 李保春，董有爾.高壓放電綜合實驗儀的設計[J].實驗技術與管理，2006，23（4）：47-48.

[7] 劉鑫.繼電器的應用[J].科技天地，2010（6）：35.