1.250μs开路电压波发生器的研制

朱夏敏+张阳建

摘 要：开路电压波发生器是一种产生标准1.2/50?s波形的高电压发生装置。主要用于检测气体放电管、空气间隙放电器以及带有气体放电管或空气间隙放电器的电涌保护器（Surge Protective Device， SPD）。同时冲击电压发生器广泛应用于研究SPD、电力设备遭受雷电过电压与操作过电压的绝缘性能，所以对于冲击电压发生器要求能产生标准的雷电波形。该项目研制的开路电压波发生器分别对充电回路、高压放电回路与操作控制电路部分进行了科学的创新设计与校准实验调试。能够产生符合规范要求的1.2/50 ?s雷电过电压波形，波前时间1.2?s+16.7%，半峰值时间50?s+8%，峰值误差为-0.8%，充电电压0～20 kV。

关键词：1.2/50 ?s开路电压波 研制 雷电过电压 SPD

中图分类号：TM23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0072-03

冲击电压发生器是一种产生标准脉冲波的高电压发生装置。起初它只被用于研究电力设备操守大气过电压（雷电）时的绝缘性能，后来又被用于研究电力设备操守操作过电压的绝缘性能。所以对于冲击电压发生器，要求能够产生出现在电力设备上标准的雷电波形，冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波前陡度有关[1]。

随着全球变暖雷电灾害逐年增多，在现代社会中雷电严重威胁人类的生命和财产安全。同时随着经济和科技的发展，各种电子信息设备大量涌现和广泛使用，尤其是微电子技术的发展，使微电子器件的集成化、小型化水平不断不提高。但在发展的同时，电子信息设备的耐过电压、耐过电流和抗雷电电磁脉冲的能力却大大下降[2-3]。这就要求把电力系统中的过电压限制在一定的范围之内，为了给电力系统中的设备提供一个安全的运行环境，SPD成为限制过电压的重要电子器件之一。SPD主要是通过泄放雷电流、限制电涌电压来保护电子设备，使电子设备免遭雷电电涌和电力系统内部操作过电压的危害。同时SPD在为设备提供过电压防护的同时，必须切实解决好自身的安全问题。但在实际应用中，SPD在为电力系统提供保护的同时也出现了一系列的问题。所以在GB18802中规定了对气体放电管、空气间隙以及带有气体放电管或空气间隙放电器SPD的检测标准，所有投入使用的SPD产品都须通过检测部门的检测才能投入应用。因此，开路电压发生器等实验检测设备广泛应用于SPD、电力设备的耐受过电压冲击检测与绝缘性能研究领域[7]。

1 1.2/50 ?s冲击电压发生器的基本原理

冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定波形。它是用下列马克斯（Marx）回路来实现的，如图1所示。

图中，T为试验变压器、D为高压硅堆、r为保护电阻、R为充电电阻、C1～C4为主电容器、rd为阻尼电阻、C′为对地杂散电容、g1为点火球隙、g2～g4为中间球隙、g0为隔离球隙、Rt为放电电阻、Rf为波前电阻、C0为试品及测量设备等电容。

2 1.2/50 ?s冲击电压发生器的设计

2.1 冲击电压发生器充电回路与放电回路的设计

冲击电压波形是靠高压电容的充电与放电来获得高电位的，应该按照电路的设计结构与器件的连接方式将电容安装在合适的位置上[2-3]。充电回路的设计主要是为放电回路提供高压脉冲，放电过程由控制电路部分来实现同时有控制电路来对设备进行相应的操作[4]。对电压发生器的结构设计要求电性能上要绝缘可靠，不发生闪络或击穿等事故；放电回路线路尽可能短，器件与线路的分布电感尽可能小；设备内外需接地的部位要进行有效的等电位连接与可靠的接地[5-6]。对产生高压的实验设备来说，其内部的期间布局与布线对设备的稳定有极大的影响。该设备在研制过程中将充电回路与放电回路分两层放置，且高压器件之间用绝缘性能较好的高压线联接，同时对高压放电回路与控制电路部分的线路采用合理的综合布线，从而来确保设备器件的安全运行与设备运行的稳定性。其设计电路结构如图2所示。

图中由高压源AC、充电电阻R1、电阻分压器R2R3与高压电容组成电压发生器的充电回路部分；放电回路由高压电容C1、放电电阻R4R5、电阻R6R7、电容C1C2与电阻分压器R8R9组成。其中分压电阻R3接充电电压表、R9两端为测量BNC接口、R8两端为高压输出端，用于冲击测试SPD、气体放电管与空气间隙等器件，K为放电控制部分。

充电回路部分由正负高压源AC通过充电电阻R1向高压电容C1充电获得高电压，最大充电电压可达到±20 kV，正负高压源的获得由电磁继电器控制的极性选择开关来实现。放电回路由高压电容与波头电阻R4R5、波尾电容C1C2与电阻R8等组成，通过放电控制电路K来实现对测试元件的放电冲击。

2.2 电阻分压器的设计

电工界所用的电子分压器，通常是用优质电阻丝无感绕成。为了减小电感，要求在满足阻值及限制升温的前提下，电阻丝应尽可能短。在图2中的R2R3与R8R9为电压显示表头电阻分压器与元件测量部分电阻分压器。在雷电冲击电压条件下，采用电阻分压器作为转换装置具有一定的优点[1]。

（1）当它采用温度系数小的电阻丝康铜丝或温度系数较小而电阻系数较高的卡玛丝绕成时，它的温度稳定性高，长期稳定性也较高。

（2）而且采用上述电阻分压器设计结构，它的响应特性有可能提高。

但在设计电阻分压器是也要注意它的不足之处：为了高响应性能它的电阻值不能太高。由于它会对冲击电压发生器造成负载影响，它的接入会缩短冲击波的半峰值时间。但一般可以调整发生器的放电电阻来解决；同时由于工作时电阻会发热，电阻的能量消耗与所加电压的平方值相关，这就造成了当电阻值选为10～20 kΩ时，所加雷电冲击电压不能高于2 MV的主要原因。作为标准分压器，阻值应该不大于10 kΩ。

3 1.2/50 ?s开路电压发生器输出波形与误差分析

在1.2/50 ?s开路电压发生器的研制过程中，经过设计创新与新增功能的优化，使发生器的使用性能大幅提高。同时为监测发生器在长时间的冲击使用中发生故障，该电压波发生器新增有自检开关，可以随时查看电压发生器两个直流电源的运行状态。以下是1.2/50 ?s开路电压发生器的输出波形。（见图3～6）

依据规范标准，该项目研制的1.2/50 ?s开路电压波发

生器的误差范围为：波头部分为1.2?s+16.7%（0.2/1.2×100%）、波尾部分为50?s+8%（4/50×100%）、峰值部分误差为-0.8%

（4/500×100%），峰值误差分析如图7所示。

根据分析，造成误差的主要原因是由于在采集设备电路器件时无法采集到符合理论标准的器件而造成的。其中波头电阻与波尾电容的偏大致使1.2/50 ?s开路电压波发生器的输出波头与波尾误差偏大。同时连接器件与测试线路的分布参数也对输出波形有一定的影响。

4 结语

文章研制的1.2/50 ?s开路电压波发生器，在吸收现有相关检测设备技术基础上又弥补了原有设备的不足，经过创新设计，自检开关设计可以直接观测设备内部直流供电电源的运行状态；设备内部布线采用高压线路与控制线路分开布局的布线方法，这样可以确保设备内部器件的运行安全和设备的稳定性。

参考文献

[1] 张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术[M].清华大学出版社，2009.

[2] 陈景亮，姚学玲，孙伟.脉冲电流技术[M].西安交通大学出版社，2008.

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

[4] 刘亮，张贵新，罗承沐.冲击波形发生电路设计方法的改进[J].电工技术学报，2007（5）：7.

[5] 赵有斌，李政，王建生，等.冲击电压发生器雷电波的负载特性及其波形分析和改善[J].高压电器，1999（1）：20.

[6] 李保春，董有尔.高压放电综合实验仪的设计[J].实验技术与管理，2006，23（4）：47-48.

[7] 刘鑫.继电器的应用[J].科技天地，2010（6）：35.