雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用

摘 要：組合波信號發(fā)生器（CWG）主要應(yīng)用于浪涌保護(hù)器或電子設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)，要求在虛擬阻抗Z為2Ω的情況下，輸出1.2/50μs開路電壓波和8/20μs短路電流波。目前，市場上的雷電組合波沖擊設(shè)備的參數(shù)一般為6000V、3000A，而本次設(shè)計(jì)的雷電組合沖擊波設(shè)備的參數(shù)被提高到10000V、5000A，提高了其沖擊性能，能更好地進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：1.2/50μs、8/20μs；組合波；SPD

引言

雷電災(zāi)害是自然界發(fā)生頻率最高的自然災(zāi)害之一，對人類的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了巨大的威脅。在低壓系統(tǒng)中，應(yīng)該在不同防雷分區(qū)的分界處安裝電涌保護(hù)器，從而降低各種方式入侵的雷電過電壓的危害，逐步減少雷電產(chǎn)生的電磁脈沖，不再引起電子設(shè)備的工作錯誤和系統(tǒng)誤操作等。電涌保護(hù)器在電路系統(tǒng)中起到了重要的作用，而雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設(shè)備則用來對電涌保護(hù)器進(jìn)行測試。

1 電涌保護(hù)器的基本原理

電涌保護(hù)器是用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的裝置，它至少應(yīng)包含一個非線性元件。在被保護(hù)電路正常工作，瞬態(tài)電涌未到來以前，此元件呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，對被保護(hù)電路沒有影響；而當(dāng)瞬態(tài)電涌到來時，此元件迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，將電涌電流泄放，并將被保護(hù)設(shè)備兩端的電壓限制在較低的水平。當(dāng)電涌能量釋放后，該非線性元件又迅速、自動地恢復(fù)為高阻狀態(tài)。如果這個動作與恢復(fù)的過程能迅速而順利地完成，則被保護(hù)設(shè)備和電路就不會遭受雷電或操作電涌的危害，將可保障其電路的正常工作。

2 雷電（1.2/50μs、8/20μs） 組合波沖擊設(shè)備原理（圖1）

組合波CW（Combination Waveform）對電涌保護(hù)器的試驗(yàn)有兩種模式—共模試驗(yàn)和差模試驗(yàn)。共模試驗(yàn)指的是沖擊信號施加在電源的各相線對地線的沖擊試驗(yàn)，差模試驗(yàn)指的是沖擊信號施加在電源的各相線之間的試驗(yàn)。

3 雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 組合波沖擊設(shè)備的組成

組合沖擊波設(shè)備的組成如圖2所示。

3.2 組合波沖擊設(shè)備工作原理圖（圖3）

組合波沖擊設(shè)備主要有B1、B2、R、D構(gòu)成高壓形成電路，輸出0-10kV連續(xù)可調(diào)直流電壓，電容C構(gòu)成儲能電路，K是高壓直流開關(guān)，它的斷開與閉合受控制電路Ⅱ的控制。R1、R2、R3、L組成組合波形成網(wǎng)絡(luò)電路，R6、R7構(gòu)成高壓電路，通過R7上的電壓檢測電容C上的電壓值，R4、R5構(gòu)成測試分壓器，通過R5上的電壓波形，檢測試SPD上的殘壓波形，L1為羅氏線圈，通過L1的輸出，調(diào)試波形，觀察流過試品SPD上的沖擊電流波形及幅值。工作過程用市電220V加到調(diào)壓器B1上，B2為220V：12kV的升壓變壓器，B2輸出的電壓通過限流電阻R及高壓整流期間D對電容C充電，當(dāng)C上的電壓達(dá)到要求的電壓值時，由控制電路Ⅱ使高壓真空開關(guān)K閉合，同時J斷開，電容C通過R1、R2、R3、L以及SPD構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)放電回路放電。通過分壓器R4R5及羅氏線圈在示波器測試出SPD的殘壓及電流波形。J1斷電，J1-1斷開，充電停止，電路采用繼電器控制。

3.3 組合波沖擊設(shè)備控制電路設(shè)計(jì)（圖4）

放電控制電路用于控制電壓發(fā)生器放電與沖擊測試的每一步工作，在控制部分應(yīng)用電磁繼電器的串聯(lián)、并聯(lián)與自鎖功能實(shí)現(xiàn)對電壓發(fā)生器的操作控制。根據(jù)繼電器接點(diǎn)在電路中的連接方式，繼電電路可分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)電路三種基本形式。

組合波發(fā)生器控制電路主要由J1、J2、J3、J4四個繼電器K1、K2、K3三只按鍵開關(guān)及K高壓直流開關(guān)組成，工作原理：當(dāng)K1高壓合按鍵閉合時，J1、J2通電，J1-1為J1的常開觸點(diǎn)，閉合自鎖，LED2指示燈亮，J2-1為J2常閉觸點(diǎn)，斷開LED1指示燈時，按下K3觸發(fā)按鍵，J4通電，J4-2閉合，控制高壓真空開關(guān)J5通電，K閉合，電容C放電，同時，J4-1為J4的常開觸點(diǎn)斷開，J1、J2斷電，J1-1連點(diǎn)斷開，恢復(fù)高壓分的狀態(tài)，當(dāng)在充電過程中，出現(xiàn)異常現(xiàn)象時，要求高壓停止對C充電，按鍵K2高壓分按下，J3通電，J3-1為J3的常閉觸點(diǎn)，J3-1斷開。

3.4 儀器制作

（1）元器件布局：上層為放電回路，下層為充電回路及控制回路。（2）布線規(guī)律：在設(shè)計(jì)時，合理的布線不僅可使電路美觀，還可降低導(dǎo)線之間的干擾，使實(shí)驗(yàn)達(dá)到理想的效果。（3）絕緣設(shè)置：布置高壓部分時使用較粗的外包較厚絕緣層內(nèi)置塑料保護(hù)層的高壓線。對于低壓部分，如控制回路只選用較細(xì)導(dǎo)線即可。在對導(dǎo)線進(jìn)行焊接后，對于暴露在空氣中的接頭會使用橡膠管進(jìn)行包裹。（4）焊接工藝：本設(shè)備所用的是高溫焊錫。（5）電磁屏蔽：此設(shè)備最終放置在防雷實(shí)驗(yàn)室中供日常教學(xué)使用，由于防雷實(shí)驗(yàn)室有著高規(guī)格的電磁屏蔽系統(tǒng)，所以儀器本身基本不會受到電磁脈沖的干擾。

3.5 使用說明及參數(shù)

（1）充電電壓：范圍：0-10kV，由數(shù)字表顯示。（2）組合波輸出及測量：組合沖擊波輸出通過沖擊分壓器進(jìn)行測量，可通過前面板上的BNC插座，供外接示波器測量，并得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。（3）接地：本測試儀為金屬外殼，通過后面板上的接地端接地。（4）電源：交流220V±10%，50Hz，150W。（5）體重：30kg

3.6 操作流程

（1）檢查沖擊發(fā)生器接地、供電電壓以及供電回路是否正確；（2）正確連接試品；（3）確認(rèn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕在逆時針到底位置；（4）按下電源按鈕；（5）按下高壓合按鈕；（6）順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，一邊緩慢旋轉(zhuǎn)，一邊觀察數(shù)字表所顯示充電電壓的數(shù)值，當(dāng)數(shù)字表顯示的數(shù)值穩(wěn)定在所需要的電壓時，停止旋轉(zhuǎn)；（7）按下觸發(fā)按鈕，輸出波形；（8）用示波器測量輸出波形，測量輸出電壓和電流；（9）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)至底位置；（10）按下高壓分旋鈕；（11）關(guān)閉“電源”。

4 結(jié)束語

本次研制的雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設(shè)備主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）組合波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)簡單，控制方便，性能穩(wěn)定，操作方便。（2）高壓放電回路，采用以大地為參考電信號，操作人員安全，以免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。（3）組合波發(fā)生回路的電壓、電流波的誤差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，且誤差較小。（4）控制電路采用繼電器自鎖結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)充放電同時出現(xiàn)的現(xiàn)象，避免高壓造成的危險(xiǎn)。（5）組合波發(fā)生器中高壓電路的設(shè)計(jì)采用無感電阻的繞制方法，測量精度高，誤差小，抗干擾能力強(qiáng)。（6）采樣電流采用自積分式羅氏線圈，有測量精度高、誤差范圍小、靈敏度高等特點(diǎn)。