10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)制作

黨建平

（大慶油田電力集團(tuán)電力調(diào)度中心，黑龍江大慶163453）

自然界的雷電和工業(yè)環(huán)境下的開關(guān)操作等引起的浪涌沖擊，有可能在電網(wǎng)或通信線路上產(chǎn)生能量極高的瞬態(tài)過電壓或過電流。在這種情況下，經(jīng)常會(huì)燒毀電子元件，對(duì)正在運(yùn)行的電子設(shè)備造成破壞。

浪涌電壓發(fā)生器用于模擬產(chǎn)生線路上的雷電感應(yīng)、開關(guān)操作等引起的浪涌沖擊電壓信號(hào)，以便對(duì)相關(guān)電子設(shè)備及線路進(jìn)行浪涌抗沖擊試驗(yàn)。10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器專門用于通信設(shè)備、通信線路的浪涌抗沖擊試驗(yàn),以驗(yàn)證通信設(shè)備和線路的抗高電壓沖擊能力[1-2]。

鑒于產(chǎn)品10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器（也稱10/700微秒高壓沖擊波發(fā)生器）功能豐富，但價(jià)格昂貴、體積龐大，根據(jù)實(shí)際工作需求，我們自行設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器，并利用該裝置對(duì)DDN-GL-1型串口隔離保護(hù)器進(jìn)行了離線和模擬在線的浪涌抗沖擊試驗(yàn)，取得了滿意的效果。

該裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)符合國標(biāo)GB/T17626.5-2008規(guī)定，開路電壓峰值根據(jù)需要選為國標(biāo)規(guī)定的0.5～4 kV之間的2.5 kV，浪涌沖擊頻度為2次/分鐘。

1 技術(shù)背景

1.1 波形形狀及其參數(shù)

國標(biāo)GB/T17626.5-2008規(guī)定，10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器的開路輸出電壓波形如圖1所示[3]。

圖1 采購決策業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 Flow chart of purchase dicision service

圖1中，波前時(shí)間為T1=1.67×T=10 μs±30%，半峰值時(shí)間為T2=700 μs±20%。主要電氣參數(shù)為：開路電壓峰值為Vp=0.5-4.0 kV，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為r=40 Ω。

1.2 面對(duì)的特殊問題

由于本裝置所需要的輸出電壓峰值的電壓等級(jí)較低（僅2.5 kV），放電間隙太小，難以精確地調(diào)整球隙距離，因此在高壓放電中經(jīng)常采用的通過改變球隙間距調(diào)整放電電壓峰值的常規(guī)方法[4]已不再適用。本設(shè)計(jì)采用電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的方法解決了這一難題。

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?/h3>

國標(biāo)推薦的10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器的高壓主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。其中：U為高壓直流電源，Rc為充電電阻，Cc為儲(chǔ)能電容，K為放電球隙，Rs為半峰值時(shí)間形成電阻，Rm1、Rm2為匹配電阻，Cs為波前時(shí)間形成電容。其工作過程簡(jiǎn)述如下：

直流高壓電源U通過充電電阻Rc向儲(chǔ)能電容Cc充電，Cc兩端電壓不斷升高，當(dāng)該電壓達(dá)到球隙K的擊穿閾值時(shí)，K被擊穿，Cc開始經(jīng)球隙K放電。

儲(chǔ)能電容Cc的充電回路為：U+-Rc-Cc-U-；放電回路有兩條，第一條：Cc-K-Rm1-Cs-Cc；第二條：Cc-K-Rs-Cc。

充電過程中，球隙K的放電間隙決定放電閾值，該閾值一般根據(jù)輸出要求的浪涌電壓峰值預(yù)先設(shè)定，并須略高于輸出的浪涌電壓峰值；由于充電的快慢取決于Rc、Cc的時(shí)間常數(shù)，因此改變Rc的阻值，可調(diào)整浪涌沖擊頻度。

放電過程中，波前時(shí)間T1主要由Rm1、Cs決定，而半峰值時(shí)間T2則主要由Cc、Rs決定。

圖2 高壓主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 High voltage main circuit topology

隨著Cc放電的繼續(xù)，球隙K兩端的電壓越來越低，當(dāng)該電壓低到不足以維持球隙K的擊穿狀態(tài)時(shí)，球隙K重新返回?cái)嗦窢顟B(tài)。如果浪涌電壓發(fā)生器此時(shí)處于自動(dòng)沖擊模式，儲(chǔ)能電容Cc將進(jìn)入下一輪充、放電過程。可見，在自動(dòng)沖擊模式下，浪涌沖擊頻度等于儲(chǔ)能電容Cc每次充、放電時(shí)間之和的倒數(shù)。

2.2 實(shí)際采用的拓?fù)?/h3>

設(shè)計(jì)過程中為解決放電球隙K與高壓直流電源U的共地問題，以便使球隙K的放電容易由電路控制，因此在圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浠A(chǔ)上，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稍做變形[5]，形成了本設(shè)計(jì)中實(shí)際采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中儲(chǔ)能電容Cc的充、放電過程同上，唯一區(qū)別在于充電時(shí)的充電電阻變成了Rc+Rs，但因Rc＞＞Rs，不會(huì)明顯影響浪涌沖擊頻度。

圖3 實(shí)際采用的高壓主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Uses actually high-pressured main circuit topology

3 電路結(jié)構(gòu)與原理

本裝置在電路上由高壓回路、控制回路、電源電路3部分構(gòu)成。其中高壓回路是本裝置的主回路，控制回路為從屬回路。控制回路用來對(duì)高壓回路中儲(chǔ)能電容Cc的充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并控制高壓回路在預(yù)先設(shè)定的高壓峰值下點(diǎn)火放電，進(jìn)而形成圖1所示的浪涌電壓波形。

3.1 高壓回路

圖4是本裝置的高壓回路原理圖。高壓回路由高壓直流電源U=2 700 V、充電電阻Rc=100 kΩ、儲(chǔ)能電容Cc=20 μF、半峰值時(shí)間形成電阻Rs=50 Ω、波前時(shí)間形成電容Cs=0.2 μF、匹配電阻Rm1=15 Ω、Rm2=25 Ω及放電球隙K組成。其中：放電球隙K的正、負(fù)電極間距約4 mm，大于2.5 kV的放電間距（約2.5 mm），并在K的正、負(fù)極之間設(shè)置了第3電極k，以便由控制回路按預(yù)先設(shè)定的2.5 kV輸出電壓峰值，由第三電極k產(chǎn)生點(diǎn)火脈沖強(qiáng)制點(diǎn)火，誘使球隙K擊穿。

圖4 高壓回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of high voltage circuit

3.2 控制回路

圖5是本裝置的控制回路原理圖?？刂苹芈酚呻娮泳€路構(gòu)成?？刂苹芈穼?duì)電容Cc上的充電電壓采樣后，根據(jù)事先設(shè)定的放電電壓值，再由控制回路通過第3電極k向放電球隙K的正、負(fù)極之間送入點(diǎn)火脈沖的方法，誘使放電球隙K放電導(dǎo)通，從而使開路輸出脈沖峰值得到比用常規(guī)方法（即調(diào)整球隙K間距）更為精確的控制。

由圖5可見，本裝置的控制回路以時(shí)基芯片NE555為核心。NE555在電路中被接成施密特觸發(fā)器形式，由第7腳作為輸出端。來自圖4中儲(chǔ)能電容Cc兩端的充電電壓被電阻R1、R2分壓，經(jīng)電容C1濾除干擾，送入NE555第2、6腳，作為采樣電壓。當(dāng)Cc充電電壓達(dá)到由R1、R2設(shè)定的峰值2 500 V時(shí)，NE555第2、6腳到達(dá)高閾值，NE555狀態(tài)翻轉(zhuǎn)、第7腳變低，使三極管V1截止、可控硅T1導(dǎo)通，已存儲(chǔ)于電容C3上的電壓經(jīng)T1向升壓變壓器B的初級(jí)N1放電，N1所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)高壓脈沖變壓器B升壓，由次級(jí)N2輸出上萬伏的高壓點(diǎn)火脈沖，誘使圖4中的放電球隙K導(dǎo)通、Cc放電，由高壓回路輸出浪涌電壓脈沖。與此同時(shí)，隨著Cc放電，NE555第2、6腳電位回落，到達(dá)低閾值時(shí)第7腳重新被電阻R5上拉，使V1導(dǎo)通、T1關(guān)斷、電路復(fù)原。隨后圖4中Cc和圖5中C3被再次充電，電路進(jìn)入下一個(gè)工作周期。圖5中，箝位二極管D1、D2用于在電路工作異常時(shí)保護(hù)NE555。

圖5 控制回路原理圖Fig.5 Schematic diagram of control circuit

3.3 電源電路

本裝置的電源電路分為高壓部分和低壓部分。圖6是高壓直流電源的形成原理，圖7是控制回路的直流12 V工作電源的形成原理。

圖6 高壓直流電源的形成原理Fig.6 Principle about high voltage direct-current power

圖7 12V工作電源的形成原理Fig.7 12V Work power source's formation principle

圖6中，用來為圖4儲(chǔ)能電容Cc充電的高壓直流電源U=2 700 V由懸浮的AC220V經(jīng)多倍壓整流得到。為與電網(wǎng)安全隔離并獲得控制回路所需的AC12V電壓，設(shè)計(jì)中利用兩只變壓器級(jí)聯(lián)。先由一只變壓器完成市電AC220V至AC12V隔離降壓變換，再由另一只變壓器反用，實(shí)現(xiàn)AC12V至懸浮AC220V的升壓變換。兩變壓器之間的AC12V可作為低壓電源的交流輸入。采用兩只變壓器的另一個(gè)好處是免除了價(jià)格高、體積大的1:1隔離變壓器。

圖7中，AC12V經(jīng)橋式整流、濾波、穩(wěn)壓、濾波，產(chǎn)生控制回路所需的直流12 V工作電源。

4 設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)以測(cè)試RS232串口隔離器的實(shí)際需求為依據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則是黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院對(duì)本裝置的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果[6]。兩者對(duì)照情況及相對(duì)誤差如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照表Tab.1 Design target and measured data

由表1可見，本裝置相對(duì)誤差符合國標(biāo)GB/T17626.5-2008中關(guān)于波前時(shí)間相對(duì)誤差不大于30%，半峰值時(shí)間相對(duì)誤差不大于20%的規(guī)定，可以作為通信設(shè)備線路浪涌沖擊試驗(yàn)的基本儀器。

5 結(jié)束語

1）本裝置設(shè)計(jì)中，由于測(cè)試串口隔離器所需要的浪涌沖擊峰值電壓（2 500 V）與一般概念上的高壓試驗(yàn)（≥6 kV）相比，輸出電壓等級(jí)較低，所以未采用通過改變球隙間距設(shè)定放電電壓閾值的常規(guī)方法，而是利用采樣、控制和電子點(diǎn)火方法，誘使放電球隙K按照預(yù)先設(shè)定的峰值電壓放電導(dǎo)通，完美地解決了較低電壓等級(jí)下放電球隙間距不易精確調(diào)整的技術(shù)難題。

2）本裝置符合國標(biāo)GB/T17626.5-2008技術(shù)要求，并通過了黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院的技術(shù)檢測(cè)鑒定，檢測(cè)報(bào)告編號(hào)：27268-10-0[6]。

3）本裝置在用于DDN-GL-1型串口隔離保護(hù)器的離線及模擬在線浪涌沖擊試驗(yàn)過程中，運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠、使用方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]趙陽，封志明，黃學(xué)軍.電磁兼容測(cè)試方法與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]白云同.電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)例精選[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.GB/T17626.5-2008.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]張仁豫.高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1982.

[5]王玉峰，鄒積巖，李紅春，等.應(yīng)用于浪涌抗擾度試驗(yàn)的組合波發(fā)生器的設(shè)計(jì)[C]//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì).中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高電壓專業(yè)委員會(huì)2004年學(xué)術(shù)會(huì)議論文.2004：385-388.

[6]黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院.檢測(cè)報(bào)告20268-10-0[M].哈爾濱：黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，2010-11-15.