氣體放電管浪涌防護(hù)電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制

周方亮

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

周方亮，男，碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，助理工程師。主要研究方向包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、自動(dòng)控制等，曾參與全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的研究、LKD2-T2型列控中心系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)研究等項(xiàng)目。

1 概述

現(xiàn)階段，氣體放電管廣泛應(yīng)用于鐵路室內(nèi)信號(hào)設(shè)備的浪涌防護(hù)電路中，可以有效地提高鐵路信號(hào)設(shè)備的安全性和可靠性。氣體放電管，是密封于一定大氣壓力下的氣體放電介質(zhì)中的一個(gè)或幾個(gè)放電間隙（或稱為一對(duì)或幾對(duì)放電電極），用于保護(hù)設(shè)備和人身免遭瞬間高電壓危害的過(guò)電壓保護(hù)器件[1]。

在通常狀態(tài)下，氣體放電管在電路中為高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)放電管的電極間在超過(guò)直流擊穿電壓值的電壓作用下，管內(nèi)的氣體被電離，使電極間從高阻抗絕緣狀態(tài)變?yōu)榈妥杩箤?dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到過(guò)電壓保護(hù)的效果[2]。由此可見(jiàn)，氣體放電管的直流擊穿電壓對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)至關(guān)重要。在實(shí)際使用中，由于自然環(huán)境或多次放電等原因，氣體放電管的直流擊穿電壓會(huì)發(fā)生變化，甚至發(fā)生氣體放電管開(kāi)路、短路等失效情況，因此為了保證浪涌防護(hù)電路的安全性和可靠性，研制對(duì)氣體放電管功能進(jìn)行定期測(cè)試和檢修的設(shè)備是十分必要的。

2 直流擊穿電壓測(cè)試方法

根據(jù)《TBT 2310-1992鐵路信號(hào)設(shè)備雷電防護(hù)用氣體放電管》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氣體放電管進(jìn)行直流擊穿電壓測(cè)試時(shí)，直流電壓上升速率采用100 V/s[3]，測(cè)試電壓上升速率的波形和測(cè)試電壓應(yīng)滿足如圖1所示的要求。

圖1中，Umax應(yīng)大于放電管直流擊穿電壓上限值，小于放電管直流擊穿電壓下限值的3倍，放電電流應(yīng)限制在5～15 mA。這里假設(shè)被測(cè)氣體放電管的直流擊穿電壓為75 V±20%，即直流擊穿電壓范圍是60～90 V，Umax應(yīng)大于90 V，小于180 V，故取Umax為100 V，滿足要求。根據(jù)上升率100 V/s的要求可知，圖中T1和T2分別對(duì)應(yīng)0.2 s和1 s。取放電電流為10 mA，則可知限流電阻為10 kΩ。根據(jù)以上參數(shù)，即可搭建直流擊穿電壓的測(cè)試電路如圖2所示。

上述傳統(tǒng)測(cè)試方法主要著眼于氣體放電管直流擊穿電壓值的測(cè)試，能夠較為精確的測(cè)出電壓升高為某數(shù)值時(shí)氣體放電管被擊穿；而作為現(xiàn)場(chǎng)檢修來(lái)說(shuō)，更注重氣體放電管的功能異常測(cè)試，如：直流擊穿電壓變高、開(kāi)路失效、短路失效等。因此，需要對(duì)測(cè)試電壓的波形進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高測(cè)試效率。對(duì)于已知直流擊穿電壓參數(shù)的氣體放電管，只需要在氣體放電管極間施加一個(gè)稍高于直流擊穿電壓上限值的電壓，即可測(cè)出氣體放電管的直流擊穿功能是否正常?；谏鲜鲈颍瑢?shí)際測(cè)試波形改為如圖3所示。

圖3中，Uo高于直流擊穿電壓的上限值，這里取100 V，T1與T2的時(shí)間差值為Dt，在Dt過(guò)程中對(duì)氣體放電管極間施加恒定電壓為Uo，并在此過(guò)程中對(duì)氣體放電管極間電壓值和通過(guò)氣體放電管的電流值進(jìn)行測(cè)試記錄，從而檢測(cè)出氣體放電管是否失效，并進(jìn)一步對(duì)失效模式進(jìn)行識(shí)別。

根據(jù)《GBT 18802.311-2007 低壓電涌保護(hù)器元件 第311部分 氣體放電管(GDT)規(guī)范》，直流擊穿電壓為70 V的氣體放電管當(dāng)極間施加沖擊電壓為1 000 V/μs時(shí)，可測(cè)出沖擊火花放電電壓的典型值為900 V[4]。也就是說(shuō)，直流擊穿電壓為70 V的氣體放電管可承受900 V以下的陡脈沖沖擊，而沖擊電壓上限為100 V時(shí)，不會(huì)引起氣體放電管的沖擊火花放電現(xiàn)象，只會(huì)由于之后持續(xù)施加的100 V產(chǎn)生直流擊穿現(xiàn)象。

3 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多通道掃描A/D、PWM開(kāi)關(guān)電源、單片機(jī)和CPLD譯碼邏輯控制，通過(guò)串口與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了通信和控制自動(dòng)化測(cè)試。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，分為主控制器單元、譯碼邏輯單元、電源管理單元、測(cè)試通道選擇單元和伏安采集單元。

主控制器單元主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理單元和測(cè)試通道選擇單元的控制，同時(shí)讀回采集單元測(cè)得的數(shù)據(jù)值，并將此數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送到外部通信設(shè)備；譯碼邏輯單元實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU發(fā)出命令字的解釋譯碼，并據(jù)此激活測(cè)試通道選擇單元；伏安采集單元主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，對(duì)當(dāng)前被測(cè)設(shè)備加電后的電流值和電壓值分別以電壓的形式采集，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸至CPU中；電源管理單元主要提供可選的電壓；測(cè)試通道選擇單元主要對(duì)CPU控制單元發(fā)送來(lái)的通道選擇指令進(jìn)行解碼并實(shí)現(xiàn)測(cè)試通道的切換。

本測(cè)試系統(tǒng)的重點(diǎn)在于對(duì)不同類型的氣體放電管提供合理的測(cè)試電壓，這里為簡(jiǎn)化測(cè)試流程、提供測(cè)試效率，根據(jù)被測(cè)氣體放電管的直流擊穿電壓范圍選擇兩種測(cè)試電壓即可。例如，被測(cè)氣體放電管的直流擊穿電壓為75 V±20%，則根據(jù)其范圍60～90 V，分別提供小于60 V和高于90 V的測(cè)試電壓，如取50 V和100 V進(jìn)行測(cè)試即可滿足需求，部分測(cè)試結(jié)果與結(jié)論如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)上方表格，經(jīng)過(guò)兩種電壓測(cè)試后，可推斷出當(dāng)前被測(cè)氣體放電管的狀態(tài)，若為失效狀態(tài)則需要及時(shí)更換浪涌防護(hù)設(shè)備。

3.1 電源模塊實(shí)現(xiàn)

由于每種類型的氣體放電管對(duì)應(yīng)的測(cè)試電壓不同，一般通用標(biāo)準(zhǔn)電源模塊無(wú)法滿足要求，同時(shí)為了節(jié)約成本，采用PWM開(kāi)關(guān)電源的方式以實(shí)現(xiàn)電壓模塊設(shè)計(jì)。采用PWM開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，首先，可以提供特殊的電壓值；其次，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器輸出多路不同的電壓值，十分方便。PWM開(kāi)關(guān)電源的工作原理如圖5所示。

PWM開(kāi)關(guān)電源通過(guò)“斬波”，把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比是開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

3.2 通道選擇單元實(shí)現(xiàn)

由于被測(cè)對(duì)象為氣體放電管陣列，需要有多個(gè)測(cè)試通道進(jìn)行測(cè)試，因而如何實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道的通斷控制是本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。而常用于控制通道通斷狀態(tài)有兩種方式，分別為繼電器和光耦。相比繼電器，光耦具有體積小、反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，由于氣體放電管的測(cè)試時(shí)間要求較為嚴(yán)格，因而本設(shè)計(jì)采用光耦實(shí)現(xiàn)通道選擇切換。光耦的輸入控制信號(hào)由譯碼邏輯單元發(fā)出，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試通道的選擇，電路原理如圖6所示。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Lab Windows/CVI進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)在測(cè)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其是該開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了豐富的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)分析界面，在數(shù)據(jù)采集、曲線分析、ActiveX控件的調(diào)用等方面，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是比較專業(yè)化的開(kāi)發(fā)軟件[5]。整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程是基于C語(yǔ)言的，降低了編程的難度，同時(shí)其事件響應(yīng)和回調(diào)函數(shù)的方式簡(jiǎn)單易學(xué)，提高了開(kāi)發(fā)的效率。

上位機(jī)程序要具有數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)分析功能，因而將上位機(jī)程序設(shè)計(jì)如圖7所示。由用戶選擇需要提供的測(cè)試電壓并開(kāi)始測(cè)試，之后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將分析結(jié)果以Excel表格的形式提供給用戶，簡(jiǎn)單直觀，并方便對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行后期處理，如繪制曲線、計(jì)算期望方差等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)基于氣體放電管的浪涌防護(hù)電路，設(shè)計(jì)氣體放電管直流擊穿電壓功能的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PWM開(kāi)關(guān)電源作為測(cè)試電壓輸出模塊，方便靈活且節(jié)約成本；同時(shí)通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行操作控制，提高測(cè)試工作的質(zhì)量和效率，保證操作人員的人身安全。

[1] GB9043-1988 通信設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)用氣體放電管通用技術(shù)條件[S].

[2]黎步銀，趙俊，周冬祥.氣體放電管直流擊穿電壓自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2005(1)：74-76.

[3] TBT 2310-1992 鐵路信號(hào)設(shè)備雷電防護(hù)用氣體放電管[S].

[4] GBT 18802.311-2007 低壓電涌保護(hù)器元件 第311部分氣體放電管(GDT)規(guī)范[S].

[5] National Instruments, Lab Windows/CVI user manual.1998.