雷電輝光弧光測(cè)試儀的研制

摘 要：文章從氣體放電的原理出發(fā)，闡述了氣體放電的類型、原理以及伏安特性，分析了氣體輝光、弧光電的放電機(jī)制。從而提出了一種對(duì)于觸發(fā)并維持氣體放電管等電氣元件的輝光、弧光放電一定時(shí)長(zhǎng)的測(cè)試方法，研制出一臺(tái)針對(duì)開關(guān)型電涌保護(hù)器中氣體放電管之類的電氣元件的輝光、弧光放電測(cè)試設(shè)備。

關(guān)鍵詞：輝光弧光；氣體放電；SPD

引言

氣體作為一種良好的絕緣體，氣體的這種絕緣性質(zhì)是在一定條件下的屬性，可以在一定的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，即輝光弧光放電現(xiàn)象。輝光放電現(xiàn)象是把被研究的氣體放入封閉的玻璃管內(nèi)，通過改變氣體的壓強(qiáng)和外加電壓，從而看到種種異常復(fù)雜的現(xiàn)象，來分析氣體放電的復(fù)雜特性。文章所研制的輝光弧光放電測(cè)試儀是一種能夠產(chǎn)生高電壓的發(fā)生裝置，用于測(cè)量開關(guān)型電涌保護(hù)器在工頻電壓作用下，何值時(shí)可以點(diǎn)火動(dòng)作，其兩端的電壓值是多少，判斷是否出現(xiàn)續(xù)流問題，廣泛應(yīng)用于各類氣體放電管的沖擊檢測(cè)與絕緣性能研究領(lǐng)域。

1 輝光弧光放電測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案

輝光弧光放電測(cè)試裝置的主要組成部分由電源退耦電路、調(diào)壓電路、限流分壓電路、升壓電路、定時(shí)開關(guān)電路、電壓指示測(cè)量電路、電壓指示電路及幾個(gè)控制電路等組成，其工作過程是事先預(yù)置一個(gè)測(cè)量電壓值，根據(jù)被測(cè)器件的點(diǎn)火電壓值，因?yàn)榉烹姽艿狞c(diǎn)火電壓值的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)誤差均為20%左右，由控制電路Ⅳ給定時(shí)，開關(guān)電路提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，定時(shí)時(shí)間為100ms，為市電周期的五倍，在測(cè)量電路中能夠提到4～5市電周期的輝光弧光放電現(xiàn)象。測(cè)量電路是利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器等被測(cè)器件的電壓及電流波形。本設(shè)備在研制過程中將高壓與控制回路分兩層放置，且高壓器件之間用絕緣性能較好的高壓線聯(lián)接，同時(shí)對(duì)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，確保設(shè)備器件安全運(yùn)行與設(shè)備穩(wěn)定性（圖1）。

圖1 輝光弧光放電測(cè)試設(shè)備原理方框圖

圖2

2 輝光弧光放電測(cè)試儀的電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，電路主要組成由K1、K1-1高壓合分控制電路由固態(tài)繼電器構(gòu)成主要電流通道，高壓分合控制電路由繼電器構(gòu)成自鎖電路控制。B1是AN2、AN3控制的電動(dòng)調(diào)壓裝置，按下AN2電壓升高，按下AN3電壓下降，根據(jù)器件點(diǎn)火電壓的大小調(diào)整所需的電壓值，R1及R00-R09構(gòu)成分壓限流電路，R11取值較大為200Ω，R00-R09取值較小為5Ω，分為10個(gè)檔調(diào)整電流的大小，保證準(zhǔn)確的測(cè)量輝光弧光放電現(xiàn)象，定時(shí)開關(guān)、定時(shí)器及AN1，定時(shí)開關(guān)為主電流通道，由固態(tài)繼電器組成，電流選用20A、電壓為220V的交流雙向?qū)ɡ^電器，定時(shí)器由NE555芯片構(gòu)成的100ms定時(shí)器。按下AN1按鍵延時(shí)約50ms后輸出100ms的高壓電平脈沖，觸發(fā)定時(shí)開關(guān)，輸出4-5個(gè)市電周期的電壓。R1為放電回路的限流電阻，取值為1200Ω，R2、C2、R3、C3構(gòu)成RC分壓器。RC分壓器的特點(diǎn)與頻率響應(yīng)特性好，測(cè)量精度高等特點(diǎn)，R4為電流取樣電阻，采用10w1Ω的無感精密電阻，示波器的CH1、CH2兩個(gè)通道分別取SPD的兩端的電壓及流過SPD的電流。開關(guān)電源輸12V的電壓，作為控制電路，定時(shí)電路的直流提供電源。

電路工作的主要過程是接通220V供電電源，按下高壓分控制按鍵，調(diào)整合適的預(yù)置電壓，通過AN2、AN3電壓升降按鍵開關(guān)，在電壓表中讀出電壓數(shù)據(jù)，將電流選擇檔放在最小的位置，按下AN1接通高壓，在被測(cè)試品中采集、電流波形，觀察波形的特點(diǎn)，如被測(cè)試品無放電現(xiàn)象，將微調(diào)電阻選擇檔位提升放在大的位置上，依此類推，只有這樣才能準(zhǔn)確地采集到被測(cè)試品的輝光弧光放電現(xiàn)象。

3 輝光弧光放電測(cè)試儀的主要參數(shù)、使用說明以及制作工藝

3.1 輝光弧光放電測(cè)試儀主要技術(shù)參數(shù)

充電電壓：范圍：0-3.5kV；有數(shù)字表顯示。波形輸出及測(cè)量：沖擊電壓輸出通過沖擊分壓器進(jìn)行測(cè)量，可通過前面板上的BNC插座，供外接示波器測(cè)量，并得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。接地：本測(cè)試儀為金屬外殼，通過后面板上的接地端接地。電源：交流220V±10%，50Hz， 150W。體積體重：長(zhǎng)×寬×高 55cm×65cm×115cm；30kg。用途：本測(cè)試儀主要用于檢測(cè)氣體放電管以及帶有氣體放電管的SPD的輝光弧光放電試驗(yàn)。

3.2 操作方法

（1）檢測(cè)設(shè)備接地、供電電壓以及供電回路是否正確。（2）正確連接試品，看好正負(fù)極性。（3）確認(rèn)電壓調(diào)節(jié)開關(guān)在關(guān)閉的位置。（4）按下電源按鈕再按下高壓合按鈕。（5）撥動(dòng)電壓調(diào)節(jié)開關(guān)，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(shí)，撥回開關(guān)。（6）按下觸發(fā)按鈕，并觀察放電現(xiàn)象。如放電現(xiàn)象不理想，則旋轉(zhuǎn)微調(diào)按鈕，直到有理想的輝光或弧光放電現(xiàn)象產(chǎn)生。（7）用示波器測(cè)量輸出波形與輸出電壓。（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將電壓調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)至最低位置，按下高壓分并關(guān)閉電源。

3.3 電路板的設(shè)計(jì)及與印刷

（1）電路板的設(shè)計(jì)及與印刷：文章所用的印刷電路板為單面印刷版。其流程為：設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)-畫電路板-腐蝕-去除印料-孔加工-印標(biāo)記-涂助焊劑-成品。（2）布線規(guī)律：在設(shè)計(jì)時(shí)，要為布線設(shè)計(jì)留有空間、高壓或大功率元件，如設(shè)備中的大電容、升壓器與低壓小功率元件分開布線。且要用高壓導(dǎo)線，導(dǎo)線轉(zhuǎn)折點(diǎn)內(nèi)角不小于90°。布線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，交流負(fù)載功率的電線不能與其他控制線或信號(hào)線捆成一束。在可能的情況下應(yīng)盡量使導(dǎo)線長(zhǎng)度達(dá)到最短，而且要標(biāo)號(hào)。（3）焊錫工藝：本設(shè)備所用的焊錫為高溫焊錫。（4）面板制作：面板應(yīng)選擇有一定機(jī)械強(qiáng)度但是應(yīng)盡量薄且方便鉆孔的面板。鉆孔前，應(yīng)用游標(biāo)卡尺在不同方向測(cè)量按鈕、開關(guān)及表頭的尺寸。應(yīng)用鉛筆在面板上畫好各個(gè)按鈕的位置。選擇鉆頭時(shí)，應(yīng)選擇比測(cè)量值等值或偏小的鉆頭，以免孔鉆大，造成不必要的麻煩。鉆孔時(shí)，按照之前畫的按鈕的中心開始鉆，過熱時(shí)，向鉆頭潑水?？足@好之后，用抹布擦干凈?？椎倪吘売娩S刀銼平滑。

4 氣體放電管的分析實(shí)驗(yàn)與LPL-Ⅱ輝光弧光放電測(cè)試儀波形

4.1 氣體放電管的工作原理

氣體放電管是一種間隙型的雷電保護(hù)元件，它在通信系統(tǒng)的雷電保護(hù)中已獲廣泛應(yīng)用。它通常用于信號(hào)線路中多級(jí)保護(hù)電路的第一級(jí)，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓作用。在電力輸電系統(tǒng)中可用于中線與保護(hù)地線。放電管的極間絕緣電阻很大，寄生電容很小，對(duì)高頻信號(hào)線路的雷電防護(hù)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2 LPL-Ⅱ輝光弧光放電測(cè)試儀波形與分析

本組選用470L07041氣體放電管（GDT）進(jìn)行放電測(cè)試。沖擊電壓為470V，分別進(jìn)行了沖擊放電試驗(yàn)。設(shè)備沖擊GDT放電時(shí)，可以清楚地看到氣體放電管間歇性地發(fā)出耀眼弧光，輝光則較暗。從示波器反映的波形可看出一個(gè)完整放電周期為20ms，一次100ms的放電至少可使氣體放電管完整放電4-5個(gè)周期。從一個(gè)完整的放電周期波形分析，氣體放電管放電時(shí)，在經(jīng)歷一個(gè)極其短暫的暗放電區(qū)后，電壓迅速上升，在上升陡度極大的區(qū)域?yàn)檎］x光放電區(qū)，整個(gè)間隙仍呈上升的伏安特性，氣體放電管兩端的壓降較大，最大值為其型號(hào)最大管壓降470V，管子還是處于絕緣狀態(tài)，此時(shí)管內(nèi)發(fā)出明暗相間的輝光。之后發(fā)生波形畸變，放電進(jìn)入時(shí)間較為長(zhǎng)的過渡區(qū)。波形最后進(jìn)入一段穩(wěn)定的區(qū)域，此為弧光放電區(qū)。放電時(shí)我們可以看到管內(nèi)出現(xiàn)明亮的弧光。由圖可知，此時(shí)較為穩(wěn)定管壓降較低大概為50V，間隙被完全擊穿，處于被持續(xù)短路的狀態(tài)。以上是一段完整周期的GDT放電。由測(cè)試分析得出，LPL-Ⅱ型輝光弧光放電測(cè)試儀，具有沖擊氣體放電管，使其進(jìn)行正常完整的放電4-5個(gè)周期。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出當(dāng)沖擊電壓沖擊氣體放電管時(shí)，氣體放電管具有很好的限壓特性，具有很好的泄放雷電流的性能，為信號(hào)系統(tǒng)SPD的前級(jí)保護(hù)電路。但可以看出其響應(yīng)時(shí)間較慢，所以在選用氣體放電管時(shí)，要結(jié)合后級(jí)保護(hù)元件的響應(yīng)時(shí)間和限壓能力及保護(hù)設(shè)備的耐壓水平來選擇氣體放電管的型號(hào)。

5 結(jié)束語

本次研制的LPL-Ⅱ型輝光弧光放電測(cè)試儀，具有很好的實(shí)用效果。其中設(shè)備內(nèi)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(shè)備內(nèi)部器件的運(yùn)行安全和設(shè)備的穩(wěn)定性；微調(diào)旋鈕的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方便了對(duì)放電現(xiàn)象不理想時(shí)能進(jìn)行細(xì)微地調(diào)試；對(duì)設(shè)備內(nèi)部直流供電電源的保護(hù)設(shè)計(jì)確保了設(shè)備的安全運(yùn)行。由于其性能穩(wěn)定，操作方便，現(xiàn)已投入到日常的教學(xué)與防雷元件測(cè)試工作中，具有性能穩(wěn)定、輸出誤差較小與操作方便等優(yōu)點(diǎn)。