10 kV直流高壓觸發(fā)電路的設計與應用

謝 德 姚 宏 孫良勤

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

0 引言

在某大型研究項目中，為評估某化學含能材料在外加高電壓觸發(fā)條件下的安全性能，需要使用10 kV直流高壓觸發(fā)電壓對這一化學含能材料進行動感放電試驗。在數(shù)據(jù)采集中，對觸發(fā)電路的儲能電容、放電限流電阻、采樣電阻及電路分布電容等參數(shù)均作了嚴格限定。鑒于此，根據(jù)設計參數(shù)要求，對電路進行設計，對電路元器件進行選型，成功設計出了10 kV直流高壓觸發(fā)電路，經(jīng)驗證完全符合試驗要求。

1 觸發(fā)電路參數(shù)要求與設計原理

由于試驗的特殊性，10 kV直流高壓觸發(fā)電路設計對參數(shù)進行了嚴格要求：（1）儲能電容數(shù)值為（0.12±0.006）μF，耐壓大于等于10 kV；（2）放電限流電阻在（20±1）Ω范圍取值，采樣電阻阻值為（0.1±0.005）Ω，耐壓大于等于100 V；（3）放電電路的分布電感小于等于5 μH。根據(jù)觸發(fā)電路參數(shù)要求，設計的主要電路包括：觸發(fā)控制電路、高壓充電電路、觸發(fā)放電電路及信號采樣端。10 kV直流高壓觸發(fā)電路設計原理框圖如圖1所示。

圖1 10 kV直流高壓觸發(fā)電路設計原理框圖

電路設計原理：試驗時，按下高壓觸發(fā)電路啟動按鈕，高壓充電電源得電工作，充電至15 kV直流高壓電后，通過高壓輸入端口向高壓觸發(fā)器中的充電回路輸入高壓。15 kV直流高壓經(jīng)過充電回路的整流、濾波與降壓后，得到試驗所需的10 kV直流高壓并存儲在充電回路的高壓儲能電容內(nèi)。此時，高壓觸發(fā)器中的高壓數(shù)顯表提示試驗所需的高壓電源已經(jīng)充滿，達到觸發(fā)要求。接著將同軸電纜的一端連接在高壓觸發(fā)器面板后的高壓輸出端口，同軸電纜另一端由銅網(wǎng)和銅芯做成的試驗夾具將某化學含能材料試驗件固定好，數(shù)據(jù)信號采樣端口連接圖形示波器，將高壓觸發(fā)器通過接地端口可靠接地，高壓觸發(fā)放電準備工作完成。按下觸發(fā)按鈕，根據(jù)觸發(fā)設定時間，0.5 s完成一次對試驗件的高壓觸發(fā)，高壓表顯示歸零。按下復位按鈕后，高壓充電電源對高壓觸發(fā)器中的充電回路進行第二次充電，為下次觸發(fā)做準備，并可進行多次循環(huán)觸發(fā)試驗工作。

2 直流高壓觸發(fā)電路主要元器件選擇

直流高壓觸發(fā)電路所用到的電氣元件包括中間繼電器、分壓電阻、開關電源、數(shù)顯電壓表、時間繼電器等，本節(jié)主要介紹電阻器與直流式時間繼電器的作用和特點。

2.1 電阻器的選擇

通常電阻器作為分壓器、分流器和電路中的負載電阻，它與電容器一起可以組成濾波器及延時電路，用作電源電路或控制電路中的采樣電阻；在半導體管電路中采用偏置電阻確定工作點，電路的阻抗匹配采用電阻器；電阻器還可用于降壓或限流等?？傊?，電阻器在電路中的作用非常多，電路設計中用到電阻器的地方比比皆是[1]。本文所述10 kV直流高壓觸發(fā)電路有其特殊性，需要使用多種具有分壓、放電、數(shù)據(jù)采樣作用的電阻，綜合各類電阻的優(yōu)缺點，選擇了耐壓及散熱較好的金屬電阻器和金屬氧化膜電阻器（圖2）用于電路的分壓、分流，這兩種電阻應用于高壓觸發(fā)電路優(yōu)點十分突出。

圖2 金屬電阻器（上）和金屬氧化膜電阻器（下）

2.2 時間繼電器的選擇

由于需要實現(xiàn)10 kV直流高壓的瞬間放電，所以要選擇一種能夠快速接通和斷開高壓放電電路的電子元件，時間繼電器就是一種用于接通或切斷電壓較高、電流較大電路的電氣元件。時間繼電器是一種自動開關裝置，其利用電磁原理或機械原理實現(xiàn)延時控制[1]，當輸入的動作信號加入（或去掉）后，其輸出電路需經(jīng)過規(guī)定的準確時間（或觸頭動作）才能產(chǎn)生跳躍式變化。本文所述電路由于是用低電壓控制高電壓瞬間（0.5 s）放電，根據(jù)高壓直流觸發(fā)電路的特點，優(yōu)先選擇了直流電磁式時間繼電器（0.3～1.6 s）作為觸發(fā)時間控制單元，如圖3所示。它結構比較簡單，具有延時短的特點，通常用于斷電延時場合和直流電路中，可以在高壓觸發(fā)電路所需的設定范圍內(nèi)設定多個時間點位。

圖3 直流電磁式時間繼電器

3 直流高壓觸發(fā)電路設計

3.1 10 kV直流高壓控制回路設計原理

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)要求，在設計10 kV直流高壓控制回路時，供電電源選用了24 V安全電壓，以此來保護試驗操作人員的安全，用可調(diào)節(jié)時間繼電器來控制高壓充放電的間隔長短。根據(jù)以上要求設計的10 kV直流高壓觸發(fā)控制電路原理框圖如圖4所示。

圖4 10 kV直流高壓觸發(fā)控制電路原理框圖

電路工作原理：按下電源開關SB1后，電源指示燈HL1亮，開關電源U1工作。復位按鈕SB3與觸發(fā)按鈕SB2形成互鎖，此時不工作。當按下復位按鈕后，SB3常開觸點閉合，此時中間繼電器KA4工作，KA4的一組常開觸點形成自鎖，使KA4保持工作狀態(tài)，24 V通過KA4的另一組常開觸點，使高壓真空繼電器KA1工作，主回路開始充電。按下觸發(fā)按鈕SB2，SB2常閉觸點斷開，KA4停止工作，SB2常開觸點閉合，中間繼電器KA3工作，KA3的一組常開觸點形成自鎖，使KA3保持工作狀態(tài)，供電電源通過KA3的另一組常開觸點，保證延時繼電器KT1正常工作。KT1延時一定時間后，一組觸點控制高壓真空繼電器KA2吸合，另一組觸點控制觸發(fā)指示燈HL2亮，高壓放電觸發(fā)。

3.2 10 kV直流高壓充電與觸發(fā)電路設計及工作原理

10 kV直流高壓充電與觸發(fā)電路設計如圖5所示。

圖5 10 kV直流高壓充電與觸發(fā)電路

電路工作原理：按下電源開關后，高壓觸發(fā)器處于待機狀態(tài)，此時高壓真空繼電器KA1、KA2不工作，觸點都處于斷開位置。當按下復位按鈕后，KA1的觸點接通，高壓經(jīng)過限流電阻R1對高壓電容C1進行充電，高壓電壓表PV1采集由R3、R4組成的分壓器上的電壓信號，并實時顯示充電電壓。電充滿后，按下觸發(fā)按鈕，KA1的觸點斷開，KA2的觸點吸合，高壓電容C1內(nèi)的電荷通過限流電阻R6對負載RL放電，R5的作用是放電完成后將高壓C1內(nèi)的殘余電壓消除。若需要再次充電觸發(fā)，重復以上步驟即可。

4 10 kV直流高壓觸發(fā)控制器的制作

根據(jù)試驗要求，成功設計出了10 kV直流高壓觸發(fā)控制電路和高壓充電回路。電路整體設計完成后，聯(lián)機進行電路調(diào)試，電路工作正常，達到了測試數(shù)據(jù)采集的要求。在完成電路設計和調(diào)試后，將10 kV直流高壓觸發(fā)電路制作成高壓觸發(fā)儀器以備后續(xù)試驗繼續(xù)使用，儀器前后面板如圖6、圖7所示。

圖6 10 kV直流高壓觸發(fā)器前面板圖

圖7 10 kV直流高壓觸發(fā)器后面板圖

5 10 kV直流高壓觸發(fā)電路的應用

10 kV直流高壓觸發(fā)電路制作完成后，順利實現(xiàn)了某化學含能材料的動感觸發(fā)放電試驗，成功地采集到了放電波形圖，如圖8所示，深色曲線為5 kV高壓觸發(fā)充放電波形，充電上升沿陡峭，充電時間短，放電較為平緩，放電時間較長，均符合設計與試驗要求。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，驗證了10 kV直流高壓觸發(fā)器在化學含能材料高壓放電試驗中的應用切實有效，且可靠性高。

圖8 試驗觸發(fā)波形圖

6 結語

根據(jù)某一化學含能材料的試驗要求，在滿足各種外部條件的情況下，筆者設計并制作出了10 kV直流高壓觸發(fā)電路，并對其安全性、可靠性進行了驗證。這種觸發(fā)電路可以很好地用于本次動感高壓觸發(fā)試驗，收集了試驗所需的有效數(shù)據(jù)。10 kV直流高壓觸發(fā)電路也可在今后的試驗項目中繼續(xù)用于電路方面的改進，更好地適應更多類型試驗設計要求，從而用于更多種類的放電試驗。