黨建平

（大慶油田電力集團電力調度中心，黑龍江大慶163453）

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

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

鑒于產品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，但價格昂貴、體積龐大，根據(jù)實際工作需求，我們自行設計制作了一臺10/700微秒浪涌電壓發(fā)生器，并利用該裝置對DDN-GL-1型串口隔離保護器進行了離線和模擬在線的浪涌抗沖擊試驗，取得了滿意的效果。

該裝置的設計參數(shù)符合國標GB/T17626.5-2008規(guī)定，開路電壓峰值根據(jù)需要選為國標規(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 技術背景

1.1 波形形狀及其參數(shù)

國標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)務流程圖Fig.1 Flow chart of purchase dicision service

圖1中，波前時間為T1=1.67×T=10 μs±30%，半峰值時間為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，動態(tài)內阻為r=40 Ω。

1.2 面對的特殊問題

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

2 電路拓撲結構

2.1 標準拓撲

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

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

儲能電容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先設定，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的時間常數(shù)，因此改變Rc的阻值，可調整浪涌沖擊頻度。

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

圖2 高壓主電路拓撲結構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，當該電壓低到不足以維持球隙K的擊穿狀態(tài)時，球隙K重新返回斷路狀態(tài)。如果浪涌電壓發(fā)生器此時處于自動沖擊模式，儲能電容Cc將進入下一輪充、放電過程?？梢?，在自動沖擊模式下，浪涌沖擊頻度等于儲能電容Cc每次充、放電時間之和的倒數(shù)。

2.2 實際采用的拓撲

設計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所示的標準拓撲基礎上，將拓撲結構稍做變形[5]，形成了本設計中實際采用的電路拓撲結構，如圖3所示。圖中儲能電容Cc的充、放電過程同上，唯一區(qū)別在于充電時的充電電阻變成了Rc+Rs，但因Rc＞＞Rs，不會明顯影響浪涌沖擊頻度。

圖3 實際采用的高壓主電路拓撲結構Fig.3 Uses actually high-pressured main circuit topology

3 電路結構與原理

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。控制回路用來對高壓回路中儲能電容Cc的充電電壓進行實時采樣，并控制高壓回路在預先設定的高壓峰值下點火放電，進而形成圖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、儲能電容Cc=20 μF、半峰值時間形成電阻Rs=50 Ω、波前時間形成電容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、負極之間設置了第3電極k，以便由控制回路按預先設定的2.5 kV輸出電壓峰值，由第三電極k產生點火脈沖強制點火，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€路構成?？刂苹芈穼﹄娙軨c上的充電電壓采樣后，根據(jù)事先設定的放電電壓值，再由控制回路通過第3電極k向放電球隙K的正、負極之間送入點火脈沖的方法，誘使放電球隙K放電導通，從而使開路輸出脈沖峰值得到比用常規(guī)方法（即調整球隙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Cc充電電壓達到由R1、R2設定的峰值2 500 V時，NE555第2、6腳到達高閾值，NE555狀態(tài)翻轉、第7腳變低，使三極管V1截止、可控硅T1導通，已存儲于電容C3上的電壓經(jīng)T1向升壓變壓器B的初級N1放電，N1所產生的感應電勢經(jīng)高壓脈沖變壓器B升壓，由次級N2輸出上萬伏的高壓點火脈沖，誘使圖4中的放電球隙K導通、Cc放電，由高壓回路輸出浪涌電壓脈沖。與此同時，隨著Cc放電，NE555第2、6腳電位回落，到達低閾值時第7腳重新被電阻R5上拉，使V1導通、T1關斷、電路復原。隨后圖4中Cc和圖5中C3被再次充電，電路進入下一個工作周期。圖5中，箝位二極管D1、D2用于在電路工作異常時保護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，設計中利用兩只變壓器級聯(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好處是免除了價格高、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，產生控制回路所需的直流12 V工作電源。

4 設計指標與實測數(shù)據(jù)

本裝置的設計指標以測試RS232串口隔離器的實際需求為依據(jù)，實測數(shù)據(jù)則是黑龍江省計量檢定測試院對本裝置的實際檢測結果[6]。兩者對照情況及相對誤差如表1所示。

表1 設計指標與實測數(shù)據(jù)對照表Tab.1 Design target and measured data

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

5 結束語

1）本裝置設計中，由于測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（≥6 kV）相比，輸出電壓等級較低，所以未采用通過改變球隙間距設定放電電壓閾值的常規(guī)方法，而是利用采樣、控制和電子點火方法，誘使放電球隙K按照預先設定的峰值電壓放電導通，完美地解決了較低電壓等級下放電球隙間距不易精確調整的技術難題。

2）本裝置符合國標GB/T17626.5-2008技術要求，并通過了黑龍江省計量檢定測試院的技術檢測鑒定，檢測報告編號：27268-10-0[6]。

3）本裝置在用于DDN-GL-1型串口隔離保護器的離線及模擬在線浪涌沖擊試驗過程中，運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠、使用方便，達到了設計目標。

[1]趙陽，封志明，黃學軍.電磁兼容測試方法與工程應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]白云同.電磁兼容設計實例精選[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]中華人民共和國信息產業(yè)部.GB/T17626.5-2008.中華人民共和國國家標準電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]張仁豫.高電壓試驗技術[M].北京：清華大學出版社，1982.

[5]王玉峰，鄒積巖，李紅春，等.應用于浪涌抗擾度試驗的組合波發(fā)生器的設計[C]//中國電機工程學會.中國電機工程學會高電壓專業(yè)委員會2004年學術會議論文.2004：385-388.

[6]黑龍江省計量檢定測試院.檢測報告20268-10-0[M].哈爾濱：黑龍江省計量檢定測試院，2010-11-15.