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高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2014/8/31 14:17:45

高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

王彥金，王巍

(武漢楚為志遠(yuǎn)信息科技有限公司，武漢，430074)

摘要：為了在高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行沖擊電壓的測(cè)量和計(jì)量，本文根據(jù)GB20840.1-2010和GB/T 16896.1-2005等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)發(fā)生器的要求；利用基于Lab VIEW8.6的高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計(jì)平臺(tái)，分析了高電壓毫微秒沖擊電壓的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)了高電壓毫微秒沖擊電壓的控制、測(cè)量、處理程序，研制了一套集B類(lèi)沖擊波的產(chǎn)生、控制及測(cè)量為一體的試驗(yàn)發(fā)生器；并以該發(fā)生器為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；結(jié)果表明該發(fā)生器能滿(mǎn)足IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求， WYJ-C型高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器能滿(mǎn)足沖擊電壓測(cè)量和計(jì)量中的試驗(yàn)發(fā)生器的要求。

關(guān)鍵詞：毫微秒沖擊電壓發(fā)生器；B類(lèi)沖擊波；A類(lèi)沖擊波；試驗(yàn)發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓發(fā)生器

0 引言

2003年， IEC 60044-2-1997標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行電力互感器傳遞過(guò)電壓測(cè)量檢測(cè)項(xiàng)目。B類(lèi)沖擊波試驗(yàn)要求10ns的上升時(shí)間沖擊電壓發(fā)生器。利用傳統(tǒng)的MARX回路的沖擊電壓發(fā)生器很難滿(mǎn)足IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求^[1-2]。

目前在高壓實(shí)驗(yàn)室的HAFLA單位階躍發(fā)生器TYPE 40方波源和德國(guó)Impulse-Calibration-System KAL 1000均不滿(mǎn)足GB20840.1-2010及IEC 60044-2-1997標(biāo)準(zhǔn)要求^[1] 。

2009年由西安交大高壓實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)德國(guó)MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧繼電器，利用傳統(tǒng)的MARX回路的沖擊發(fā)生器原理，制作B類(lèi)沖擊波發(fā)生器，但未產(chǎn)生符合要求的B類(lèi)沖擊波。

2010年作者在檢驗(yàn)德國(guó)MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧管繼電器的質(zhì)量時(shí)，突然在示波器上出現(xiàn)了所需的波形。用二個(gè)月的時(shí)間，制作了一臺(tái)220VB類(lèi)沖擊波發(fā)生器，并對(duì)GIS電壓互感器進(jìn)行傳遞過(guò)電壓測(cè)量；其結(jié)果符合IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求； GIS互感器檢測(cè)進(jìn)行了四年^[4]。

2012年制作了一臺(tái)1000V A類(lèi)沖擊波發(fā)生器，并對(duì)CVT電壓互感器進(jìn)行傳遞過(guò)電壓測(cè)量；其結(jié)果符合IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)近三十CVT電壓互感器進(jìn)行了傳遞過(guò)電壓測(cè)量^[5] 。

2014年制作了一臺(tái)1000V WYJ C型沖擊波發(fā)生器，能滿(mǎn)足GB/T 16896.1-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求^[7] 。

B類(lèi)沖擊電壓發(fā)生器的原理符合高等學(xué)校教材<<< span="">高電壓試驗(yàn)技術(shù)>>中MARX回路沖擊發(fā)生器原理和陡波發(fā)生器的簡(jiǎn)化電路，但又不完全同于上述電路^[6]。

因此，本文通過(guò)基于Lab VIEW 8.6的互感器傳遞過(guò)電壓設(shè)計(jì)平臺(tái), 設(shè)計(jì)各種高壓毫微秒沖擊波的產(chǎn)生，并介紹其控制、測(cè)量、處理和應(yīng)用；研制了一套滿(mǎn)足GB20840.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求的B類(lèi)沖擊波試驗(yàn)發(fā)生器；給出一應(yīng)用于GIS電壓互感器傳遞過(guò)電壓測(cè)量及傳遞過(guò)電壓特性研究的案例。

1 WYJ口型高電壓毫微秒沖擊波發(fā)生器

1.1 WYJB型沖擊波發(fā)生器原理

由于B類(lèi)沖擊波波頭時(shí)間為10×（1±20%）ns，波尾時(shí)間大于100ns，類(lèi)似非周期性沖擊電壓波，因此可以通過(guò)對(duì)直流電源進(jìn)行開(kāi)關(guān)合閘來(lái)產(chǎn)生。試驗(yàn)電路圖如圖1所示。

圖中 U1—直流電壓；U2—輸出電壓；

R0—回路電阻；C0—回路電容；

L —回路電阻；r —開(kāi)關(guān)電阻；

k —理想開(kāi)關(guān)。

圖1 非周期性沖擊波發(fā)生電路

非周期性沖擊波函數(shù)為：

U(t) =U1(1-e^–t/T2) （1）

當(dāng)試驗(yàn)回路中含有電容電感且開(kāi)關(guān)動(dòng)作具有響應(yīng)時(shí)間時(shí)，圖2(b)所示的試驗(yàn)電路產(chǎn)生的波形會(huì)與非周期性沖擊波有所差異，如圖2(a)所示。

(a) 非周期性沖擊波

(b)試驗(yàn)電路輸出波形

圖2 沖擊波形

其中開(kāi)關(guān)的好壞直接影響輸出波形的質(zhì)量，毫微秒級(jí)波形產(chǎn)生對(duì)開(kāi)關(guān)的要求是：1）結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)關(guān)的電感小；2）導(dǎo)通時(shí)延遲短而且分散性??；3）開(kāi)關(guān)接觸電阻小。

在毫微秒級(jí)波形產(chǎn)生電路中，影響波形輸出質(zhì)量的開(kāi)關(guān)特性有以下因素：開(kāi)關(guān)特性上升時(shí)間、從觸發(fā)到閉合的動(dòng)作延遲、時(shí)間抖動(dòng)以及開(kāi)關(guān)的電感與電阻。

1.2 WYJB型沖擊發(fā)生器的元件

（1）開(kāi)關(guān)電源

本文采用上海復(fù)旦天欣科技儀器有限公司生產(chǎn)的FDPS-1000型AC/DC輸出電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源，輸入電壓220V±20%AC，頻率為50Hz,輸出電壓為0~1000V，輸出電流為1A, 輸出電壓穩(wěn)定，該電源輸出穩(wěn)定，可靠，10次輸出電壓值重復(fù)率100%。所采用開(kāi)關(guān)電源如圖3所示。

圖3開(kāi)關(guān)電源

（2）干簧管繼電器

干簧管繼電器室由干簧管和繞在其外部的電磁線(xiàn)圈等構(gòu)成，如圖4所示。當(dāng)線(xiàn)圈通電后（或永久磁鐵靠近干簧管）形成磁場(chǎng)時(shí)，干簧管內(nèi)部的簧片將被磁化，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)會(huì)感應(yīng)出磁性相反的磁極。當(dāng)磁力大于簧片的彈力時(shí)，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通；當(dāng)磁力減小至一定值或消失時(shí)，簧片自動(dòng)復(fù)位，使開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

圖4 干簧管繼電器結(jié)構(gòu)原理圖

由于干簧管繼電器的響應(yīng)特性極為重要，因此需選用合適的型號(hào)干簧管繼電器。本文采用德國(guó)MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧繼電器。

圖5 干簧管繼電器

（3）簡(jiǎn)易式WYJB型沖擊波發(fā)生器

簡(jiǎn)易式WYJB型沖擊波發(fā)生器如圖5所示。圖6 簡(jiǎn)易式WYJB型沖擊波發(fā)生器

采用美國(guó)泰克公司生產(chǎn)的DPO 3014型示波器，帶寬100MHz，采樣率為2.5GS/s，4條采樣通道，最大輸入電壓300V,最小時(shí)基為1ns。該型號(hào)示波器能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求對(duì)波頭陡度為10ns的波形進(jìn)行采樣分析。

圖7 波頭時(shí)間可達(dá)到5ns 的波形

WYJB型沖擊波發(fā)生器通過(guò)干簧管繼電器優(yōu)選，回路優(yōu)化，波頭時(shí)間可達(dá)到5ns如圖5所示。代替HAFLA 單位階躍發(fā)生器 TYPE 40方波源，用于分壓器的響應(yīng)測(cè)試。

2.1 WYJA型沖擊波發(fā)生器、

1) WYJA型沖擊波發(fā)生器原理圖

圖中 U1—直流電壓；U2—輸出電壓；

R0—回路電阻；C0—調(diào)波電容；

L —回路電阻；r —開(kāi)關(guān)電阻；

k —理想開(kāi)關(guān)；R1—波頭電阻。

圖8 WYJA型沖擊波發(fā)生器原理圖

2)簡(jiǎn)易式WYJA型沖擊波發(fā)生器

圖9簡(jiǎn)易式WYJA型沖擊波發(fā)生器

3)簡(jiǎn)易式WYJA型沖擊波發(fā)生器

枝術(shù)數(shù)據(jù)

輸出電壓波形 T₁=0.5μs±20%，T₂≥50nsμs

幅值正0-1000V

調(diào)波電容 10000-20000 PF

工作電源 AC220V 50HZ

波形

簡(jiǎn)易式WYJA型沖擊波發(fā)生器適用GB20840.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中A類(lèi)沖擊波發(fā)生器的要求。

1) WYJC型沖擊波發(fā)生器原理

圖中 U1—直流電壓； U2—輸出電壓；

R0—回路電阻；C0—調(diào)波電容；

L —回路電阻；r —開(kāi)關(guān)電阻；

k —理想開(kāi)關(guān) ；R1—波頭電阻；

G —截波球隙；R2—波尾電阻；

J —截波延時(shí)。

圖10 WYJC型沖擊波發(fā)生器原理

2)簡(jiǎn)易式WYJC型沖擊波發(fā)生器

圖11簡(jiǎn)易式WYJC型沖擊波發(fā)生器

3)簡(jiǎn)易式WYJC型沖擊波發(fā)生器

枝術(shù)數(shù)據(jù)

輸出電壓波形 T₁=1.2μs(1±20%)

T₂=50μs(1±20%)

幅值正0-1000V

調(diào)波電容 10000-20000 PF

工作電源 AC220V 50HZ

波形

簡(jiǎn)易式WYJC型沖擊波發(fā)生器適用GB/T 16896.1-2005標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)沖擊發(fā)生器的要求。

3.1 高電壓毫微秒沖擊波控制

高電壓毫微秒沖擊波控制由NI數(shù)字I/O 6501、干簧繼電器SIL05-1A72-71D和緩沖器ULN2005A/L組成；其控制原理圖見(jiàn)圖12；其控制架構(gòu)見(jiàn)圖13

圖12控制原理圖

圖13控制架構(gòu)圖

3.2 高電壓毫微秒沖擊波測(cè)量

高電壓毫微秒沖擊波測(cè)量可采用示波器

和采集卡，但都需利用Lab VIEW開(kāi)發(fā)數(shù)字沖擊測(cè)量系統(tǒng)如圖14所示。

圖14數(shù)字沖擊測(cè)量系統(tǒng)

3.3高電壓毫微秒沖擊波形處理

采用最小二乘法擬合，用實(shí)現(xiàn)；其原理如圖15所示

圖15 最小二乘法擬合原理圖

沖擊電壓波形處理波形擬合程序如圖16，圖中紅線(xiàn)為實(shí)側(cè)波形而藍(lán)線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)定義波形。

圖16沖擊波形處理波形擬合程序

3.4完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器結(jié)構(gòu)

完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器原理見(jiàn)圖10，其完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器架構(gòu)見(jiàn)圖17。

圖17完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器架構(gòu)

完整的WYJC型沖擊發(fā)生波器達(dá)到的指標(biāo)如表1。

沖擊類(lèi)型

被測(cè)參數(shù)

數(shù)值

不確定度^a

短期穩(wěn)定度^b

雷電全波和標(biāo)準(zhǔn)截波

半峰時(shí)間

波前時(shí)間

電壓峰值

55?s～65?s

0.8?s～0.9?s

使用范圍內(nèi)

≤0.2%

≤0.7%

≤0.2%

≤0.5%

≤0.2%

波前截?cái)嗟睦纂姏_擊波

截?cái)鄷r(shí)間

電壓峰值

0.45?s～0.55?s

使用范圍內(nèi)

≤2%

≤1%

≤0.2%

操作沖擊波

峰值時(shí)間

半峰時(shí)間

電壓峰值

15?s～300?s

2600?s～4200?s

使用范圍內(nèi)

≤0.2%

≤0.7%

≤0.2%

矩形沖擊波

持續(xù)時(shí)間

電壓峰值

0.5 ms～3.5 ms

使用范圍內(nèi)

≤2%

≤0.5%

≤1%

a 依據(jù)IEC 60060-2附錄H，不確定度由可溯源的校準(zhǔn)來(lái)確定，校準(zhǔn)中采用至少10次沖擊來(lái)估算出平均值。

b 短期穩(wěn)定度是至少10次連續(xù)沖擊的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器達(dá)到了德國(guó)Impulse-Calibration-SystemKAL 1000水平。

4應(yīng)用案例

便攜式B類(lèi)沖擊波傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)儀如圖18所示，裝置輕便靈活，使用方便。為了減少干擾，增加了隔離濾波和屏蔽室，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

圖18 便攜式B類(lèi)沖擊波傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)儀

圖19 GIS電壓互感器傳遞過(guò)電壓測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

利用便攜式B類(lèi)沖擊波傳遞過(guò)電壓試驗(yàn)儀對(duì)110kV GIS電壓互感器(圖19)進(jìn)行傳遞過(guò)電壓測(cè)量，分別進(jìn)行了單次測(cè)量和十次測(cè)量，波形如圖20和圖21。從圖20中可以看出單次測(cè)量的B沖擊波，無(wú)論波形特征，波前時(shí)間，波尾時(shí)間均符合GB 20840.1-2010要求，測(cè)得二次傳遞過(guò)電壓小于標(biāo)準(zhǔn)要求的限值1600V,因此可判斷符合要求；而圖11中是相同條件下十次測(cè)量得到的二次傳遞過(guò)電壓值，可以看出十次產(chǎn)生的B類(lèi)沖擊波幅值在100-300V之間，波前時(shí)間在8到10ns（T1）之間，波尾時(shí)間大于100 ns（T2）。十次重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于2%。