高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器的設計

王彥金，王巍

(武漢楚為志遠信息科技有限公司，武漢，430074)  

摘要：為了在高壓實驗室進行沖擊電壓的測量和計量，本文根據(jù)GB20840.1-2010和GB/T 16896.1-2005等標準對試驗發(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)生器設計平臺，分析了高電壓毫微秒沖擊電壓的產(chǎn)生，設計了高電壓毫微秒沖擊電壓的控制、測量、處理程序，研制了一套集B類沖擊波的產(chǎn)生、控制及測量為一體的試驗發(fā)生器；并以該發(fā)生器為例，進行現(xiàn)場試驗；結(jié)果表明該發(fā)生器能滿足IEC及國家標準要求， WYJ-C型高電壓毫微秒沖擊電壓發(fā)生器能滿足沖擊電壓測量和計量中的試驗發(fā)生器的要求。

關(guān)鍵詞：毫微秒沖擊電壓發(fā)生器；B類沖擊波；A類沖擊波；試驗發(fā)生器；標準沖擊電壓發(fā)生器

0        引 言

 2003年， IEC  60044-2-1997標準要求進行電力互感器傳遞過電壓測量檢測項目。B類沖擊波試驗要求10ns的上升時間沖擊電壓發(fā)生器。利用傳統(tǒng)的MARX回路的沖擊電壓發(fā)生器很難滿足IEC及國家標準要求^[1-2]。

目前在高壓實驗室的HAFLA單位階躍發(fā)生器TYPE 40方波源和德國Impulse-Calibration-System KAL 1000均不滿足GB20840.1-2010及IEC  60044-2-1997標準要求 ^[1] 。

2009年由西安交大高壓實驗室引進德國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類沖擊波發(fā)生器，但未產(chǎn)生符合要求的B類沖擊波。

2010年作者在檢驗德國MODER公司生產(chǎn)的SIL05-1A31-71D型干簧管繼電器的質(zhì)量時，突然在示波器上出現(xiàn)了所需的波形。用二個月的時間，制作了一臺220VB類沖擊波發(fā)生器，并對GIS電壓互感器進行傳遞過電壓測量；其結(jié)果符合IEC及國家標準要求； GIS互感器檢測進行了四年^[4]。

2012年 制作了一臺1000V A類沖擊波發(fā)生器，并對CVT電壓互感器進行傳遞過電壓測量；其結(jié)果符合IEC及國家標準要求；對近三十CVT電壓互感器進行了傳遞過電壓測量 ^[5] 。

2014年 制作了一臺1000V WYJ C型沖擊波發(fā)生器，能滿足GB/T 16896.1-2005標準的要求^[7] 。

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

因此，本文通過基于Lab VIEW 8.6的互感器傳遞過電壓設計平臺, 設計各種高壓毫微秒沖擊波的產(chǎn)生，并介紹其控制、測量、處理和應用；研制了一套滿足GB20840.1-2010標準要求的B類沖擊波試驗發(fā)生器；給出一應用于GIS電壓互感器傳遞過電壓測量及傳遞過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類沖擊波波頭時間為10×（1±20%）ns，波尾時間大于100ns，類似非周期性沖擊電壓波，因此可以通過對直流電源進行開關(guān)合閘來產(chǎn)生。試驗電路圖如圖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 —開關(guān)電阻；

k —理想開關(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）

當試驗回路中含有電容電感且開關(guān)動作具有響應時間時，圖2(b)所示的試驗電路產(chǎn)生的波形會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)試驗電路輸出波形

圖2 沖擊波形

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

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

1.2 WYJB型沖擊發(fā)生器的元件

（1）開關(guān)電源

本文采用上海復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次輸出電壓值重復率100%。所采用開關(guān)電源如圖3所示。

圖3開關(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圈等構(gòu)成，如圖4所示。當線圈通電后（或永久磁鐵靠近干簧管）形成磁場時，干簧管內(nèi)部的簧片將被磁化，開關(guān)觸點會感應出磁性相反的磁極。當磁力大于簧片的彈力時，開關(guān)觸點接通；當磁力減小至一定值或消失時，簧片自動復位，使開關(guān)觸點斷開。

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特性極為重要，因此需選用合適的型號干簧管繼電器。本文采用德國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）      簡易式WYJB型沖擊波發(fā)生器

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

采用美國泰克公司生產(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,最小時基為1ns。該型號示波器能滿足試驗要求對波頭陡度為10ns的波形進行采樣分析。

圖7 波頭時間可達到5ns 的波形

WYJB型沖擊波發(fā)生器通過干簧管繼電器優(yōu)選，回路優(yōu)化，波頭時間可達到5ns如圖5所示。代替HAFLA 單位階躍發(fā)生器 TYPE 40方波源，用于分壓器的響應測試。

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 —開關(guān)電阻；

k —理想開關(guān)；R1—波頭電阻。

圖8 WYJA型沖擊波發(fā)生器原理圖

2)簡易式WYJA型沖擊波發(fā)生器

圖9簡易式WYJA型沖擊波發(fā)生器

3)簡易式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

簡易式WYJA型沖擊波發(fā)生器適用GB20840.1-2010標準中A類沖擊波發(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 —開關(guān)電阻；

k —理想開關(guān) ；R1—波頭電阻；

G —截波球隙 ；R2—波尾電阻；

J —截波延時。

圖10 WYJC型沖擊波發(fā)生器原理

2)簡易式WYJC型沖擊波發(fā)生器

圖11簡易式WYJC型沖擊波發(fā)生器

3)簡易式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

簡易式WYJC型沖擊波發(fā)生器適用GB/T 16896.1-2005標準中標準沖擊發(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；其控制原理圖見圖12；其控制架構(gòu)見圖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量

高電壓毫微秒沖擊波測量可采用示波器

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

圖14數(shù)字沖擊測量系統(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，圖中紅線為實側(cè)波形而藍線為標準定義波形。

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)生器原理見圖10，其完整的WYJC型沖擊波發(fā)生器架構(gòu)見圖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)生波器達到的指標如表1。

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

4應用案例

便攜式B類沖擊波傳遞過電壓試驗儀如圖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類沖擊波傳遞過電壓試驗儀

圖19 GIS電壓互感器傳遞過電壓測量現(xiàn)場

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

圖20 GIS電壓互感器傳遞過電壓單次測量

圖21 GIS電壓互感器傳遞過電壓十次測量

5結(jié)論

 （1）WYJ口型沖擊波發(fā)生器能滿足高壓實驗室沖擊波測量和計量中對試驗發(fā)生器的要求；符合GB20840.1-2010和GB/T 16896.1-2005等標準。

 （2）WYJ口型沖擊波發(fā)生器的指標接近國外同類產(chǎn)品水平。

 （3）WYJ口型沖擊波發(fā)生器須制定產(chǎn)品生產(chǎn)標準和檢驗標準。

參 考 文 獻

[1]   王彥金，熊俊軍，等.傳遞過電壓測量裝置的測控軟件[J].儀器儀表學報2013 [2] 王彥金，王巍。電力互感器傳遞過電壓的研究現(xiàn)狀[W]中國工控網(wǎng)—技術(shù)中心論文欄

[3] 郭天興，徐  杰，等.電容式電壓互感器的傳遞過電壓的試驗研究[J] .  電力電容器與無補償.2008,29（1）23—30.

[4]  王彥金，王巍.GIS電壓互感器傳遞過電壓試驗研究 .中國工控網(wǎng)[論文].2014- 06- 09.

[5]  王彥金，王巍. 電容式電壓互感器傳遞過電壓測量試驗研究 .中國工控網(wǎng)[論文].2014- 08- 02.

[6]  華中工學院，上海交通大學. 高電壓試驗技術(shù) [M] 北京 水利電力出版社.1982

[7] GB/T 16896.1-2005高電壓沖擊測量儀器和軟件  第一部分 ：儀器要求

作者簡介