高电压毫微秒冲击电压发生器的设计

高电压毫微秒冲击电压发生器的设计

王彦金，王巍

(武汉楚为志远信息科技有限公司，武汉，430074)  

摘要：为了在高压实验室进行冲击电压的测量和计量，本文根据GB20840.1-2010和GB/T 16896.1-2005等标准对试验发生器的要求；利用基于Lab VIEW8.6的高电压毫微秒冲击电压发生器设计平台，分析了高电压毫微秒冲击电压的产生，设计了高电压毫微秒冲击电压的控制、测量、处理程序，研制了一套集B类冲击波的产生、控制及测量为一体的试验发生器；并以该发生器为例，进行现场试验；结果表明该发生器能满足IEC及国家标准要求， WYJ-C型高电压毫微秒冲击电压发生器能满足冲击电压测量和计量中的试验发生器的要求。

关键词：毫微秒冲击电压发生器；B类冲击波；A类冲击波；试验发生器；标准冲击电压发生器

0        引 言

 2003年， IEC  60044-2-1997标准要求进行电力互感器传递过电压测量检测项目。B类冲击波试验要求10ns的上升時间冲击电压发生器。利用传统的MARX回路的冲击电压发生器很难满足IEC及国家标准要求^[1-2]。

目前在高压实验室的HAFLA单位阶跃发生器TYPE 40方波源和德国Impulse-Calibration-System KAL 1000均不满足GB20840.1-2010及IEC  60044-2-1997标准要求 ^[1] 。

2009年由西安交大高压实验室引进德国MODER公司生产的SIL05-1A31-71D型干簧继电器，利用传统的MARX回路的冲击发生器原理，制作B类冲击波发生器，但未产生符合要求的B类冲击波。

2010年作者在检验德国MODER公司生产的SIL05-1A31-71D型干簧管继电器的质量時，突然在示波器上出现了所需的波形。用二个月的時间，制作了一台220VB类冲击波发生器，并对GIS电压互感器进行传递过电压测量；其结果符合IEC及国家标准要求； GIS互感器检测进行了四年^[4]。

2012年 制作了一台1000V A类冲击波发生器，并对CVT电压互感器进行传递过电压测量；其结果符合IEC及国家标准要求；对近三十CVT电压互感器进行了传递过电压测量 ^[5] 。

2014年 制作了一台1000V WYJ C型冲击波发生器，能满足GB/T 16896.1-2005标准的要求^[7] 。

B类冲击电压发生器的原理符合高等学校教材<<< span="">高电压试验技术>>中MARX回路冲击发生器原理和陡波发生器的简化电路，但又不完全同于上述电路^[6]。

因此，本文通过基于Lab VIEW 8.6的互感器传递过电压设计平台, 设计各种高压毫微秒冲击波的产生，并介绍其控制、测量、处理和应用；研制了一套满足GB20840.1-2010标准要求的B类冲击波试验发生器；给出一应用于GIS电压互感器传递过电压测量及传递过电压特性研究的案例。

1 WYJ口型高电压毫微秒冲击波发生器

1.1 WYJB型冲击波发生器原理

由于B类冲击波波头时间为10×（1±20%）ns，波尾时间大于100ns，类似非周期性冲击电压波，因此可以通过对直流电源进行开关合闸来产生。试验电路图如图1所示。

图中 U1—直流电压；U2—输出电压；

R0—回路电阻；C0—回路电容；

L —回路电阻；r —开关电阻；

k —理想开关。

图1 非周期性冲击波发生电路

   非周期性冲击波函数为：

    U(t) =U1(1-e ^–t/T2)        （1）

当试验回路中含有电容电感且开关动作具有响应时间时，图2(b)所示的试验电路产生的波形会与非周期性冲击波有所差异，如图2(a)所示。

(a) 非周期性冲击波

(b)试验电路输出波形

图2 冲击波形

其中开关的好坏直接影响输出波形的质量，毫微秒级波形产生对开关的要求是：1）结构紧凑，开关的电感小；2）导通时延迟短而且分散性小；3）开关接触电阻小。

在毫微秒级波形产生电路中，影响波形输出质量的开关特性有以下因素：开关特性上升时间、从触发到闭合的动作延迟、时间抖动以及开关的电感与电阻。

1.2 WYJB型冲击发生器的元件

（1）开关电源

本文采用上海复旦天欣科技仪器有限公司生产的FDPS-1000型AC/DC输出电压可调开关电源，输入电压220V±20%AC，频率为50Hz,输出电压为0~1000V，输出电流为1A, 输出电压稳定，该电源输出稳定，可靠，10次输出电压值重复率100%。所采用开关电源如图3所示。

图3开关电源

（2）       干簧管继电器

干簧管继电器室由干簧管和绕在其外部的电磁线圈等构成，如图4所示。当线圈通电后（或永久磁铁靠近干簧管）形成磁场时，干簧管内部的簧片将被磁化，开关触点会感应出磁性相反的磁极。当磁力大于簧片的弹力时，开关触点接通；当磁力减小至一定值或消失时，簧片自动复位，使开关触点断开。

图4 干簧管继电器结构原理图

由于干簧管继电器的响应特性极为重要，因此需选用合适的型号干簧管继电器。本文采用德国MODER公司生产的SIL05-1A31-71D型干簧继电器。

图5 干簧管继电器

（3）      简易式WYJB型冲击波发生器

简易式WYJB型冲击波发生器如图5所示。图6 简易式WYJB型冲击波发生器

采用美国泰克公司生产的DPO 3014型示波器，带宽100MHz，采样率为2.5GS/s，4条采样通道，最大输入电压300V,最小时基为1ns。该型号示波器能满足试验要求对波头陡度为10ns的波形进行采样分析。

图7 波头时间可达到5ns 的波形

WYJB型冲击波发生器通过干簧管继电器优选，回路优化，波头时间可达到5ns如图5所示。代替HAFLA 单位阶跃发生器 TYPE 40方波源，用于分压器的响应测试。

2.1  WYJA型冲击波发生器、

1) WYJA型冲击波发生器原理图

图中 U1—直流电压；U2—输出电压；

R0—回路电阻；C0—调波电容；

L —回路电阻；r —开关电阻；

k —理想开关；R1—波头电阻。

图8 WYJA型冲击波发生器原理图

2)简易式WYJA型冲击波发生器

图9简易式WYJA型冲击波发生器

3)简易式WYJA型冲击波发生器

枝术数据

输出电压  波形 T₁=0.5μs±20%，T₂≥50nsμs

         幅值     正0-1000V

调波电容           10000-20000 PF

工作电源        AC220V    50HZ

波形

简易式WYJA型冲击波发生器适用GB20840.1-2010标准中A类冲击波发生器的要求。

1) WYJC型冲击波发生器原理

图中 U1—直流电压 ； U2—输出电压；

R0—回路电阻 ；C0—调波电容；

L —回路电阻 ；r —开关电阻；

k —理想开关 ；R1—波头电阻；

G —截波球隙 ；R2—波尾电阻；

J —截波延時。

图10 WYJC型冲击波发生器原理

2)简易式WYJC型冲击波发生器

图11简易式WYJC型冲击波发生器

3)简易式WYJC型冲击波发生器

枝术数据

输出电压  波形 T₁=1.2μs(1±20%)

T₂=50μs(1±20%)

         幅值     正0-1000V

调波电容           10000-20000 PF

工作电源       AC220V   50HZ

波形

简易式WYJC型冲击波发生器适用GB/T 16896.1-2005标准中标准冲击发生器的要求。

3.1 高电压毫微秒冲击波控制

高电压毫微秒冲击波控制由NI数字I/O 6501、干簧继电器SIL05-1A72-71D和缓冲器ULN2005A/L组成；其控制原理图見图12；其控制架构見图13

图12控制原理图

图13控制架构图

3.2 高电压毫微秒冲击波测量

高电压毫微秒冲击波测量可采用示波器

和采集卡，但都需利用Lab VIEW开发数字冲击测量系统如图14所示。

图14数字冲击测量系统

3.3高电压毫微秒冲击波形处理

采用最小二乘法拟合，用实现；其原理如图15所示

图15  最小二乘法拟合原理图

冲击电压波形处理波形拟合程序如图16，图中红线为实侧波形而蓝线为标准定义波形。

图16冲击波形处理波形拟合程序

3.4完整的WYJC型冲击波发生器结构

完整的WYJC型冲击波发生器原理見图10，其完整的WYJC型冲击波发生器架构見图17。

图17完整的WYJC型冲击波发生器架构

完整的WYJC型冲击发生波器达到的指标如表1。

完整的WYJC型冲击波发生器达到了德国Impulse-Calibration-SystemKAL 1000水平。

4应用案例

便携式B类冲击波传递过电压试验仪如图18所示，装置轻便灵活，使用方便。为了减少干扰，增加了隔离滤波和屏蔽室，提高系统的稳定可靠性。

图18 便携式B类冲击波传递过电压试验仪

图19 GIS电压互感器传递过电压测量现场

利用便携式B类冲击波传递过电压试验仪对110kV GIS电压互感器(图19)进行传递过电压测量，分别进行了单次测量和十次测量，波形如图20和图21。从图20中可以看出单次测量的B冲击波，无论波形特征，波前时间，波尾时间均符合GB 20840.1-2010要求，测得二次传递过电压小于标准要求的限值1600V,因此可判断符合要求；而图11中是相同条件下十次测量得到的二次传递过电压值，可以看出十次产生的B类冲击波幅值在100-300V之间，波前时间在8到10ns（T1）之间，波尾时间大于100 ns（T2）。十次重复测量的标准不确定度小于2%。

图20 GIS电压互感器传递过电压单次测量

图21 GIS电压互感器传递过电压十次测量

5结论

 （1）WYJ口型冲击波发生器能满足高压实验室冲击波测量和计量中对试验发生器的要求；符合GB20840.1-2010和GB/T 16896.1-2005等标准。

 （2）WYJ口型冲击波发生器的指标接近国外同类产品水平。

 （3）WYJ口型冲击波发生器须制定产品生产标准和检验标准。

参 考 文 献

[1]   王彦金，熊俊軍，等.传递过电压测量装置的测控软件[J].仪器仪表学报2013 [2] 王彦金，王巍。电力互感器传递过电压的研究现状[W]中国工控网—技术中心论文栏

[3] 郭天兴，徐  杰，等.电容式电压互感器的传递过电压的试验研究[J] .  电力电容器与无补偿.2008,29（1）23—30.

[4]  王彦金，王巍.GIS电压互感器传递过电压试验研究 .中国工控网[论文].2014- 06- 09.

[5]  王彦金，王巍. 电容式电压互感器传递过电压测量试验研究 .中国工控网[论文].2014- 08- 02.

[6]  华中工学院，上海交通大学. 高电压试验技术 [M] 北京 水利电力出版社.1982

[7] GB/T 16896.1-2005高电压冲击测量仪器和软件  第一部分 ：仪器要求

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