（通信与信息系统专业论文）冲击电流发生器的设计.pdf

摘要 高电压技术，作为以试验研究为基础的应用技术，研究各种形态的高电压， 冲击电流和各种性能的介质，需要有高电压的测试设备，研究介质在高电压下的 物理现象。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展都有重大影 响。冲击电流发生器作为高压技术研究的一个方面，已应用到以下重要的科学研 究领域：等离子体焦点和强脉冲磁场，电磁冲击模拟，强流电子束集团加速等高 能物理中。 本文主要介绍了高压技术的发展，总结了在各类高电压试验和应用中，高电 压和大电流实验中共性的技术问题，特别地，对于在高电压技术中最重要的测量 技术部分，及可能产生的误差进行了分析，提出了相对应的应该采取的措施。分 析了冲击电流发生器的电路原理，各个功能模块包括高压初级能源，三电极火花 隙开关等的原理，设计了红外控制下的冲击电流发生器电路，主要包括倍压电源 电路，分压器对冲击电压波形的采集电路，分流器对冲击电流的波形采集电路及 上位机和下位机的红外控制接口电路包括s p i 接口和i r d a 接口转换电路。重点 介绍了远程控制的软件部分的实现，包括红外控制协议栈，主要包括红外通信协 议的物理层帧的定义，媒介访问控制协议m a c ，逻辑链路控制层l l c ，上位机 和从机工作模式，工作流程图及m a c 主函数。对冲击电流试验中采集到的电流 波形进行了分析。分别对钼丝和钽丝在不同的冲击电压的条件下所对应的电流波 形图进行了分析。 通过对比在不同冲击电压作用下试件的冲击电流波形，分析了影响冲击电流 大小的因素，为后续试验获取最佳充电电压值的确定提供参考。 关键字：冲击电流发生器，红外控制协议，高电压测量，冲击电流波形 a b s t r a c t a sa na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ne x p e r i m e n t ，h i 曲v o l t a g et e c h n o l o g y ， w h i c hf o c u s e do nv a r i o u sh i 曲v o l t a g ea n dm e d i a ，a d o p t e dh i g hv o l t a g em e a s u r e m e m e q u i p m e n tt ot e s t i f yt h ep h y s i c a lp h e n o m e n o no fm e d i au n d e rh i g hv o l t a g e 。h i 曲 v o l t a g et e c h n o l o g yh a saf a rr e a c h i n gi n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fp o w e r i n d u s t r y ，e l e c t r i c a lm a n u f a c t u r ea n dm o d e mp h y s i c s a sa na s p e c to fh i 曲v o l t a g e t e c h n o l o g y ，i n s t a n t a n e o u sc u r r e n tg e n e r a t o r ，h a sb e e na p p l i e di nt h ef o l l o w i n g i m p o r t a n th i 曲e n e r g yp h y s i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d ：p l a s m af o c u s ，s t r o n gi m p u l s e m a g n e t i c ，e l e c t r i c a la n dm a g n e t i ci n s t a n t a n e o u ss i m u l a t i o n ，s t r o n ge l e c t r o nb e a m a c c e l e r a t i o ne t c t h i sp a p e rr e t r o s p e c t e dt h ed e v e l o p m e n to fh i 曲v o l t a g et e c h n o l o g y , d r a wa c o n c l u s i o no ft h ec o m m o np r o b l e m si nh i l g hv o l t a g ee x p e r i m e n t e s p e c i a l l y ，a n a l y z e d t h ee r r o rt h a tm i g h tb ee n c o u n t e r e di nh i 曲v o l t a g em e a s u r e m e n t ，a n dg a v et h ew a yo n h o wt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e p r i m a r i l ya n a l y z e dt h ec i r c u i tt h e o r yo fi n s t a n t a n e o u s c u r r e n tg e n e r a t o ra n de a c hf u n c t i o nm o d d e i n c l u d i n gh i 曲一v o l t a g ep o w e ra n dt r i - p o l e s p a r k l es w i t c h d e s i g n e dt h ei n s t a n t a n e o u sc u r r e n tg e n e r a t o rc i r c u i tb a s e do nt h e c o n t r o lo fi n f r a r e d ，w h i c hi n c l u d i n g m u l t i p l ev o l t a g ep o w e r , d i v i s i o nv o l t a g e s a m p l i n g ，d i v i s i o nc u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i ta n di n f r a r e dc o n t r o li n t e r f a c ec i r c u i t b e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n t ，t h et r a n s f o r m a t i o no fs p ia n di r d ai n t e r f a c ec i r c u i t e m p h a s i z e do nt h ei m p l e m e n t a t i o no fi n f r a r e dc o n t r o lp r o t o c o l ，w h i c hi n c l u d i n g i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c k ，p a r t i c u l a r l yi l l u s t r a t e dt h es p e c i f i c a t i o no f p h y s i c a ll a y e ro fl r d a ，t h es t r u c t u r eo ff r a m e ，m e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ( m a c ) ， l o g i cl i n kc o n t r o l ( l l c ) ，w o r k i n gm o d e l o fs e r v e ra n dc l i e n t ，m a i nf u n c t i o no f m a cl a y e r a n a l y z e dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v ec o l l e c t e di nt h ei n s t a n t a n e o u s c u r r e n te x p e r i m e n t ，t h ec u r r e n tw a v eo fm o l y b d e n u ma n dt a n t a l u mu n d e rd i f f e r e n t i n s t a n t a n e o u sv o l t a g er e s p e c t i v e l y d r e wac o n c l u s i o no nt h ef a c t o r st h a ta f f e c ti n s t a n t a n e o u sc u r r e n tb yc o m p a r i n g t h ei n s t a n t a n e o u sc u r r e n to ft h em e t a lw i r ew h i c hc a nb er e f e r r e do nh o wt od e t e r m i n e t h eo p t i m a lc h a r g ev o l t a g ei nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：h i 曲i n s t a n t a n e o u sc u r r e n tg e n e r a t o r ，i r d ac o n t r o lp r o t o c o l ， h i g hv o l t a g em e a s u r e m e n t ，i n s t a n t a n e o u sc u r r e n tw a v e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝：垒兰苎 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 高电压技术的发展及趋势 作为以试验研究为基础的应用技术，高电压技术，主要研究在高电压作用下 各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电 压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压，高电压及大电流产生的强电场， 强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压，大电流的应用【l l 。高电 压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展( 如x 射线装置、粒子加 速器、大功率脉冲发生器等) 都有重大影响，工程上将l k v 及以上的交流供电 电压称为高电压。高电压技术所涉及的高电压类型有直流电压、工频交流电压和 持续时间为毫秒级的操作过电压、微秒级的雷电过电压、纳秒级的核致电磁脉冲 ( n e m p ) 等 2 1 。 2 0 世纪以后，随着电能应用的日益广泛，电力系统所覆盖的范围越来越大， 输电电压等级不断提高，输电线路经历了高压，超高压的发展。这几个阶段都与 高电压技术解决了输电线路的电晕现象、过电压的保护等问题密切相关。这一发 展过程以及物理学中各种高电压装置的研制又促进了高电压技术的进步。 高电压技术可大致分为电力系统过电压，高电压绝缘特性研究，高电压试验 设备、方法和测量技术等几个方面。高电压领域的各种实际问题一般都需要经过 试验来解决。因此，高电压试验设备、试验方法以及测量技术在高电压技术中占 有格外重要的地位1 3 1 。 高电压测量技术研究的各种高电压和大电流的产生、测量、试验及应用，是 高电压技术的重要组成部分。高电压测试技术主要用于电力设备绝缘试验、开关 设备断流试验、电力系统过电压测试以及各种类型放电现象的试验研究等。除传 统的应用领域外，它还广泛应用于机械加工、纺织、印刷、勘探、医疗等各种行 业，并已成为激光、高能粒子、热核聚变等高技术领域中不可缺少的一种技术手 段【5 1 。 高电压试验和应用的种类很多，需要应用各种不同的稳态或暂态的高电压和 大电流。常用的稳态高电压有工频交流电压和直流电压，用作试验电压或工作电 压。常用的暂态高电压和大电流有冲击电压和冲击电流以及工频振荡电流，模拟 雷电过电压或操作过电压。 高电压发生装置是用于产生上述高电压和大电流的设备，通常采用交流高压 武汉理工大学硕士学位论文 试验变压器、直流高压发生器、冲击电压发生器、冲击电流发生器、合成振荡回 路等。这些设备都是以试验变压器和高压电容器为主体，以不同接线所构成。试 验变压器可产生工频交流高电压，也可用作其他设备的交流高压电源。高压电容 器与硅堆等组成的各种整流回路，可产生直流高电压，也可用作其他设备的直流 高压电源【6 1 。多台高压电容器并联充电、串联放电的m a r x 回路可产生很高的冲 击电压。多台高压电容器并联，通过低阻抗放电可产生很大的冲击电流；若通过 电感线圈放电，则可产生衰减振荡的电流或电压，并可用以构成振荡回路等。除 上述常规设备外，还可由这些设备改装或组合，用以产生陡波冲击电压、交流叠 加冲击波电压等；也可利用高压电容器等基本部件构成各种各样的特殊设备，例 如电容电感链型回路或同轴型形成线，它们都可产生很高的方波电压或很大的方 波电流等【8 1 。 测量仪器是用于测量各种高电压和大电流的装置，通常采用测量球隙、静电 电压表、分压器、分流器、电压互感器、电流互感器等【9 】。测量球隙和静电电压 表虽可直接测量高电压，但测量准确度都不很高。分压器可由电阻、电容或阻容 组合构成。电阻分压器受热容量所限，用于测量1 兆伏以下冲击电压；电容或阻 容分压器可用于测量较高的交流电压或冲击电压。直流高电压测量常用高阻值电 阻串联微安表的回路。分流器是一低阻值电阻，常采用绞线、折带或同轴等结构， 可测量各种大电流。电压或电流互感器利用变压器原理测量工频交流高电压或大 电流，测量准确度较高。暂态的冲击电压或冲击电流的测量准确度与稳态的工频 交流、直流高电压和大电流的测量准确度相比要低得多。此外，在绝缘特性试验 中常用兆欧表、高压电桥、局部放电仪等仪器仪表，测量绝缘电阻、介质损耗因 数和电容量、局部放电量等特性，以检查绝缘介质的品质f l o 】。 随着科学技术的进展，不断开发出新型的高电压测量装置i l l l 。例如球形场 强探头，已用于稳态和暂态的高电压，特别是纳秒级快速暂态高电压的测量；利 用数字记录仪可实现信号的存储和处理，对冲击电压、冲击电流、局部放电等暂 态信号的测量及高电压测试自动化、智能化创造良好条件；利用光导纤维可有效 地隔离电磁干扰，并且很容易实现高电位参量的测量；利用纹影仪和高速照相机 可记录气体放电的发展过程；利用显微照相技术可观测固体介质中树枝状放电发 展的状态；利用气相或液相色谱仪可测定绝缘油中微量的放电生成物；利用激光 干涉仪、光谱仪可测定放电通道中等离子体的密度、温度等微观参量；利用磁场 对激光的偏转效应制成的激光电流互感器，可测量高电压回路中的大的冲击电流 1 1 3 j o 在各类高电压试验和应用中，由于高电压和大电流等基本特点，有一些共同 性的技术问题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 设备的安全是高电压试验和应用中必须十分重视的问题。带电设备与 其他设备或接地物体之间必须保证有足够的净空距离。在高压测试过程中，非试 验设备应可靠地接地。 ( 2 ) 电晕放电是高电压设备经常发生的现象。为减小电晕噪声、电磁干扰 等，高电压设备的带电金属部件均应设置曲率半径合适的屏蔽罩。高压引线采用 大直径的金属圆管或多股组合导线等。 ( 3 ) 电磁干扰在高电压暂态测试中应采取必要的措施予以防止。全金属屏 蔽室可以防止空间电磁波干扰。低通滤波器和隔离变压器可用以抑制电源引入的 干扰。双屏蔽同轴电缆及良好的接地等可用以减小电缆外皮暂态电流造成的干扰 在盘 守0 ( 4 ) 回路振荡无论在高电压的主回路或者在低电压的测量回路都有可能发 生。因此，在主回路中常需设置阻尼电阻以抑制回路振荡；在测量电缆或引线等 端部需设置匹配电阻以防止多次反射造成的振荡等。 ( 5 ) 同步触发是多组高电压设备联动控制和快速暂态测试中的关键技术。 多极快速点火间隙是控制多组高电压设备准确同步工作的关键部件。在测量仪器 方面，数字记录仪比传统的示波器具有较大的优越性。 ( 6 ) 测量准确度对稳态的高电压和大电流来说已达到很高水平，但暂态测 量的准确度还不很高。目前，应用数字测量技术有可能通过信号处理提高测量准 确度，并可消除电磁干扰的影响。 高电压测试技术随着现代科技的发展，提出了更高的要求，也提供了更好的 条件。6 0 年代以后，光电测试技术引入高电压领域，避免了高电压传到低电压 的测量系统而引起的危险和电磁场对低电压测量系统的干扰。在试验研究方面， 正朝着高准确度、快速暂态、微观参量、强干扰背景下弱信号的提取以及测试自 动化等方向发展；在工程应用方面，除开拓多种应用领域外，还朝着现场测试、 在线监测、智能诊断的专家系统等方向发展【”i 。 1 1 2 冲击电流发生器的应用前景 高电压技术对电力工业、电- r , o 造业以及近代物理的发展都有重大影响。冲 击电流发生器作为高压技术研究的一个方面，冲击电流及其应用技术是当前一门 比较活跃的科学技术，它是高能物理中研究的重要技术基础，已应用到以下重要 的科学研究领域：等离子体焦点和强脉冲磁场，电磁冲击模拟，强流电子束集团 加速等高能物理中，并成为有力的研究工具，有着广阔的发展和应用前景【1 3 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 我国的高电压试验技术是在电力事业高速发展的强大推动下发展起来的。电 力事业的发展推动了高电压试验技术的进步。为适应我国电网向更高电压等级的 发展和设备生产制造需求，1 9 8 4 年上海交通大学高电压试验设备研究开发中心 开始全面研制智能化高压大电流试验设备和控制测量设备。其研制的高电压大电 流系列试验设备包括冲击电压发生器、冲击电流发生器、直流电压发生器和无局 放工频试验变压器等。其中冲击电压发生器可产生标准雷电波、标准操作波和标 准雷电截波等冲击电压波形；具有负载能力强；利用系数高；放电球隙动作范围 大，同步性能好等优点。冲击电流生器可产生标准冲击电流、方波冲击电流等冲 击电流波形；最大冲击电流为1 5 0 k a ；正在研制国内外最高输出能力2 0 0 k a 的 冲击电流发生器；采用机械方式( 气动) 移动球隙放电替代传统点火触发放电， 动作可靠，负载能力强。研制成功的直流电压发生器已用于国家电网公司特高压 直流试验基地，是国内外最高参数( 5 0 0 m a 1 2 0 0 k v ) 的户外型可长期运行的双 极直流电压发生器，输出波形好，性能稳定。无局放工频试验变压器最高电压为 1 2 0 0 k v ，具有局放量低，额定电压下局部放电量小于5 p c ；绝缘筒串级工频试 验变压器漏抗是原铁外壳工频试验变压器漏抗的三分之一；可控硅快速保护装置 响应时间小于l o o m s ，保护性能好，可以免受试验时过电压危害。上述高电压试 验设备采用计算机控制测量时，自动化程度高；调压精度达到1 ；不稳定度 小；抗干扰能力强；大大提高工作效率和试验技术水平u 1 1 。 日本大阪大学的励电四号利用先使多级电容并联充电以储存能量，然后通过 间隙开关串联快速放电，得到了能量为1 5 0 k j 的大规模超高速冲击电流。 美国圣蒂亚国家研究所的p b f a 冲击电流发生器，由3 6 个装成放射状的储 能电容器模块组成，可以产生2 0 m a 的冲击大电流【1 3 】。 1 3 本课题的主要任务和目标 综合前文所述，研究冲击电流发生器的电路原理，各个功能模块包括高压变 压器，三电极火花隙开关的原理及冲击电流极值的分析，分析在不同电压值对充 电电容作用下，所采集到的通过金属线的电流和电压波形，及其与金属试件之间 的关系，为后续试验确定最佳充电电压值及冲击电流值提供依据。 实现冲击电流发生器，主要包括倍压充电电源模块，通过分压器，分流器取 样放电电压，电流与充电电压采集模块，充放电的红外控制模块，包括上位机和 下位机的接口电路，s p i 转i r d a 接口转换电路。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 系统原理 第2 章冲击电流发生器原理 冲击电流发生器是实现脉冲功率的能量压缩的装置。如图2 - 1 所示，冲击电 流发生器由三个部分组成，即初级能量单元，中间储能单元及转换单元吲。 图2 1 冲击电流发生器原理框图 冲击电流发生器系统主要由高压电源、储能电容器组、三电极开关、试件回 路组成，如图2 2 所示。试件与r l c 电路串联。利用当三电极开关导通时，电 容器放电，在电路中对试件产生冲击电流。储能电容组由三个容值为6 6 3 u f 的 电容组成，回路最高电压值为1 2 k v ，最大储能为1 4 3 4 j 。 高压试验变压 触发脉叫峦公 图2 - 2 冲击电流发生器原理图 其工作过程是将试件串联于回路中，工作时先由高压电源经过整流元件，以 及限流电阻给储能电容组充电，向电容器组充电到所需电压，外部发送一个触发 脉冲到三电极开关，三电极开关经过两次击穿，从而使放电回路导通，高压电容 器放电，在回路中对试件产生冲击大电流。 限流电阻即保护电阻是为了限制试件或电容发生击穿时以及电源向电容突 然充电时通过高压硅堆和高压试验变压器的电流，以免损坏高压硅堆和试验变压 器及在试验中因瞬态过程引起的过电压。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 各功能模块 2 2 1 高电压试验变压器 高电压试验变压器用于产生工频高电压，以及作为直流高压和冲击高压设备 的电源变压器p 1 。 高压试验变压器一般是单相的，在原理上和电力变压器并无区别，但由于使 用中的特殊要求，在结构和使用上有以下特点： ( 1 ) 连续运行时间短，发热较轻，不需要复杂的冷却系统。 ( 2 ) 漏抗较大，试验变压器变比大，高压绕组电压高，所以需要较厚的绝 缘层和较宽的间隙距离。 ( 3 ) 容量小，在试验中，电容放电前，试验变压器只需要为电容提供电容 电流，不会出现长时间的短路电流，所以试验变压器的容量很小。 试验变压器的主要参数为电压及容量。当实验电容的容值及试验电压值确定 时，试验所需的变压器容量便可确定。 变压器容量： 只= c o c u 2 x 1 0 由k v a( 2 1 ) 其中，u 为所加的试验电压有效值，单位v 。 c 为电容容量单位u f ，缈为电压角频率。 本电路中试验变压器变比为l ：1 0 ，容量为2 7 9 7 8 k v a 。 2 2 2 倍压整流电路 获取高压电源，可以采取的方法有： ( 1 ) 变压器初级用交流市电，然后增加次级绕组匝数，可以得到高压输 出。但由于市电频率只有5 0 6 0 h z ，所以次级绕组需要很高的匝数。 ( 2 )为了尽可能地减少次级绕组的匝数，采用高频开关电路。 在要求电源输出电压不太高的情况下，以上两种方法可在变压器次级直接 ( 或采用半波，全波整流) 获得高压输出，当要求电源输出电压较高时，若要在 变压器次级直接获得高压输出，必然要增加变压器的变比，使变压器的次级绕组 匝数过多，这时，受变压器的层间寄生电容和线间寄生电容的影响，会出现很大 的充放电电流和噪声，使变压器的初级开关产生很大损耗，甚至无法正常工作。 因此，在这种情况下，为了既获得高电压输出，又不致使变压器次级端电压太高， 本电路采用倍压电路将变压器次级较低的电压倍压成高压直流电压。 倍压整流电路的实质是电荷泵。最初由于核技术发展需要更高的电压来模拟 人工核反应而研制了高压倍压电路。 6 武汉理工大学硕士学位论文 倍压整流电路中通常称每2 倍为一阶，用n 表示。图2 3 的倍压电路为3 阶安维拉德( v i l l a r d ) 倍压整流电路，即n = 3 。图2 3 电路的优点是纹波小，缺 点是对电容的耐压要求高，随着n 的增大，电容的耐压值随之增加。图2 3 中电 容c 6 的电压达到了峰值电压的6 倍。 t + 1 + + 1 1 ， c 3 ll c 5 c a pc a p d 2d 31 3 4d 5d 6 巴 ：幻d e3p d 固d d e3 - 一 d d d e c 2c 4c 6 i il i l i h 、， o 1 1 + i 卜 + i | - 图2 - 3 倍压电路的分析 当不带负载，稳态时，除电容c 1 ，其他每个电容上的电压为2 u ，所以总的 输出电压为6 u 。在输入电压的正半周，极性上正下负，d 1 导通，c 1 被充电至 峰值，后面部分电路暂不分析。在输入电压的负半周，极性下正负，d 1 截至， d 2 导通，c l 电压叠加上负半周输入电压给c 2 充电，此时c 2 被充电至2 倍c 1 电压。接着在输入电压的下一个正半周，d 1 和d 2 截至，d 3 导通，此时c 1 ， c 2 和输入电压叠加在一起为c 3 充电，由于此时c l 和输入电压极性相反，导致 相互抵消，所以c 3 充电后的电压等于c 2 电压。在输入电压负半周，d 1 ，d 2 ， d 3 截至，d 4 导通，c 4 被充电至2 倍峰值电压。几个周期后，电容被充满电， 电路中不再有电流，此时除c l 电压等于峰值电压外，其它电容器上的电压都等 于2 倍峰值电压。 所以输出电压h v 等于c 2 电压加上c 4 电压加上c 6 电压，即等于负6 倍峰 值电压。但是，由于高阶倍压整流电路带载能力很有限，输出很小的功率就会导 致输出电压的大幅度跌落。 考虑到三阶倍压带负载时跌落电压过大，本电路中采用的是二阶倍压电路。 2 2 3 三电极火花隙开关 三电极火花隙开关的主要用途是使储能电容器快速放电，从而产生冲击电 流。三电极火花隙开关的结构如图2 4 所示，g 0 和g 1 为主电极，由球形或半球 形金属材料制成，当此开关未导通时，g 1 、g o 间加有定的高电压，当需要使 其导通时，在触发极z 上施加的触发电压首先使间隙l 1 击穿，由此而产生的离 子在g 0 、g 1 间的电场作用下定向运动。从而使间隙l 2 击穿，开关进入导通状 7 武汉理工大学硕士学位论文 态1 2 们。实际使用中，常将三个电极封闭在陶瓷壳体内，并在壳体内充以一定压力 的隋性气体，以减小开关的电感。此外，为了极大地减小火花隙的电感，火花隙 被做成相距很近的两块极板，中间用一层固体介质隔开，做成薄膜间隙，这层介 质足以承受冲击电流发生器的强电流，当需要放电时，利用# f 】j n 脉冲的方法使这 层介质击穿，它的导通时间为几十个纳秒，放电稳定。 l 2 图2 4 三电极火花隙开关原理图 电路 发电路 图2 5 三电极火花隙开关等效电路 如图2 5 为三电极开关等效电路图，s 3 ，s 4 分别为三电极和两电极火花隙开 关。t r 2 为触发变压器，t r l 为升压变压器，当c 2 的电压达到一定的幅值时，s 4 击穿，从而触发回路为主回路的s 3 开关提供触发电压，使s 3 在短时间内导通， 脉冲电容器c l 迅速放电，产生冲击电流，即三电极开关实现二次击穿而导通。 c 图2 - 6 储能电容及试件放电等效回路 图2 - 6 所示为储能电容和试件的放电回路。设由开关、电容器等构成的总电 阻、总电感和总电容分别为r 、l 、c ，开关k 等效为没有电感和电阻的理想 开关。当开关闭合后，可求得回路方程为【1 4 1 ： 等+ 吉p 拟伽= u 协2 ， 8 3 武汉理工大学硕士学位论文 将( 2 2 ) 式微分，可得二阶常系数微分方程【1 6 11 1 7 1 ： ld 2 i + 一1f+r堕：0(2-3) m cm 令临界比o f = r c 三2 ，在t = 0 时刻，电路电流i = 0 ，电容电压为u 的初始条件 下，由式( 2 3 ) 可得三组解。 ( 1 ) 欠阻尼( 口 1 ) 以) = 尚捱e x p mz 4 2 - 石) 】s i n ( 历z 4 2 - 石) ( 2 4 ) ( 3 ) 临界阻尼( o f = 1 ) f ( f ) = 导胞叫7 位( 2 - 6 ) 其电流峰值均可表示为口的函数 厶划捱他乓u2 0 f f ( 咖厣( 口) ( 2 - 7 ) 由( 2 7 ) 式可得出： 不管放电电流是周期性的还是非周期性的，冲击电流峰值均与电容储能w ， 电感l 相关。当要求高的峰值，可以减小l ，或者增大u ，或者增大c 值。 回路总电感是由电容器中的残余电感，连线电感，球隙电感和试件中的电感 组成。减小电容器的电感，除选用电感较小的脉冲电容器之外，还可以增加电容 器的并联台数达到减小连线电感。本电路中，中间储能是使用三个耐压值为2 0 k v ， 容值为6 6 3 u f 的电容并联实现的。连线应尽可能短，电流同向的连线应尽可能 远离，使互感尽可能小。 此外三电极火花隙开关对脉冲电流存在锐化作用。在三电极开关由不导通到 导通的过程中，如果开关的闭合时间即击穿时延较长，负载上得到的脉冲幅值将 会下降。 在并联电容器的出线端应串接一限流器。本电路中为串接一电阻，限制故障 电流。但另一个方面由式( 2 7 ) ，电阻的接入将减小正常电流的输出，因此其阻 值要小。当电容被击穿时，能量将会被消能电阻所吸收。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 系统组成 第3 章冲击电流发生器的设计 冲击电流发生器是实现1 2 k v 电压对充电电容的充放电控制，如图3 - 1 所示， 它包括倍压整流模块，充电电压取样，放电电流取样，波形采集，红外通信等模 块。 其总体功能是通过上位机的控制界面控制冲击电流发生器的充电，放电及测 量的实现。具体是在上位机设置预设充电电压值，微控制器不断地采集电容上的 充电电压值，并和预设值比较，当到达预设值后，可在上位机设置放电的触发方 式，即自动触发和手动触发，分别实现冲击电流发生器的对试件的自动放电和手 动放电。 图3 1 冲击电流发生器电路原理框图 倍压整流模块实现将变比为1 ：1 0 的高压试验变压器次级端的峰值为3 k v 的电压四倍压，获得1 2 k v 的高压。上位机通过红外方式控制微控制器，微控制 器控制继电器，继电器控制接触器，接触器控制倍压电路对充电电容组的充电回 路的导通及关断。接触器通过控制三电极开关的触发回路，导通冲击电流发生器 的放电回路，从而实现了多级控制。 为了获得不同的充电电压的条件下，冲击电流的波形，需要对充电电容组上 的电压取样。本电路中是通过分压器二次分压实现对充电电压取样的。首先是通 过分压比为1 0 0 ：l 的一次分压器取样电容组上的电压值，然后经过同轴电缆传 输后，再次经过一个分压比为1 0 ：l 的分压器分压，得到幅值为1 2 v 的低压值 l o 武汉理工大学硕士学位论文 后，映射到0 5 v 的a d 转换输入电压范围，完成a d 转换所需要的取样。 冲击电流发生器放电时的电压，电流波形采集分别通过分压器和分流器对试 件上的电压值及电流值进行取样，并将取样值送入到数字示波器，获得电压及电 流波形。如图3 2 冲击电流发生器及测量电路图。 图3 - 2 冲击电流发生器电路图 3 2 充电电源及充电控制模块 3 2 1 过压保护电路 图3 - 3 过压保护电路 武汉理工大学硕士学位论文 当某种原因使试验变压器初级端的电压突然升高时，在试验变压器的次级端 的输出会将这种电压的突变量放大，使充电电容器组受到不同程度的损坏，严重 时还会因此而击穿充电电容器组。因此，必须在试验变压器的初级端设计过电压 保护装置，一旦电压超过允许范围可自动断电，电压恢复正常又可自动接通，对 充电电容器组起到保护作用。 如图3 3 为过压保护电路。图中，电容器c l 将2 2 0 v 交流市电降压限流后， 由二极管v d l 、v d 2 整流，电容器c 2 滤波，得到1 2 v 的直流电压。当试验变 压器初级端电压正常时，稳压二极管v d w 不能被击穿导通，此时三极管v t 处 于截止状态，双向可控硅v s 受到电压触发面导通，试验变压器初级端正常工作。 当试验变压器初级端电压突然升高，超过2 5 0 v ，此时在r p 中点的电压就 导致v d w 击穿导通，v d w 导通后，又使得三极管v t 导通，v t 导通后，其集 电极一发射极的压降很小，不足以触发v s ，又导致v s 截止，因此试验变压器 停止工作，因而起到了保护的目的。一旦试验变压器初级端电压下降，v t 又截 止，v t 的集电极电位升高，又触发v s 导通，试验变压器将继续工作。 3 2 2 接触器( c o n t a c t o r ) 本系统采用接触器和继电器级联的方式，实现远距离控制。接触器是一种自 动化的控制电器，主要用于频繁接通或断开交直流电路，具有控制容量大，可远 距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠 压保护等优点，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于 控制其它电力负载，如照明，电容器组等。 接触器的原理是当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于 触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动动触片同时动作，触点闭合，从而 接通电源。当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分 离，使主触头断开，以切断电源。 接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧系统组成。 电磁系统：电磁系统包括电磁线圈和铁心，是接触器的重要组成部分，依靠 它带动触点的闭合与断开。 触点系统：触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点一般 比较大，接触电阻较小，其作用是接通和断开主回路，控制较大的电流，而辅助 触点一般比较小，接触电阻较大，在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。 灭弧系统：灭弧装置用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减 少电弧对触点的损伤。接触器主触点上装有灭弧装置，以熄灭由于主触点断开而 产生的电弧，防止烧坏触点。接触器带有抑制涌流装置，能有效地减少合闸涌流 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 对电容器的冲击和抑制断开时的过电压。当控制回路通电后，接触器吸合，串入 限流电阻线的上主触头先于下主触头接通，从而达到抑制涌流作用，完成后瞬间 断开复位，其间下主触头进入正常工作，而断开回路时则由下主触头完成，因限 流电阻瞬间接入，所以不会造成烧损电阻等现象。 主回路触点的额定电流应大于或等于被控设备的额定电流。为了防止频繁操 作的接触器主触点损坏，频繁动作的接触器额定电流可降低使用。 接触器的电磁线圈允许在额定电压的8 0 - 1 0 5 范围内使用，本电路中选 用2 4 v 直流额定电压接触器，其主触点接入回路中，辅助触点由继电器控制。 3 2 3 分压器 分压器是一种将高电压波形转换为低电压波形的转换装置，它由高压臂和低 压臂组成。 2 图3 _ 4 分压器连线图 输入电压加到整个装置上，而输出电压则取自低压臂。通过分压器可以实现 以低压仪表及仪器测量高压峰值及波形。图3 4 为分压器原理图，z 1 为分压器 高压臂的高阻抗，z 2 为低压臂的低阻抗。测电压时，大部分电压降落在z l 上， z 2 上仅分到一小部分电压，该低压值乘上一个系数( 即分压比) 可获得被测的 高压值。 分压器按其结构可分为电阻分压器，电容分压器，串联阻容分压器和并联阻 容分压器。 电阻分压器高低压臂均为电阻，为使阻值稳定，电阻通常用康铜电阻丝等以 无感绕法绕制。电阻分压器的误差主要是由于分压器各部分的对地杂散电容引 起，这些杂散电容对变化速度很快的高频电压来说，会形成不可忽略的电纳分支， 其值与被测电压中的各谐波频率有关，将会使输出波形失真，并产生幅值误差。 在电压不很高，频率不过高时，可以达到较高的准确度。所以本电路采用电 武汉理工大学硕士学位论文 阻分压器。在工频电压下，电阻分压器可使用在低于1 0 0 k v 的电压的情况下。 由高欧姆电阻组成电阻分压器，可在分压器低压臂跨接高输入阻抗的低压表 来测量高压电压。这个高欧姆的电阻r 通常是由许多个电阻元件串联组成( 一 个电阻的额定工作电压最大约1 k v ) 。本电路中一次分压的分压器由1 0 0 个 1m o ，2 w 的金属膜电阻组成，固定在绝缘支架上外面再套以绝缘筒。二次分压 的分压器是由1 0 个阻值为1m q ，2 w 的金属膜电阻组成。r 阻值的选择不能太 小，否则会要求高压设备供给较大的电流i ，并且r 本身的热损耗也会太大，以 致r 的阻值不稳定而出现测量误差。另一方面也不能选得太大，否则由于i 过小， 而使电晕放电造成误差。一般i 选择在0 1 m a 0 5 m a 之间，对于额定工作电压 高的分压器i 可选大点。本电路中分压器的i 值为0 1 2 m a 。 造成电阻分压器测量误差的主要原因是电阻值不稳定，虽然整个测量系统的 误差还应该包括测量仪表的误差，但仪表的误差比较容易控制，所以主要是分压 器阻值的变化引起的。 ( 1 ) 电阻本身发热造成阻值变化。这个变化的大小取决于所选电阻的温度 系数。可用于电阻分压器的有金属膜电阻和线绕电阻。金属膜电阻和线绕电阻的 温度系数在不同温度下常常有正有负，在串联使用时可适当地加以搭配，使r 整体温度系数最小。 ( 2 ) 电晕放电造成的测量误差。由于电阻元件处于高电位就有可能发生电 晕放电，电晕放电不仅会损坏电阻元件，而且对地的电晕电流将改变电压与电流 的关系，而造成测量误差，所以，必须采取措施消除电晕。本电路中的分压器是 通过在高压端装上可使整个结构的电场比较均匀的金属屏蔽罩实现消除电晕。 分压器是测量系统的重要组成部分，对由分压器与传输系统及测量仪器所组 成的整个测量系统，主要的要求是在规定的工作条件范围内性能应该稳定，才能 保证测量系统的分压比在长时间内稳定。 3 3 储能电容组电压采集模块 在对储能电容组充电过程中，要求可以获得不同的充电电压值，以观察不同 充电电压值的条件下，冲击电流电压的波形。如图3 5 所示，本电路是通过首先 对储能电容组上的电压进行二次分压，得到峰值为1 2 v 的低压，然后映射到峰 值为5 v 的a d 转换的输入电压范围，进行a d 转换，微控制器将转换结果， 和上位机的设定电压值相比较，判断是否达到预设充电电压值，以控制充电回路 的导通与断开。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 一次分压二次分压 储能电容分压比 分压比 a d 转换a t 8 9 s 5 1 器组1 0 0 ：l1 0 ：l “ 一 图3 5 储能电容器组电压采集流程图 3 3 1a t m e l 单片机a t 8 9 s 5 1 本设计中，主控制模块的微控制器采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 1 。a t 8 9 s 5 1 是 一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e si s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e ) 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存储器，器件采用a t m e l 公司的 高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构， 芯片内集成了通用8 位中央处理器和i s pf l a s h 存储单元。 a t 8 9 s 5 1 主要硬件资源： ( 1 ) 8 k b y t e s 可反复擦写i s pf l a s h 片内程序存储器 ( 2 ) 2 5 6 x 8 b i t 的随机存取数据存储器( r a m ) ( 3 ) 5 个中断优先级2 层中断嵌套中断 ( 4 ) 全双工u a r t 串行中断口线 主要功能特性： ( 1 ) 兼容m c s 5 1 指令系统 ( 2 ) 2 个外部中断源 ( 3 ) 低功耗空闲和省电模式 ( 4 ) 软件设置空闲和省电功能 a t 8 9 s 5 1 设计和配置了振荡频率可为o h z 并可通过软件设置省电模式。空闲 模式下，c p u 暂停工作，而r a m 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作， 掉电模式将冻结振荡器而保存r a m 的数据，直至外中断激活或硬件复位。 3 3 2 供电电路 = 图3 - 6 供电电源 图3 - 6 为微处理器及各芯片供电电路图，7 8 0 5 电路的两侧的c 2 和c 3 电容 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 为旁路电容，作用是抑制电路中可能产生的自激振荡，布线时置于管脚根部。电 解电容c 1 是起到滤波的作用。m c 7 8 0 5 内部是非线性器件，会出现谐波，所以在 输出端需要经过c 4 的再次滤波。 3 3 3a d 转换采集模块 本储能电容器组电压采集a d 转换部分采用的是c m o s 单片型逐次逼近型 a d 转换器，具有8 路模拟量输入通道，有转换起停控制，模拟输入电压范围 o _ - + 5 v ，转换频率1 0 k h z 的a d c 0 8 0 9 转换芯片。如图3 8 为a d 转换电路图。 a d c 0 8 0 9 由8 路模拟通道选择开关，地址锁存与译码器，比较器，8 位开关 树型d a 转换器，逐次逼近型寄存器，定时和控制电路，三态输出锁存器等组 成。其中，8 路模拟通道选择开关实现从8 路输入模拟量中选择一路送给后面的 比较器进行比较，地址锁存与译码器用于当a l e 信号有效时，锁存从a d d a ， a d d b ，a d d c 3 根地址线上送来的3 位地址，译码后产生通道选择信号，从8 路 模拟通道中选择当前模拟通道。当s t a r t 信号有效