820脉冲波形发生器.doc

“利用8/20脉冲波形发生器模拟雷电波形”项目可行性分析报告一、项目背景及“8/20脉冲波形发生器”概况 人工引发雷电和雷电预警预报技术的不断发展和完善给人类探索闪电提供了更多的科学手段。近30年来我国的科研工作者多次在全国各地引雷成功，为雷电物理和大气电学的研究提供了宝贵的试验数据，同时雷电预警预报技术也在不断发展探索，特别是为服务2008年北京奥运会做了大量的前期研究工作。雷电流的光谱和频谱研究是雷电物理研究中的一个重要的新课题，但由于自然雷电发生具有很大的随机性，自然雷电流的测量非常困难，而随着人工引发雷电技术的成熟得到了较多的人工引发雷电流的直接测量结果，同时研究结果也揭示出不同地区雷电特征也存在着较大的差异，这对雷电物理研究和雷电防护工作提出了更高的要求。雷电波频谱特征是雷电防护技术的重要依据。当雷击于各种线路(电力、信号、天馈等线路)或线路附近时，会在线路上发生雷电流侵入，由于大电流或过电压的作用，从而损坏与之相连的各种电子设备。分析雷电波的频谱结构可以获悉雷电波振幅和能量等在各频段的分布，通过这些数据可以估算出通信系统以及电力系统频带范围内雷电冲击波的振幅和能量的大小，进而确定避雷措施，同时在开发和研究高性能的电子避雷器方面也具有指导意义。在高压技术领域，有学者曾对雷电波的频谱和能量做了分析,对雷电闪击中回击电流波的频谱做过分析，也有建立雷电波数学模型，计算其频谱，这些工作都从不同的角度丰富了雷电流波形的探索和研究。而通过低频信号模拟出雷电波形有助于在安全可控的的条件下，进一步对雷电波频谱特征进行研究。根据国家标准，GB 5005794建筑物防雷设计规范)中对雷击参数的定义 ，选取相关波形作为文章中的雷电波标准波形。GB 5005794中对雷电波的波头时间t1 和半峰值时间t2 作了以下的规定。即电流峰值09倍处E与01倍峰值点F连一直线，EF的延长线与电流峰值水平线相交于p点，与横坐标交于点t0，（如图1）。图中时间间隔t 1=tp 一to，称为雷电波波头时间，从to到波尾一半峰值M 点之问的时间间隔t2=tm-to。为雷电波半峰值时间。平时我们所说的雷电波波形是用t1 t2。( us)来表示。文章采用标准波形820(u s)、10350( us)、后续雷击025100(u s)和国家标准推荐雷电试验的4种波形(1O200、4300、1I 250、10700(u s)，共7个波形作为研究对象。8/20波形发生器则是通过模拟器件制造出820的低功率波形，并以此来对雷电波频谱特征做进一步研究。二、820脉冲波形发生器的构思及设计由于项目所要求模拟波形的幅值至少在20安培以上，综合考虑，所用日常220v交流电源作为能量来源。通过变压器可选变压位1236v通过桥式整流电路整流为滞留电路。如图所示。桥式整流后进过耦合滤波成为充电电流。充放电电路主要考虑用lrc回路做。通过rl的2阶滤波使原来的直流波形转变为所要求的820脉冲波形。其中最重要的则是电感对整个电路的容抗匹配。容抗的计算和选择关系到最后的输出波形的质量。另外电路的另一个重点应该在于充放电开关的控制。由于充电电容在充满电之后要对rlc回路放电输出脉冲波形，那么对于开关对充放电时间的控制变显得尤为重要了。我们逐步设想可以利用单片机和周围驱动电路通过可编程器件来控制开关的开闭合时间。在程序算法中，可通过单片机2个io口分别输出脉冲方波控制，2个脉冲高电平时间可有间隔作为开关缓冲时间。高电平时间即分别为2开关控制充放电时间。需要注意的是，单片机输出电压为35v，故必须外设一运算放大电路升高电压以至能驱动充电控制开关。整个820脉冲波形发生器便可通过以上几步实现。三、从雷电波形及能量分析，谈信息防雷保护在此考虑10350s电流波、820s电流波、1.250s电压820s电流组合波及10700s电压通信波四种波形具有一定的代表性。雷电试验波形几乎都是很快上升到峰值，然后较缓慢地下降到零的形式，如图1所示，它适用于做与外线连接的含有固体化元器的电子设备雷电试验，但不适用于雷电直击设备和雷电引起的电磁干扰的检验。实际上沿通信架空明线线路（现在越来越少）袭入设备的雷电冲击波大部分是振荡波形，沿地下电缆袭入设备的雷电冲击波大部分是持续时间长、近似单极性的双指数波，而雷电直击接地物体使其地电位升高所产生的回击波，多为持续时间较短的单极性波（如图2）。对遭受雷电冲击的能量计算如下式：EV（t）I（t）dtKVI（焦耳）其中：V在峰值电流下的箝位电压（伏）I峰值电流（安培）脉冲时间（秒）K波形因子在此可以将计算的波形分成两个部分，即前半部当成三角波（波形因子K取0.5），后半部当成指数波（波形因子K取1.4）。前半部为波上升阶段吸收的能量，后半部为波衰减阶段吸收能量。对于10350s波形，主要针对直击雷，或遭首次雷击的暴露环境等。这时雷电能量为：E.5VI101061.4VI（35010）106（5476）VI1060.481103VI（J）即使假设I50KA，V1000V，则E24050J。可见直击雷的能量是非常大的，其防护方法完全不能等同于放置于建筑体内部有着良好屏蔽或分流措施的其它电子设备。一般来说处于暴露环境的信息技术设备或系统很少，遭受直击雷的可能性也不大。不过高山微波站、移动寻呼基站、广播电视塔、雷达等例外，需要采取吸收能量较大的防雷设备作为一级保护。对于820s这种典型的模拟于电源线感应或传导引入的试验波形。E.5VI81061.4VI（208）106（416.8）VI10620.8106VI（J）假设没有避雷针接内，按分流至大地及感应至电源线50法则，取I25KA，V1000V（一级保护），E520J。与直击雷能量比较，相差两个数量级。那么电源的二级保护、三级保护乃至精细保护由于箝位电位的严格要求，冲击能量将更小。特别是对于计算机集成芯片或某些精密终端设备工作电压往往从几十伏至几伏，电流从安培到毫安，那么可随能量大至几十、几个J，小至102109J，所以在电源保护上不同的被保护设备有着千差万别的要求，需要科学对待。在一些接口或端口上，雷电浪涌冲击总是以组合波形模拟，比如1.250s820s最为常见。最近我国依照CISPR第22、24号出版物制定的GB176181998信息技术设备的抗扰度限值国家标准，在交流和直流电流输入端口的浪涌（冲击）抗扰度试验也是采用1.250s820s波形。它的能量相当于：E.5VI1.21061.4VI（501.2）10620.8106VI（0.668.3220.8）VI10689.72106VI（J）同样取I25KA，V1000V，则E2243J。可见对于端口的冲击能量要大得多。信息技术设备有着接口、端口多的特点，因此住处防雷口保护尤为重要。因为结构和阻扰不同，对于外线（如对称电缆、同轴电缆）通常推荐用10700s波形冲击，尽管架空外线逐渐被管道地埋替代，但现在基本视同于外线与设备交叉处总配线架为进入端口，上面提到的GB176181998标准中，信号端口和电端口的浪涌（冲击）抗扰度试验波形也是采用10700s。这时冲击能量为：E.5VI101061.4VI（70010）106（5966）VI1060.971103VI（J）按V4KV，I100A计算，E=388J。根据CCITTk.20建议，可以认为这是“一次保护”动作后，电信端口承受的最大冲击能量。对于电信设备，尤其是程控交换机现在基本具有完善的一、二次过流过压保护电路，但是对于其它信号端口，如网络、数据、图像等信号端口的保护还未得到充分重视。由上可见，信息防雷需要充分考虑被保护设备的用电级别与所处位置，具有一定的特殊性，期待人们在技术上进一步探讨和新的标准来指导、规范。四、项目可行性及效益分析从分析可以看