特殊组合波发生器的研究

　

2004年第1期(总第197期

) 　　　　　　

电

　　　　　　

2004N um ber1(Ser 1№197) I N SULA TORS AND SU RGE A RRESTERS

瓷避雷器

　

文章编号:100328337(2004) 0120044205

特殊组合波发生器的研究

姚学玲, 陈景亮, 孙　伟

(西安交通大学, 陕西西安　710049)

摘　要:对特殊参数的组合波发生器进行研究。首先讨论了波形参数、电路参数、电源利用

率等之间的关系并得出有实用参考价值的曲线, 根据此曲线, 可以方便地确定特殊参数组合波在不同虚拟阻抗下的电路参数; 其次, 针对有代表性的电路(如10 1000电压波、10 1000电流波以及10 700电压波、10 300电流波等) , 选取一定虚拟阻抗下的电路参数, 并进行仿真, 验证了理论计算的正确性。

关键词:组合波; 关系曲线; 电路仿真; 虚拟阻抗

中图分类号:TM 83　　　文献标识码:B

1　前言

根据文献[1]要求, 要用标准组合波(112 50电压波, 8 20电流波) 对SPD 进行雷电浪涌抗扰性试验或电子设备进行电磁兼容试验, 试验原理框图如图1。而根据文献[2]的要求, 除需要不同输出虚拟阻抗28的标准组合波外, 还需要特殊参数的组合波(10 1000电压波、10 1000电流波及10 700电压波、10 350电流波等) 的冲击试验。这些特殊组合波的设计方法和标准组合波的设计方法差异较大, 笔者根据特殊参数的要求, 对特殊组合波的电路结构及参数进行研究, 得出电路设计的参考曲线, 旨在为组合波测试电路的设计提供理论参考

。

对于电流波上升时间大于或等于电压波上升时间或电流和电压波形相同的组合波, 如112 50电压波、8 20电流波以及10 1000电压波、10 1000电流波等组合波均可以使用如图2所示的电路形式; 而对于电流波的上升时间小于电压波上升时间的组合波(10 700电压波、10 350电流波) 则需要采用如图3(a ) 、(b ) 所示的组合波发生电路

。

(a ) 开路电压波的形成电路

(b ) 短路电流波的形成电路

图1　雷电抗扰度或E M C 试验的原理框图

图2　组合波发生回路的原理图

2　组合波发生回路的理论

组合波发生回路可使用图2或图3的组合波发生电路。

收稿日期:2003211224

211　冲击电流波的计算

图2(b ) 的电流发生电路要求工作在R >2

L C 过阻尼状态。其电路的微分方程为:

作者简介:姚学玲(19662) , 女, 河南新乡人, 博士, 主要从事高电压测量与电磁防护研究。

・44・

(a )

开路电压波的形成电路

(a ) r 和t f ′的关系曲线

(b ) 短路电流波的形成电路

图3　组合波发生回路的原理图之一

2　　　L C 2+R 3C +u c =0

d t d t

-∆t

　　　i =e sin Ξt

ΞL 式中∆=　Ξ=

2L

-4L L C

2

(1)

′

(b ) r 和t ′t f 的关系曲线t

代入公式(1) 得

i =

2

L C

2

exp 2

r -1

L C

L

r -1

2

exp

r -1

-exp -

L C

(2)

令i ′=i =i ′

(-

′

(c ) r 和i m 的关系曲线

2L C

, t ′=t L C 代入式(2) 得

) -exp r -1 t ′

(3)

2

e -rt ′ [exp (2

r -1

) ]r -1 t ′

2

图4为阻尼系数r 以波形半峰值时间t ′t 与波前

′′

时间t f ′之比t ′t t f 、反极性振荡i m 间的关系曲线。其′中, t ′t 为零点和第二个半峰值点之间的持续时间;

t f

′′

=1125(t ′

019-t 011) , t 0

19为波形上升90%峰值的时间,

t 01

1为波形上升10%峰值的时间。i m 为反极性峰值与

′′

(d ) r 和Γ的关系曲线

正极性峰值之比。

对于不同参数的组合波, 须选择不同的阻尼系数, 同时, 电源的利用率将随之改变, 图4(d ) 为阻尼系数和电源利用率Γ的关系曲线。

图4　r 和波形参数的关系曲线

因此, 对于冲击电流发生回路, 存在公式(4) ～公式(6) 的计算公式:

　　　　r =R 3 2L C

′　　　　i m =i m U 0(Γ 2

(4)

L C )

(5)

・45・

(6) 　　　　t f =t f L C

对于图3(b ) 所示的冲击电流发生回路, 存在公) ～公式(6’) 的计算公式:式(4’

(4’) 　　　　t f =3(C 1∥C 2) (R 2∥R 3)

(5’) 　　　　t ≈017C 1(R 1∥(R 2+R 3) ) t

(R 2+R 3) (6’) 　　　　i m =U 0 212　冲击电压波的计算

图2(a ) 为标准的冲击电压发生回路, 当开关K 合上的最初时间内, 电感L 起作用, 形成冲击电

t t =017 R 1 (R 2+R 3) C (R 1+R 2+R 3)

-1

(8)

根据公式(4～5) 可以计算出图2组合波开路电压波发生回路的结构参数R 1和R 2(t f 和t t 分别为开路电压波的波前时间和半峰值时间) 。

对于图3(a ) 所示的冲击电压产生电路, 存在下列计算公式:

　　　　t f =3R 2(C 1∥C 2)

　　　　t t =017(R 3C 1+(R 1+R 2) C 2)

(7’) (8’)

压波的波头, 而当开关合上较长时间后, 电感L 不

起作用, 电容C 经电阻R 1、R 2、R 3放电, 形成波尾。其波前和波尾的数学公式如下:

(R 2+R 3) (7) 3L t ≈f

虚拟阻抗 8

2

3　不同参数组合波电路参数的计算

) ～根据图4的曲线及公式(4～8) 和公式(4’

) 可以计算不同参数组合波电路的结构参公式(8’

数(见表1～表3) 。

表1　112 50电压波, 8 20电流波组合波电路结构(图2) 参数

电感L ΛH

916

电容C ΛF

7193

电阻R 1 8

16102

电阻R 2 8

19136

电阻R 3 8

111

开路电压 V

1000

短路电流 A

512

表2　10 1000电压波, 10 1000电流波组合波电路结构(图2) 参数

虚拟阻抗 8

1040100

电感L ΛH

[1**********]

电容C ΛF

[1**********]98

电阻R 1 8

[**************]0

电阻R 2 8

[1**********]

电阻R 3 8

2338932320

开路电压 V

[1**********]0

短路电流 A

[1**********]7

表3　10 700电压波, 10 300电流波组合波电路结构(图3) 参数

虚拟阻抗 8

1040100

电容C 1 ΛF

7719715

电容C 2 ΛF

[1**********]67

电阻R 1 8

1353133

电阻R 2 8

52050

电阻R 3 8

52050

开路电压 V

[1**********]0

短路电流 A

[1**********]012

　　在实际应用时, 根据不同参数组合波的要求, 从

图4中的曲线中确定相应的回路阻尼系数和回路效率, 利用公式(4) ～公式(8) 进行图2组合波电

) ～公式路中元件参数的选取, 或根据公式(4’

(8’) 进行图3组合波电路中各元件参数的选取。为974Λs , 虚拟阻抗为101066; 10 700电压波、10

300电流波的波形参数为:电压波前时间为1012Λs 、波尾时间为722Λs , 电流波前时间为4172Λs 、波尾时间为315Λs , 虚拟阻抗为10107; 和标准的组合波波形参数比较:10 1000电压、10 1000电流组合波的电压波前时间和波尾时间偏差分别为1%和115%, 电流波的波前时间和波尾时间偏差为616%和216%, 虚拟阻抗的偏差为0166%; 10 700电压、10 300电流组合波电压波前时间和波尾时间偏差分别为2%和311%, 电流波的波前时间和波尾时间偏差为516%和5%, 虚拟阻抗的偏差为017%。完全满足IEC 610002425所规定的电流波的波前和波尾偏差。

4　不同参数组合波电路的仿真

为了验证组合波回路参数选择的正确性, 现利用软件进行电路仿真, 仿真的电路图和图2及图3相同。图5为组合波的仿真波形。

仿真结果如下:10 1000电压、10 1000电流组合波的波形参数为:电压波前时间为919Λs 、波尾时间为1015Λs , 电流波前时间为9134Λs 、波尾时间

・46・

5　实验

在理论计算与仿真基础上, 我们设计了如图2所示的一套虚拟阻抗为28的112 50、8 20组合波发生电路, 参数如下:电感L =10ΛH , C =8ΛF , R 1=158, R 2=238, R 3=1128。测试用电压传感器的刻

度因素为52136, 电流传感器的刻度因素为0103643, 它们的方波响应时间均

。

(a ) 10 1000短路电流(108

)

(b ) 10 1000开路电压(108

)

(a )

电压仿真输出与实验输出波形

(c ) 10 700开路电压(108

)

(d ) 10 300短路电流(108)

(b ) 电流仿真输出与实验输出波形

图5　不同组合波电路的仿真

图6　虚拟阻抗为28组合波仿真与实际波形(电容20kV )

・47・

表4　仿真与实测波形参数的对比(电容电压为20kV )

参　　数

电压峰值() 波前时间() 波尾时间() 电流峰值() 波前时间() 波尾时间() 电流反峰(%)

仿真参数11225316

[**************]07

1115 4916Λs , 偏差分别为018%和712%, 实测短路

开路电压

实测参数

11154916

[**************]

偏差 %-611-811

-16615-917-911114

电流波为812 1916Λs , 偏差分别为215%和210%, 输出阻抗为2118, 偏差为5%。由此得出:实测数据和仿真结果是基本吻合的。因此, 在设计阻尼系数较大的组合波发生回路时, 可根据本文中得出的曲线以及相应的计算公式, 合理选择发生组合波回路的物理参数, 考虑国标所容许的参数偏差, 上述的设计可作适当调整。

参考文献:

[1]　E rm eler K 1, et al 1Su rge I mm un ity of E lectron ic Equ 2

i pm en t [J ]1IEEE E lectrical In su lati onM agazine , 2000, 16(2) :12～161

[2]　IEC 6100024251E lectrom agnetic Compatib ility (E M C )

T esting and M easu rem en t T echn iques , Su rge I mm u 2n ity T est [S ]119951

短路电流

虚拟阻抗()

6　分析与结论

由表4知:仿真开路电压波为1122 5316Λs , 偏

差分别为1167%和712%, 仿真短路电流波为7167 2115Λs , 偏差分别为411%和715%, 输出的虚拟阻抗为21078, 偏差为315%; 实测开路电压波为

西安交通大学电力电子专用设备研究所产品介绍

西安交通大学电力电子专用设备研究所, 主要致力于开发、研制及生产电力电子行业生产过程中所需的各种专用设备。研究所依托于西安交通大学雄厚的技术力量和科研成果, 以赶超国际一流水平为奋斗目标。凭着扎实的基础、严谨的作风、科学的管理和先进的检测手段, 确保了产品各项技术指标的领先性。

研究所生产的产品多项获得全国发明博览会奖及专利, 仅1993年就有两项产品被国家科委列为“国家级重点新产品”, 在国内同行业享有较高声誉。冲击电流自动化系统2001年6月通过了国家教委组织的科技成果鉴定。

主要产品目录　　・I CG 冲击电流发生器及自动化系统・加速老化试验装置　　・I ・局部放电试验装置V G 冲击电压发生器

　　・HA G 手持电弧喷枪及电源・直流1mA 测试仪　　・IP 系列智能数字峰值表・三参数测试仪　　并可根据用户要求设计、生产各种高电压检测设备。

・功耗测试仪

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研究所可提供避雷器及电阻片的全套检测装置

I CG 系列冲击电流发生器是一种可以产生冲击大电流并可对试品进行自动检测的测试设备, 主要适用于避雷器电阻片、防雷器进行冲击电流试验。发生源产生冲击电流, 可供避雷器电阻片、防雷器等各种电器件和电子设备进行抗瞬态过电压能力和限压特性测试等。1997年已开发研制出避雷器电阻片全自动检测生产线。2000年又开发出检测电流更大、测试精度更高、可实现计算机通讯管理的全自动冲击电流测试系统, 是适合防雷器生产厂家使用的检测设备。2002年又新开发出计算机控制管理的氧化锌V 2I 自动测试系统, 可实现工频参数、直流参数、8 20冲击参数的自动测试, 并具有阀片自动分类判定、测试数据显示和自动喷码等功能。

操作过电压I V G 冲击电压发生器是一种能产生脉冲波的高压发生装置。它用于设备遭受大气过电压(雷击) 、

的绝缘性能的研究和避雷器在雷电过电压、操作过电压作用下的保护特性试验。

老化试验装置可对避雷器电阻片及被试品加速老化试验, 采用计算机控制和管理, 实现在无人监守下对电阻片的全电流、阻性电流、功率损耗、阻性电流基波有效值等进行自动检测, 并可在线生成老化曲线、全电流及阻性电流曲线。漏电起痕试验装置可为电力系统用材料进行防腐试验, 腐蚀液的滴流量可根据标准要求调整, 并可自动记录试品的击穿时间并同时切除高压电源。

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