雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設備的開發與應用

摘 要：組合波信號發生器（CWG）主要應用于浪涌保護器或電子設備電磁兼容試驗，要求在虛擬阻抗Z為2Ω的情況下，輸出1.2/50μs開路電壓波和8/20μs短路電流波。目前，市場上的雷電組合波沖擊設備的參數一般為6000V、3000A，而本次設計的雷電組合沖擊波設備的參數被提高到10000V、5000A，提高了其沖擊性能，能更好地進行沖擊試驗。

關鍵詞：1.2/50μs、8/20μs；組合波；SPD

引言

雷電災害是自然界發生頻率最高的自然災害之一，對人類的生命財產構成了巨大的威脅。在低壓系統中，應該在不同防雷分區的分界處安裝電涌保護器，從而降低各種方式入侵的雷電過電壓的危害，逐步減少雷電產生的電磁脈沖，不再引起電子設備的工作錯誤和系統誤操作等。電涌保護器在電路系統中起到了重要的作用，而雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設備則用來對電涌保護器進行測試。

1 電涌保護器的基本原理

電涌保護器是用于限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的裝置，它至少應包含一個非線性元件。在被保護電路正常工作，瞬態電涌未到來以前，此元件呈現高阻狀態，對被保護電路沒有影響；而當瞬態電涌到來時，此元件迅速轉變為低阻狀態，將電涌電流泄放，并將被保護設備兩端的電壓限制在較低的水平。當電涌能量釋放后，該非線性元件又迅速、自動地恢復為高阻狀態。如果這個動作與恢復的過程能迅速而順利地完成，則被保護設備和電路就不會遭受雷電或操作電涌的危害，將可保障其電路的正常工作。

2 雷電（1.2/50μs、8/20μs） 組合波沖擊設備原理（圖1）

組合波CW（Combination Waveform）對電涌保護器的試驗有兩種模式—共模試驗和差模試驗。共模試驗指的是沖擊信號施加在電源的各相線對地線的沖擊試驗，差模試驗指的是沖擊信號施加在電源的各相線之間的試驗。

3 雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設備的設計

3.1 組合波沖擊設備的組成

組合沖擊波設備的組成如圖2所示。

3.2 組合波沖擊設備工作原理圖（圖3）

組合波沖擊設備主要有B1、B2、R、D構成高壓形成電路，輸出0-10kV連續可調直流電壓，電容C構成儲能電路，K是高壓直流開關，它的斷開與閉合受控制電路Ⅱ的控制。R1、R2、R3、L組成組合波形成網絡電路，R6、R7構成高壓電路，通過R7上的電壓檢測電容C上的電壓值，R4、R5構成測試分壓器，通過R5上的電壓波形，檢測試SPD上的殘壓波形，L1為羅氏線圈，通過L1的輸出，調試波形，觀察流過試品SPD上的沖擊電流波形及幅值。工作過程用市電220V加到調壓器B1上，B2為220V：12kV的升壓變壓器，B2輸出的電壓通過限流電阻R及高壓整流期間D對電容C充電，當C上的電壓達到要求的電壓值時，由控制電路Ⅱ使高壓真空開關K閉合，同時J斷開，電容C通過R1、R2、R3、L以及SPD構成網絡放電回路放電。通過分壓器R4R5及羅氏線圈在示波器測試出SPD的殘壓及電流波形。J1斷電，J1-1斷開，充電停止，電路采用繼電器控制。

3.3 組合波沖擊設備控制電路設計（圖4）

放電控制電路用于控制電壓發生器放電與沖擊測試的每一步工作，在控制部分應用電磁繼電器的串聯、并聯與自鎖功能實現對電壓發生器的操作控制。根據繼電器接點在電路中的連接方式，繼電電路可分為串聯、并聯和串并聯電路三種基本形式。

組合波發生器控制電路主要由J1、J2、J3、J4四個繼電器K1、K2、K3三只按鍵開關及K高壓直流開關組成，工作原理：當K1高壓合按鍵閉合時，J1、J2通電，J1-1為J1的常開觸點，閉合自鎖，LED2指示燈亮，J2-1為J2常閉觸點，斷開LED1指示燈時，按下K3觸發按鍵，J4通電，J4-2閉合，控制高壓真空開關J5通電，K閉合，電容C放電，同時，J4-1為J4的常開觸點斷開，J1、J2斷電，J1-1連點斷開，恢復高壓分的狀態，當在充電過程中，出現異常現象時，要求高壓停止對C充電，按鍵K2高壓分按下，J3通電，J3-1為J3的常閉觸點，J3-1斷開。

3.4 儀器制作

（1）元器件布局：上層為放電回路，下層為充電回路及控制回路。（2）布線規律：在設計時，合理的布線不僅可使電路美觀，還可降低導線之間的干擾，使實驗達到理想的效果。（3）絕緣設置：布置高壓部分時使用較粗的外包較厚絕緣層內置塑料保護層的高壓線。對于低壓部分，如控制回路只選用較細導線即可。在對導線進行焊接后，對于暴露在空氣中的接頭會使用橡膠管進行包裹。（4）焊接工藝：本設備所用的是高溫焊錫。（5）電磁屏蔽：此設備最終放置在防雷實驗室中供日常教學使用，由于防雷實驗室有著高規格的電磁屏蔽系統，所以儀器本身基本不會受到電磁脈沖的干擾。

3.5 使用說明及參數

（1）充電電壓：范圍：0-10kV，由數字表顯示。（2）組合波輸出及測量：組合沖擊波輸出通過沖擊分壓器進行測量，可通過前面板上的BNC插座，供外接示波器測量，并得到相應數據。（3）接地：本測試儀為金屬外殼，通過后面板上的接地端接地。（4）電源：交流220V±10%，50Hz，150W。（5）體重：30kg

3.6 操作流程

（1）檢查沖擊發生器接地、供電電壓以及供電回路是否正確；（2）正確連接試品；（3）確認電壓調節旋鈕在逆時針到底位置；（4）按下電源按鈕；（5）按下高壓合按鈕；（6）順時針旋轉電壓調節旋鈕，一邊緩慢旋轉，一邊觀察數字表所顯示充電電壓的數值，當數字表顯示的數值穩定在所需要的電壓時，停止旋轉；（7）按下觸發按鈕，輸出波形；（8）用示波器測量輸出波形，測量輸出電壓和電流；（9）實驗結束，將電壓調節旋鈕逆時針旋轉至底位置；（10）按下高壓分旋鈕；（11）關閉“電源”。

4 結束語

本次研制的雷電（1.2/50μs、8/20μs）組合波沖擊設備主要有以下優點：（1）組合波發生器電路設計簡單，控制方便，性能穩定，操作方便。（2）高壓放電回路，采用以大地為參考電信號，操作人員安全，以免發生觸電危險。（3）組合波發生回路的電壓、電流波的誤差在標準規定的范圍內，且誤差較小。（4）控制電路采用繼電器自鎖結構，避免出現充放電同時出現的現象，避免高壓造成的危險。（5）組合波發生器中高壓電路的設計采用無感電阻的繞制方法，測量精度高，誤差小，抗干擾能力強。（6）采樣電流采用自積分式羅氏線圈，有測量精度高、誤差范圍小、靈敏度高等特點。