20 kA台式8/20μs冲击电流发生器设计

为解决传统8/20μs冲击电流发生器体积庞大、不易转场测试以及气体火花间隙开关触发稳定性较差的问题,通过研究直流高压脉冲电源技术、气体火花开关技术、半导体开关技术,提出了一种20 kA台式8/20μs冲击电流发生器的设计方案。阐述了方案的基本组成、工作原理,详细描述了微控制单元(MCU)、直流高压产生电路以及冲击电流产生电路设计。原理样机体积仅为传统设备的1/10左右,脉冲触发成功率100%。系统便捷性、稳定性得到了有效提升,并配套开发了人机交互系统。设计的冲击电流发生器对脉冲功率技术的工程应用具有积极作用。

不同源阻抗8/20μs冲击电流下的MOV动态性能仿真

为研究不同源阻抗的8/20μs冲击电流下,金属氧化物压敏电阻(metal oxygen varistor,MOV)冲击残压存在很大差异的课题,建立了MOV的仿真模型,在相同预期短路条件下对10、20、30kA3个通流量级的冲击残压进行了研究,并结合Haefely persurge30.2和ICGS两种源阻抗相差较大设备的实测数据分析,得出:①冲击电流越小,试品动态阻抗越大,适合用其最小冲击电流来测试非线性试品,以工程计算设备的带负载能力;②不同预期短路电流下,不同源阻抗冲击电流回路测试不同试品时,通流容量越小的试品表现出来的电压敏感性越大,大通流的试品在大电流冲击下受源阻抗的影响较小,因此宜选用小通流容量的MOV来对比不同发生器的性能。

8/20μs雷电流作用下熔断器工作性能影响因素仿真研究

通过对熔断器熔体在8/20μs雷电流作用下温升过程数学模型的推导及分析,认为熔体材料热传导系数、常温电阻率、环境温度及熔体异常断裂均有可能影响熔体温升过程,进而影响熔断器工作性能。在对某熔断器熔体结构进行合理简化,并针对实际情况提出相关假设的基础上,利用Ansys有限元软件建立熔体热电耦合有限元模型,对正常熔体及受上述4种因素影响熔体在不同雷电流幅值作用下温升情况进行了仿真,得到了不同情况下熔断器的雷电流幅值-弧前时间特性曲线。由仿真结果可知,这4种影响因素均会影响雷电流作用下熔体温升速度,进而影响熔体温升过程,从而改变熔断器在雷电流幅值作用下的弧前时间,可能造成熔断器发生熔断,导致熔断器工作性能下降。最后通过对仿真结果的分析比较,提出4种保障熔断器安全正常运行的措施。

雷电(1.2/50μs、8/20μs)组合波冲击设备的开发与应用

组合波信号发生器(CWG)主要应用于浪涌保护器或电子设备电磁兼容试验,要求在虚拟阻抗Z为2Ω的情况下,输出1.2/50μs开路电压波和8/20μs短路电流波。目前,市场上的雷电组合波冲击设备的参数一般为6000V、3000A,而本次设计的雷电组合冲击波设备的参数被提高到10000V、5000A,提高了其冲击性能,能更好地进行冲击试验。

8/20μs雷电流测量用罗氏线圈骨架截面研究

根据8/20μs雷电流的特性,在分析Rogowski线圈测量原理的基础上,结合对其动态特性的仿真,得出长方形骨架截面比圆形骨架截面误差更小的结论。并设计了骨架截面宽长比为4的自积分Rogoswki线圈,较好的满足了自积分式Rogoswki线圈测量精度的要求,证明了Rogoswki线圈适合于对快速变化的大幅值雷电流的测量。最后分析了造成Rogoswki线圈测量误差的主要原因。

为什么“行管”要在扫描正程前半段提前18～20μs导通?

我们知道,在行扫描正程的前半段,阻尼二极管导通状态,流过它的电流i_0大致从(Z_(p-p)/2逐渐减小到零。因为二极管是一种非线性元件,在大电流时它的内阻是很小的,随着电流的减小,其内阻逐渐增大,因而锯齿波电流在较小时就会出现非线性,如图1所示。

工频过电压耐受下氧化锌压敏电阻冲击老化性能研究

针对氧化锌压敏电阻芯片在8/20μs电流冲击初期,芯片压敏电压变化较小,老化程度无法通过静态参数判别的问题,本文设计了工频过电压耐受下的ZnO压敏电阻冲击老化试验,研究了ZnO压敏电阻芯片不同冲击老化情况,耐受工频恒定不同幅值过电压过程和耐受阶段流经芯片内部电流Iin随时间的变化关系;结合双肖特基势垒理论和ZnO压敏电阻芯片Voronoi网格微观结构模型,分析试验结论。结果表明:耐受工频恒定相同幅值过电压,ZnO压敏电阻芯片经8/20μs电流冲击后老化程度越深其流过芯片内部电流Iin的初始值越大;且lin值随时间上升速率与初始冲击老化程度呈正比;相同老化程度ZnO压敏电阻芯片耐受过电压幅值越大,耐受时间越短,Iin的初始值越大。这些可为ZnO压敏电阻冲击老化劣化初期判别提供依据。

ZnO压敏防雷芯片工频耐受与通流能力的相关性

为了研究ZnO压敏防雷芯片的工频过电压耐受特性和8/20μs通流能力的相关性,在生产线上抽取同批次产品进行工频过电压耐受试验和8/20μs通流能力试验。研究结果表明:工频过电压老化后会使压敏电阻的通流能力下降,但经过8/20μs雷电流峰值20 kA冲击后,压敏电阻的工频过电压耐受能力会增强,在冲击15次左右时达到最大值,随着冲击次数的增多,工频过电压耐受能力会降低。

暂态过电压预处理对氧化锌压敏电阻冲击性能的影响

针对氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varistor,MOV)芯片在实际工作环境中会遭受过电压作用问题,设计了暂态过电压预处理后MOV耐受冲击老化试验,研究了不同幅值工频交流暂态过电压5 s作用下MOV芯片耐冲击老化性能变化。试验结果表明:MOV芯片经暂态过电压预处理后压敏电压升高,耐8/20μs电流波冲击次数增多;暂态过电压预处理后芯片冲击过程中压敏电压呈现下降-保持-下降过程,与未经预处理芯片压敏电压变化过程有所不同。结合双肖特基势垒导电机理推论出工频交流瞬时过电压作用下,氧化锌晶界两侧势垒高度变化过程,并经过试验数据分析证明此推论的合理性。为研究暂态过电压对MOV冲击性能影响及生产厂家预老化工艺的合理性提供试验依据。

宽频雷击电流传感器理论研究与实验

在高频大暂态电流测量中,传统电磁式电流互感器测量存在波形失真的现象,基于此点不足和根据8/20μs标准雷电流的特性,设计了能较好地用于该类雷击电流幅值及波形测量的宽频雷击电流传感器,并进行仿真、设计及性能测试。试验结果表明:该宽频雷击电流传感器的理论仿真设计与实际测试性能相符,较好地满足了雷击电流测量精度要求,并且可以测量的电流频率范围为743 Hz^394 MHz,灵敏度为111.3 m V/k A,依据实际测试性能显示,该雷击电流传感器适用于各类快速变化的大幅值雷电流测量,并且具有较好的准确度、线性度以及较高的灵敏度。

铁路通信电源冲击电流试验分析及实施

介绍了一种铁路通信电源系统冲击电流发生器的设计原理,分析了欠阻尼状态下的冲击电流发生器的电流放电特性。提出了冲击电流发生器在欠阻尼状态下所产生的8/20μs电流波形接近直击雷,得出了影响放电电流波形的参数,并指出调节电流波形的幅值和陡度的方法。

氧化锌压敏电阻8/20 μS脉冲电流下的伏安特性曲线分析

氧化锌压敏电阻器在8/20μS脉冲电流下的伏安特性曲线,在电流上升沿和和下降沿呈现不重合的回线特征。本文以压敏陶瓷体在击穿后的电流区以非线性电阻、晶粒电阻、等效电感和引出电阻相串联的物理模型为基础,提出陶瓷体等效电感、电极等效电感和引线电感共同构成压敏电阻的等效串联电感,电极等效电阻和引线等效电阻共同构成引出电阻,串联电感形成回线特征。按照这一模型,用测量数据可以推算出不同电流点的串联电感值,等效电感值是一个常数,并可推断陶瓷体等效电感确实存在且为常数。可以确认,除了引出电感(含引线电感和电极等效电感)外,伏安特性的回线特征是压敏陶瓷体的本征特性。

不同脉冲电流作用下氧化锌压敏电阻伏安特性分析

传统MOV(氧化锌压敏电阻)主要用于后级保护,不进行10/350μs波形冲击测试。随着MOV通流量等性能的提升,已有部分MOV产品应用于首级高暴露区线路,此时有必要开展MOV在10/350μs波形冲击下的性能研究。根据双肖特基势垒模型,结合离子迁移理论,首次对MOV在10/350μs与8/20μs冲击波形下的动态伏安特性曲线进行对比分析得出:在两种脉冲电流冲击下,动态伏安曲线都可以用一个峰值△U来校准测量值;两者的动态伏安曲线中后期都有一个先上升后缓慢回环下降的趋势,前期10/350μs的动态伏安曲线上升速度比8/20μs快;大电流冲击下两者的峰值电压超前峰值电流的时间同冲击电流幅值成正比。这为厂家生产用于一级低压配电侧的MOV产品提供借鉴意义。

脉冲电容器残余电荷对MOV残压影响的试验研究

基于GB18802.1-2011,对MOV进行8/20μs冲击电流试验时,经常发现当冲击电流归零后,残压或者持续一段时间归零(正峰)、或者过零(反峰)后再归零。为解释这一普遍存在的试验现象,对冲击试验回路在带负载情况下进行了等效电路分析,并利用试验得出:由于冲击后主回路开关不能迅速切断回路,使电容器上残余电荷形成的电压加在试品上导致电流过零后还存在残压,其值等于电容器残余电荷形成的电压,持续时间为开关关断所用时间。

平行于雷电流通道同轴线耦合特性分析

针对舰船桅杆和高塔上的同轴线缆近距离耦合雷电电磁脉冲的问题,通过对同轴耦合理论的分析,建立同轴线缆近距离耦合雷电电磁脉冲的实验模型。采用组合波发生器模拟8/20μs雷电流波形,用长1 m直径16 mm的金属棒模拟雷电通道并作为辐射源,改变同轴线缆的长度以及距辐射源的距离进行试验。得出以下结论:同轴线缆近距离耦合雷电波时,线缆终端所得的电压波形仍为双指数波,在0.1~0.4μs有强烈的阻尼震荡,当线缆终端开路或接匹配电阻时,上升沿时间较短,约为1μs;当线缆终端屏蔽层接地时,上升沿时间变长,约为10μs。同轴线缆近距离耦合到的峰值电压以及能量与线缆长度呈正相关,与距辐射源的距离成反相关。线缆所耦合到的能量主要来自低频部分,100 Hz以下有多个能量峰。采用拟合曲线,由实验数据可得,当同轴线缆终端开路,雷电流达30 kA,线缆长度为30 m,距雷电通道15 cm处,线缆终端耦合到的线间电压峰值达66 V。这在实际的电磁脉冲防护应用中,有一定的指导意义和价值。

基于试验的MOV长波与短波通流容量的折算关系研究

采用冲击电流发生器,对不同厂家、不同压敏电压(U1 mA)的20 kA标称放电电流(In)金属氧化物压敏电阻(MOV)施以长波10/350μs和短波8/20μs冲击电流,以期考察MOV耐受长波与短波冲击电流的折算关系。实验结果表明:MOV在长波和短波下的通流容量折算关系与MOV的压敏电压相关,其折算值与压敏电压成正比例的关系,相比于短波,长波电流耐受能力随压敏电压升高而减弱;通过实验得出,MOV在短波和长波冲击下的通流容量比值为:当压敏电压为430 V时14.44倍,当压敏电压为620 V时16.32倍,当压敏电压为910 V时22.27倍。

氧化锌压敏电阻片重复电荷转移实验对工频电压的影响

IEC 60099-4:2014避雷器国际标准以重复电荷转移能力试验替代长持续时间电流冲击耐受试验,特对不同厂家、不同配方的电阻片进行测试。实验表明:RL配方的电阻片重复电荷转移前后工频电压变化超出标准规定5%的限值,通过8/20μs雷电正反各筛选一次,然后再进行重复电荷转移实验或重复电荷转移实验过程中正反向交叉测试,可使RL配方电阻片重复电荷转移测试前后工频电压变化率<5%,在标准范围内。