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。

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。

基于电子电路仿真软件(PSPICE)的MOV全电流仿真模型的建立

MOV(metal oxide varistors)被广泛应用在低压配电系统的后续雷击防护中,MOV的应用特性已被广泛研究。但为了便于设计,常常需要借助仿真手段进行初步研究来对MOV进行选型;因此MOV的建模便成了重要的一方面。基于PSPICE,考虑了MOV在小电流区的伏安特性和快速脉冲作用下响应特性,并转化成电路模型,给出了MOV在全电流下的模型;并利用8/20μs冲击电流发生回路和上升时间为2 ns的方波回路进行实测。仿真验证了模型的可行性。这对工程设计有一定的应用价值。

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。

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。

基于便携式仪器的1000kV输电杆塔接地装置冲击阻抗测试研究

为大规模开展特高压1 000 kV输电杆塔接地装置的冲击阻抗特性测试,采用便携小型化仪器输出小幅值8/20、10/350μs雷电流作为入射波并采集接地装置的暂态响应电压,从而获取接地装置在模拟直击雷、感应雷工况下的冲击阻抗特性。基于标准电阻对仪器进行了试验测试,验证了该装置测试结果的准确性。对上海电网1 000 kV安塘线典型输电杆塔存在地线分流和无地线分流的条件下,对接地装置进行了冲击阻抗特性测试。结果分析表明,便携小型化仪器能够稳定输出8/20、10/350μs雷电流,测试结果以图形化输出,分析结论可以反应雷电流通过输电杆塔接地装置泄放时造成的冲击暂态地电位升,即较工频接地阻抗高许多倍的瞬时冲击阻抗特性。总之,该测试方法适合用于输电杆塔接地装置冲击阻抗的现场测试,为1 000 kV输电杆塔防雷性能评估提供依据。

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。

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。

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。

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。

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。

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。