CN105572436A - 一种20脉冲多波形冲击发生器 - Google Patents
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Abstract
一种20脉冲多波形冲击发生器，包括变压器充电装置、20个本体电容储能装置、20路防电球隙、20套调波装置和试品箱；所述变压器充电装置、所述20个本体电容储能装置、所述20路防电球隙和所述试品箱依次连接；所述变压器充电装置和所述20个本体电容储能装置均连接到所述20套调波装置；所述20个本体电容储能装置之间并联设置，所述20路防电球隙之间并联设置，所述20套调波装置之间并联设置；所述试品箱接地，所述20套调波装置连接到所述试品箱的接地线上。本发明闪击数量在1～20个，能够实现多路高电压放电同时序精确可控。
Description
技术领域
本发明涉及信号发生器技术领域，尤其是涉及一种20脉冲多波形冲击发生器。
背景技术
观测数据表明全球每年发生超过12亿次雷击。每次闪电过程包含一次或多次大电流放电过程，如果首次放电后闪电停止，则为单闪击放电，否则为多闪击放电。
雷电观测统计回击次数典型值为3-4个，最多可达26个。在大多数地区，多闪击放电是雷电放电的主要形式。闪击之间的间隔从数十μs到数ms，典型值是50μs，最大值为125μs。
目前实验室雷电发生设备普遍为单闪击雷电设备，如电力采用用8/20μs和4/10μs，低压防雷采用的8/20μs和10/350μs发生装置，该类设备仅能够进行单一时序的单闪击雷电过程模拟，无法满足复杂环境下对雷电状态和雷电时序的高要求。
国外在这方面也已经有惨重教训和成功的经验，如阿波罗11号发射前遭受两次雷击，航天员紧急制动才避免了灾难性后果的发生。卫星和飞机等航天航空器屡受雷击，也表明现有的雷电发生装置和测试技术的局限性。因此上世纪70年代开始，美国宇航局就摒弃了单一时序单闪击雷电的理念，采用了四闪击雷电模型。其四闪击雷电波形包括两个快速闪击，一个长时间放电过程和一个短回击过程。实践表明，采用多闪击雷电模型比单闪击雷电过程更加接近真实放电过程，更加有利于雷电防护技术的研究和进步。
截至目前，在民用领域国内外仍然采用的单一时序单脉冲雷电测试平台，已经越来越不能满足防雷行业发展的需求。然而最近十多年人工雷电监测和人工引雷的结果表明，实际雷击是多次闪击，连续发生的多时序放电过程。其特点是初始雷电放电能量大，后续回击过程能量较小且均匀即雷电放电可视为多脉冲闪击过程。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的20脉冲多波形冲击发生器，解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种20脉冲多波形冲击发生器，包括变压器充电装置、20个本体电容储能装置、20路防电球隙、20套调波装置和试品箱；
所述变压器充电装置、所述20个本体电容储能装置、所述20路防电球隙和所述试品箱依次连接；所述变压器充电装置和所述20个本体电容储能装置均连接到所述20套调波装置；所述20个本体电容储能装置之间并联设置，所述20路防电球隙之间并联设置，所述20套调波装置之间并联设置；
所述试品箱接地，所述20套调波装置连接到所述试品箱的接地线上。
还包括自动控制测量分析系统，所述自动控制测量分析系统连接到并控制所述变压器充电装置、所述20路防电球隙和所述试品箱。
在机械结构布局上采用冲击放电典型回路，电容器组以公共圆心，扇形排列。
所述20路放电球隙均采用光电位移编码器。
还包括电容，每组所述电容上增加一只充电电阻。
所述20路防电球隙中的每个放电球隙都对应设置一个单电机。
本发明研究20脉冲多波形雷电电磁脉冲发生系统与测试技术的研究不但填补了国内同类装置的空白，为防雷技术研究提供了完善而先进的测试平台。20脉冲多波形雷电电磁脉冲发生系统，能够输出以下六种波形：
1)20脉冲8/20us冲击电流：40kA；
2)20脉冲2.6/40us冲击电流:10kA；
3)单一8/20us大电流:150kA；
4)单一10/350us冲击电流:25kA；
5)组合波:20kV/10kA；
6)冲击电压:20kV；
同时序多闪击发生系统必须解决同时序控制和多路放电技术，20通道高速数据采集、多闪击波形数值重建、放电过程能量计算、雷电过程能量分布和分析、雷电防护装置测试等关键技术。其中多时序触发控制是难点和重点。
一般电子控制信号的强度为5V，信号门限一般在2V左右。本套系统工作在强雷电放电过程产生的强烈电磁环境下，电磁干扰强度在数十伏/m。在较小的空间里实现电子控制信号的传输和控制，在极强电磁环境中实现信号的可靠控制，是发生系统研究的关键。
1)主要部件
变压器充电装置，20个本体电容储能装置，20路放电球隙，20套调波装置，试品箱，自动测量分析测试系统
2)原理图(含图注)
同时序多闪击发生系统必须解决同时序控制和多路放电技术，20通道高速数据采集、多闪击波形数值重建、放电过程能量计算、雷电过程能量分布和分析、雷电防护装置测试等关键技术。其中多时序控制是难点和重点。
一般电子控制信号的强度为5V，信号门限一般在2V左右。本套系统工作在强雷电放电过程产生的强烈电磁环境下，电磁干扰强度在数十伏/m。在较小的空间里实现电子控制信号的传输和控制，在极强电磁环境中实现信号的可靠控制，是发生系统研究的关键。
首先要解决的是系统在电磁瞬变环境中的正常工作，必须对多闪击雷电过程的频谱和分布进行分析，避免控制信号和雷电放电脉冲工作在统一频段。由于多时序和变时序闪击存在多种组合，难以准确测定确定的频段。因此创造性地提出在电子控制中采用分时控制的方法，针对不同闪击时序，改变控制脉冲时延控制模式，避免控制信号收到干扰。
高电压多路放电采用极陡脉冲发生器，输出上升时间为百ns级的高电压触发信号，触发放电电极。
同时序多闪击发生系统必须依靠更加先进的测量系统和专家软件系统，方能够发挥其测试功能。在发生系统设计和建设过程中，采用智能化设计，同步建立基于能量计算和分布的专家分析系统，为后续测试平台提供强大的软环境。
发生系统将立足已经成功进行测试的双路放电发生系统的基础上，进一步改进和提高，运用工业工程设计思想，将专业测试机构、高校课题组和专业研发生产企业有机结合在一起。
电气原理和结构设计
冲击电流发生器的原理上包括整流充电电源和冲击放电回路两部分。冲击电流发生器的原理图，如图3。
图中C为许多并联电容器的总电容值，L及R为包括电容器、回路连线、分流器、球间隙及被试品在内的电感和电阻值，有时也包括为了调整电流波形而加入的电感和电阻。分流器S是用来测量流过被试品的电流，分压器PD是用来测量被试品上的电压。从分流器和分压器取出的信号送入示波器进行测量。
多路冲击电流发生器的作用原理与单路雷电冲击电流发生器基本相同。在比较长的时间内电容器组C被整流电源充电到电压UU，然后送一触发脉冲Usk到三电极间隙G，使G击穿，在短时间内电容器组C把所获得的能量释放给被试品，使被试品获得很大的功率。为了获得很大的冲击电流幅值和陡度，冲击电流发生器放电回路的电感应尽可能的小。
因此在机械结构布局上采用冲击放电典型回路，电容器组以公共圆心，扇形排列，以达到所有放电回路最佳放电效果。
每路放电装置都可以独立控制放电时序，也可以独立进行测试。
多路雷电冲击电流并联输出，能够输出较高幅值，20路并联，能够达到150kA以上。
3)图注内容的逻辑关系(变压器充电装置，20个本体电容储能装置，20路放电球隙，20套调波装置，试品箱，自动控制测量分析系统)
4)逻辑关系：先将DUT(待测试品)按照实验要求固定在试品箱中，检查符合试验条件。开始试验时，打开电源，变压器充电装置对20个本体电容储能装置充电，充电时间间隔和充电电压可以预先在自开发的测量控制分析系统上的触摸屏设置，当充电电压达到设定值后，经触发系统装置自动触发，20个本体电容储能装置就可经过20套调波装置，通过20路放电球隙输出依据标准所需波形。实验结果的测量分析报告都可在自动控制测量分析系统中获得。
一、主要创新点：
1)20脉冲多波形发生器，延时放电不同步，波形叠加，延时不正常；解决方法：增加脉冲放大器的屏蔽功能；
2)20脉冲多波形发生器的20个放电球隙，常规冲击电流设备只有一个放电球隙，因为20脉冲设备的多放电球隙，有时候放电球隙调整精度不够，触发放电不稳定，放电时部分放电球隙放电，一部分放电球隙不放电；
解决方法：采用光电位移编码器，更换原有的直线电位器；
3)20脉冲多波形发生器具有64个调波电阻，数量多，在测试的时候相互之间会产生放电，导致要实现的波形数据不准。
解决方法：调整调波电阻的尺寸，以便增加绝缘距离；
4)20脉冲多波形发生器在充电过程中，放电球隙突然自放，产生瞬间大电流，破坏试品
解决方法：在每组电容上增加一只充电电阻；
5)20脉冲多波形发生器试验，设置延时时间偏长，波形呈现下降趋势，实际电流不发生改变
解决方法：分析原因为测量线圈磁饱和，更换大容量线圈满足试验需求；
6)20脉冲多波形发生器一个电机控制二个放电球隙的调整，造成二个放电球隙不能进行单独的微调，产生触发不稳定
解决方法：增加10个电机，单电机对应控制单放电球隙；
本发明的有益效果可以总结如下：
本发明主要技术指标瞄准国际首创或国际领先，最大输出脉冲数量和幅值属国内最大，国际领先。闪击数量在1～20个，国外文献可查的最多闪击数量为4个。20脉冲放电控制技术在国内外均为首创，填补空白。
本发明研究多闪击放电控制技术，开发微秒级电子延时控制技术，极陡高压脉冲放大器和光纤传输系统，实现多路高电压放电同时序精确可控。研发高速数字测量系统，实现多闪击波形重建、能量计算和数值仿真专家系统。重点开展不同雷击过程中单一闪击与多闪击、同时序和变时序、正极性和负极性闪击之间能量和效应研究。
本发明通过20脉冲多波形雷电发生系统的研发，可取得多回路放电延时控制、多路同步高速测量技术、正负极性多闪击能量控制、单一和多闪击雷击效应研究、电子设备在多闪击下系统的电磁兼容性、防雷产品在多闪击下的可靠性、失效分析等多项研究成果。
本发明开展防雷产品测试和相关技术研究，为防雷新技术和防护产品的开发提供科学依据，提高我国防御雷电灾害的能力。
附图说明
图1为20脉冲多波形冲击发生器设备图；
图2为20脉冲多波形冲击发生器设备立体图；
图3为20脉冲多波形冲击发生器原理简图；
图4为20脉冲多波形冲击发生器原理逻辑图；
图5为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中16路脉冲波形图；
图6为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中20路脉冲波形图；
图7为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中1路脉冲波形图；
图8为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中4路脉冲波形图；
图9为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中7路脉冲波形图；
图10为2.6/40us11kA的20脉冲波形测试表中13路脉冲波形图；
图11为充电5kV，设置脉冲间隔200us的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图12为充电5kV，设置脉冲间隔200us的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图13为充电20kV，设置脉冲间隔10ms的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图14为充电20kV，设置脉冲间隔10ms的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图15为充电20kV，设置脉冲间隔100ms的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图16为充电20kV，设置脉冲间隔100ms的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图17为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中20路脉冲波形图；
图18为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中1路脉冲波形图；
图19为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中4路脉冲波形图；
图20为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中5路脉冲波形图；
图21为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中8路脉冲波形图；
图22为8/20us40kA的20脉冲波形测试表中13路脉冲波形图；
图23为充电5kV，设置脉冲间隔100us的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图24为充电5kV，设置脉冲间隔100us的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图25为充电10kV，设置脉冲间隔10ms的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图26为充电10kV，设置脉冲间隔10ms的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图27为充电20kV，设置脉冲间隔100ms的20路脉冲延时测试表中序号1的电路波形图；
图28为充电20kV，设置脉冲间隔100ms的20路脉冲延时测试表中序号4的电路波形图；
图29为10/350us25kA的20脉冲波形测试表中1路脉冲波形图；
图30为10/350us25kA的20脉冲波形测试表中3路脉冲波形图；
图31为10/350us25kA的20脉冲波形测试表中4路脉冲波形图；
图32为10/350us25kA的20脉冲波形测试表中6路脉冲波形图；
图33为8/20us150kA的20脉冲波形测试表中4路脉冲波形图；
图34为8/20us150kA的20脉冲波形测试表中6路脉冲波形图；
图35为8/20us150kA的20脉冲波形测试表中1路脉冲波形图；
图36为8/20us150kA的20脉冲波形测试表中3路脉冲波形图；
图37为8/20us1.2/50us组合波波形测试表中1路脉冲波形图；
图38为8/20us1.2/50us组合波波形测试表中4路脉冲波形图；
图39为8/20us1.2/50us组合波波形测试表中6路脉冲波形图；
图40为8/20us1.2/50us组合波波形测试表中8路脉冲波形图；
图41为开路电压波形测试表中1路脉冲波形图；
图42为开路电压波形测试表中4路脉冲波形图；
图43为开路电压波形测试表中5路脉冲波形图；
图44为开路电压波形测试表中8路脉冲波形图；
图45为1.2/50us冲击电压波形测试表中1路脉冲波形图；
图46为1.2/50us冲击电压波形测试表中4路脉冲波形图；
图47为1.2/50us冲击电压波形测试表中5路脉冲波形图；
图48为1.2/50us冲击电压波形测试表中8路脉冲波形图；
图49为动作负载移相触发测试表中2路脉冲波形图；
图50为动作负载移相触发测试表中3路脉冲波形图；
图51为动作负载移相触发测试表中6路脉冲波形图；
图52为动作负载移相触发测试表中5路脉冲波形图；
图53为充电5kV，设置脉冲间隔100us的20路脉冲延时测试表中序号5的电路波形图；
图54为充电10kV，设置脉冲间隔10ms的20路脉冲延时测试表中序号5的电路波形图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图4所示的一种20脉冲多波形冲击发生器，包括变压器充电装置、20个本体电容储能装置、20路防电球隙、20套调波装置和试品箱；所述变压器充电装置、所述20个本体电容储能装置、所述20路防电球隙和所述试品箱依次连接；所述变压器充电装置和所述20个本体电容储能装置均连接到所述20套调波装置；所述20个本体电容储能装置之间并联设置，所述20路防电球隙之间并联设置，所述20套调波装置之间并联设置；所述试品箱接地，所述20套调波装置连接到所述试品箱的接地线上。
在更加优选的实施例中，所述20脉冲多波形冲击发生器还包括自动控制测量分析系统，所述自动控制测量分析系统连接到并控制所述变压器充电装置、所述20路防电球隙和所述试品箱。
在更加优选的实施例中，在机械结构布局上采用冲击放电典型回路，电容器组以公共圆心，扇形排列。
在更加优选的实施例中，所述20路放电球隙均采用光电位移编码器。
在更加优选的实施例中，所述20脉冲多波形冲击发生器还包括电容，每组所述电容上增加一只充电电阻。
在更加优选的实施例中，所述20路防电球隙中的每个放电球隙都对应设置一个单电机。
在某个具体的实施例中：
6种试验波形和动作负载试验涉及到的外文词汇如下：其中current：电流，T1：雷电波波头时间，T2：雷电波波尾时间，IpMax：冲击电流峰值，IpMin：冲击电流最小值，K：反峰值，TimeBace：时基，Trigger：触发通道，Ch1：示波器通道1，Ch2：示波器通道2。
1.2.6/40us20脉冲波形测试：
●11kA短路电流测试:
短路波形测试：将发生器输出端短路，按照表1充电进行冲击测试，记录各试验波形图号。
表111kA短路电流测试数据表
●20路脉冲延时测试
充电5kV，设置脉冲间隔200us。测试10次，前5次正极性测试，后5次负极性测试，记录相关参数，
充电20kV，设置脉冲间隔10ms。测试6次，前3次正极性测试，后3次负极性测试，记录相关参数，
充电20kV，设置脉冲间隔100ms。测试6次，前3次正极性测试，后3次负极性测试，记录相关参数，
判定结果：合格
2.8/20us波形测试：
●40kA短路电流测试:
短路波形测试：将发生器输出端短路，按照表2充电进行冲击测试，记录各试验波形图号
表240kA短路电流测试数据表
●20路脉冲延时测试
充电5kV，设置脉冲间隔100us。测试6次，前3次正极性测试，后3次负极性测试，记录相关参数，
充电10kV，设置脉冲间隔10ms。测试6次，前2次正极性测试，后2次负极性测试，记录相关参数，
充电20kV，设置脉冲间隔100ms。测试6次，前3次正极性测试，后3次负极性测试，记录相关参数，
判定结果：合格
3.10/350us波形测试：
●25kA测试,将发生器输出端短路，正负各3次进行冲击测试，记录各试验波形图号
判定结果：合格
4.8/20us大电流测试—150kA
1150kA测试,将发生器输出端短路，正负各3次进行冲击测试，记录各试验波形图号
判定结果：合格
5.8/20us1.2/50us组合波波形测试：
短路电流波形测试：将发生器输出端短路，按照表3充电进行冲击测试，记录各试验波形图号
表38/20us1.2/50us组合波波形测试数据表
开路电压波形测试：将发生器输出端开路，按照表4充电进行冲击测试，记录各试验波形图号
表48/20us1.2/50us组合波开路电压波形测试数据表
判定结果：合格
6.1.2/50us冲击电压波形测试：
开路电压波形测试：将发生器输出端开路，按照表5充电进行冲击测试，记录各试验波形图号。
表51.2/50us冲击电压波形测试数据表
判定结果：合格
7.动作负载移相触发测试
采用点火触发，按下表设置相位角度，测试实际角度
| 序号 | 设置角度 | 实测角度 | 角度偏差 | 图号 |
| 1 | 30° | 30.6 | 0.6 | 2858 |
| 2 | 60° | 61.2 | 1.2 | 2859 |
| 3 | 90° | 90 | 0 | 2855 |
| 4 | 180° | 181.8 | 1.8 | 2860 |
| 5 | 270° | 271.8 | 1.8 | 2861 |
| 6 | 360° | 361.8 | 1.8 | 2863 |
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：包括变压器充电装置、20个本体电容储能装置、20路防电球隙、20套调波装置和试品箱；
所述变压器充电装置、所述20个本体电容储能装置、所述20路防电球隙和所述试品箱依次连接；所述变压器充电装置和所述20个本体电容储能装置均连接到所述20套调波装置；所述20个本体电容储能装置之间并联设置，所述20路防电球隙之间并联设置，所述20套调波装置之间并联设置；
所述试品箱接地，所述20套调波装置连接到所述试品箱的接地线上。
2.根据权利要求1所述的20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：还包括自动控制测量分析系统，所述自动控制测量分析系统连接到并控制所述变压器充电装置、所述20路防电球隙和所述试品箱。
3.根据权利要求1所述的20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：在机械结构布局上采用冲击放电典型回路，电容器组以公共圆心，扇形排列。
4.根据权利要求1所述的20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：所述20路放电球隙均采用光电位移编码器。
5.根据权利要求1所述的20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：还包括电容，每组所述电容上增加一只充电电阻。
6.根据权利要求1所述的20脉冲多波形冲击发生器，其特征在于：所述20路防电球隙中的每个放电球隙都对应设置一个单电机。
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2014
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