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基于动电极气体火花间隙开关的窄脉冲发生器

2024-10-18 128 上传者：管理员

摘要：配网系统在获取电缆线路故障信息时，常常采用向线路端点注入脉冲信号的行波法。然而，目前用于电缆故障定位的低压脉冲会因线路上的衰减而影响诊断精度，而高压脉冲则容易对线路绝缘造成二次伤害。为此提出一种基于动电极气体火花间隙开关的窄脉冲发生器，可以在不影响线路绝缘水平的情况下产生高电压、快前沿的电磁脉冲信号。实验测试结果显示，所设计的基于传递电容脉冲压缩的窄脉冲发生器脉冲上升沿约为4 ns，脉宽约为60 ns，可有效满足配网电缆的故障检测需求。

关键词：
火花间隙开关
电网线路
脉冲压缩
脉冲发生器
配电网
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当配电网线路出现故障时，往往需要通过分析线路各类电参数的变化对故障进行识别和定位。特别是在停电检修时，为了对线路的沿线绝缘水平进行快速检查，可以在线路的端点处注入脉冲信号，分析线路上的行波过程，进而获得故障信息[1-2]。与被动测量相比，主动注入脉冲信号受线路故障类型、故障电阻和线路终端负荷的影响较少，误差更小[3]。然而，受脉冲产生和测量技术的限制，目前用于电缆故障定位的脉冲电压通常幅值较低，仅几伏特至几十伏特，会因在线路上的衰减而影响诊断距离，且无法有效分辨较为微弱的高阻类故障[4]。而高压脉冲通常用于闪络型故障，通过将电缆的缺陷处击穿测量反射信号，但高压脉冲仅为了替代直流高压将故障点击穿，没有考虑脉冲源本身的信号特征，且会对线路造成二次伤害[5]。由于线路本身设计具有一定的工频或直流耐压水平，除故障点处以外对脉冲的耐受能力并不低。特别是持续时间很短的窄脉冲，通常冲击系数很高，即使幅值较高也不会对线路本身的绝缘水平产生太大的影响。

在配网线路故障诊断与测距时，无论采用传统的时间差法还是空间谱变换法，都需要测量激励信号在终端上的瞬态响应。显然，激励信号的上升沿越陡，对应的空间谱分辨率越高，故障定位的精度就越准[6]。因此，有必要研究用于配电网故障检测的窄脉冲产生技术，通过产生高电压、快前沿的电磁脉冲信号，激励配电网线路，以便在终端获得更好的响应信号，从而用于进一步的故障诊断与测距[7]。

1、脉冲发生器基本原理

脉冲发生器是产生具有快速上升沿、瞬时高功率的能源装置，其信号输出特性为近似双指数波[8]。脉冲发生器的工作原理如图1所示。直流高压电源对储能电容器充电后，在气体间隙开关闭合时对负载放电，实现双指数波的波尾[9]，波头则通过调节回路的电感实现，脉冲分压器与负载并联并通过示波器监测和记录脉冲电压波形。为了使波形的上升速度更快，前沿更陡，通常还会增加一级由电容和自击穿开关构成的峰化电路[10]。调节直流电源的输出电压，通过控制触发气体火花开关的导通，可以得到不同峰值电压的脉冲，以满足不同的试验要求。

图1 高压脉冲源原理框图

产生高压脉冲的典型技术途径是采取电容器经电感向电阻性负载放电的方法。电容放电式脉冲源等效电路如图2所示[11]，该RLC回路当开关S在t=0时刻接通，电路方程为：

图2 脉冲源等效电路

式(1)所示方程为二阶常系数微分方程，设电容C上的电压降为uc(t)，利用初始条件i=0,uc(0)=U0，可求得该方程在不同条件下的三种解。令临界比，有：

(1)α<1，为欠阻尼情况，此时回路电流i(t)为衰减周期性振荡电流，其幅值按指数曲线下降；

(2)α=1，为临界阻尼情况，此时回路电流为非周期性脉冲电流；

(3)α>1，为过阻尼情况，回路电流同样为非周期性脉冲电流。

比较三种情况下的回路电流、电流第一个峰值及其到达时间，以及电流的最大变化率，可以发现无论放电电流是周期性的还是非周期性的，它们的共同点在于：

(1）电流的峰值Im均与电容储能和回路电感L有关。提高电容器充电电压U0，增加C值即增加电容储能，可使Im增大；

(2）脉冲电流的峰值Im均与放电回路中的电阻R有关，减小R可使Im增大；

(3）电流的最大陡度只取决于电容器充电电压U0和放电回路的电感L，与放电回路中的电阻R无关。适当提高U0，尽量减小L，可使脉冲电流陡度增大。

当时回路工作在过阻尼状态。作近似，则此时负载电阻上的电压为：

式(2)即为脉冲源所需要的双指数脉冲电压。

2、脉冲压缩设计

为了使脉冲前沿更陡，通常需要一定的脉冲压缩技术来峰化脉冲电压[12]。脉冲源峰化可供选择的方案有两种，一是峰化电容方案，另一则是传递电容方案。为了研究两种方案的优缺点，假设R=0，忽略回路中电阻的影响，可以将电路模型简化为图3所示的能量转换电路。

图3 用于脉冲压缩的两电容间能量转换电路模型

通常，C1是脉冲源的串联电容，C2是用来实现脉冲峰化的储能电容。根据基尔霍夫定律，可列出如下电路方程：

求解该方程，可得：

式中，。

分析上式，有两种工作情况：

一种是选择C1≈C2，当t=/ω时，回路中电流达到0,C2上的电压达到最大值，V2(t)=V0。此时第一个电容中的能量完全转移到第二个电容中，电容之间能量转换效率最高。此时称电容为中间储能电容或传递电容。

第二种情况，选择C1>>C2，当时，回路中的电流达到最大值，此时dV2/dt最大，可以得到最快的电压上升率。如果t=/ω，可以得到V2(t)=2V0，此时虽然能量转化效率不是很高，但是第二个电容上的电压可以达到充电电压的2倍。

两种工作情况下的电容电压波形如图4所示。

对两种工作情况进行具体分析：

(1）传递电容方案

在传递电容方案中，Lm2<<Lm1，两个放电回路如图5所示。这样当后方的回路放电时，电容C1上的电荷就来不及向负载放电，脉冲前沿和宽度仅由后方回路自身的参数决定。

图4 两种脉冲压缩方案工作下的电容电压波形

图5 带有脉冲压缩的脉冲发生器的放电回路示意图

当S1闭合时，如果，回路1中的电流和电容C2上的电压可以用式（6）、式（7）表达：

式中，。

如果C1=C2，当t=/ω1时，电容上的电压VC2=V0，此时存储于电容C1上的电荷完全转移到C2中。如果在这时候闭合S2，回路1来不及对回路2中电容的放电过程产生影响，因此负载上的电压波形为：

式中，。

如果/2B是常数，随着B的增加，电压也会逐渐减小。这就意味着随着电感Ls1的减小，电容C2上的电压就会迅速下降。当电感趋向于无穷大时，电压具有极限值。可以根据需要确定隔离电感的大小，且有：

式中，tu是脉冲宽度。

(2）峰化电容方案

取C1>>C2，忽略掉回路电阻，在开关S2闭合前，回路1上的电流和电容C2上的电压分别为：

式中，

当时，C2上的电压达到V0，此时回路1和回路2中流过的电流必须满足：

由RL=ω0Lm1，可以确定C2的大小。一旦开关S2闭合，V0立刻加载到负载上，能量将通过电流V0/RL释放给负载。由于C2已经充电到V0，并且在电流不大时将电压维持在V0。显然，在开关S2闭合后，脉宽将由C1、C2和负载RL共同决定。由于C2中仅存储了一小部分能量，C1中的储能也要通过负载RL释放出来。

综上考虑，本文采用传递电容的方案进行脉冲压缩，脉冲充电电路如图6所示。

图6 带有脉冲压缩的脉冲发生器等效电路

t=0时刻S1闭合，此时Cm通过Lm向Cs充电，Cs上的电压为：

设作近似，则电容Cs上的电压以其为周期变化，选取t0=/ω时刻闭合开关S2，此时电容Cs上的电压达到最高。若Lm1足够大，Cm几乎不对放电回路产生影响，此时的放电回路与上文的RLC二阶电路相同，但此时Cs被脉冲充电，负载上的波形仅与Cs、Lm2和RL的特性有关，且与前级放电回路相互隔离，因此可以采用独立设计的组件，用以实现波形陡化。

在合理选取相应元器件参数的基础上，本文首先通过PSpice软件进行了电路仿真，其仿真电路和仿真结果如图7和图8所示。

图7 带有脉冲压缩的脉冲发生器的PSpice仿真电路

图8 脉冲发生器的PSpice仿真结果波形

3、基于动电极触发的气体火花间隙开关

脉冲源需要输出幅值可调、工作稳定、一致性好的高压脉冲，而在纳秒级的响应特性上半导体开关器件的动作速度通常情况下无法满足需求。气体火花间隙开关可以在高气压下满足标定的需求，但由于其放电具有分散性，无法保证开关击穿场强的一致性。因此，本文设计了动电极开关方案实现操作电压10 kV、动作时间数纳秒的可触发气体火花间隙开关。为了满足上述动作特性，本文提出了基于压缩气缸和球头电极可动的气体火花间隙开关，其结构及原理示意图如图9所示。

图9 动电极火花间隙开关的原理示意图

腔体I为开关腔体，主要为电极间隙提供稳定的介质气体和相应的气压；腔体Ⅱ为气缸，可以将外界的气压改变转化为活塞的轴向运动，从而推动球头动作。开关动作之前，腔体I内已经充有0.3～0.5 MPa的介质气体，腔体Ⅱ内为外界常压，活塞不运动，与活塞固定在一起的动球头电极远离固定在开关腔体另一端的固定球头电极。此时，开关的气体间隙很大，可以承受很大的静态电压差而不发生击穿，从而方便与之相连的电容器充电。当需要开关动作时，为腔体Ⅱ充入高于腔体I内气压p1和弹簧压强fs之和的压缩空气，由于气压的作用，活塞带动电极向靠近固定电极的方向运动。调节动电极的移动范围以使两电极可以充分靠近，则在运动过程中必然存在某一时刻，气体间隙因击穿电压小于气隙间的电压差而发生击穿[13]。此时的开关相当于在该电压等级下发生了自击穿，但根据前文的击穿机理，可以保证其总在设置的电压下发生击穿，极大地提高了触发的稳定性。开关击穿后只需撤去气缸内的压力，活塞在弹簧的作用下即会将动电极带回原位。

基于上述脉冲源设计原理、脉冲压缩技术以及动电极气体火花间隙开关，本文最终搭建了完整的窄脉冲发生器，如图10所示。通过示波器采集窄脉冲发生器的输出电压波形，如图11所示。其中，脉冲电压幅值约为14 kV，脉冲上升沿约为4 ns，脉宽约为60 ns，可有效满足配电电缆的故障检测需求。

图1 0 窄脉冲发生器实物

图1 1 窄脉冲发生器的输出电压波形

4、结束语

本文从脉冲发生器原理、脉冲前沿压缩技术以及气体火花间隙开关三个角度展开，提出了一种基于动电极气体火花间隙开关的窄脉冲发生器，并进行了理论分析、仿真建模、实物设计等研究工作。本文设计的窄脉冲发生器可以实现开关器件的纳秒级快速导通，为国网江苏省电力有限公司科技项目“基于空间谱变换的配电网电缆故障识别与定位技术研究”提供了幅值可调、纳秒级前沿的电磁脉冲信号，从而在不影响线路绝缘水平的情况下，在配网线路上获得更好的响应信号，进而提升配网线路上各类故障的识别和定位精度。

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