采用真空开关实现的多重回击波冲击电流发生器的制作方法

本发明涉及航空器雷电试验和电涌保护器测试领域，尤其涉及一种采用真空开关实现多重回击波的多脉冲冲击电流发生器。

背景技术：

雷电是大自然中气体放电的自然现象，其直接效应和间接效应对人们的生产和生活造成了极大影响。为了防止雷电对各种电气产品的影响，人们对雷电现象进行了大量的研究，制定了多种防雷测试的波形标准。美国机动车工程师学会(SAE)制定的SAE ARP 5412雷电环境及相关试验波形，与欧洲民用航空设备组织发布的ED(EUROCAE Documents)系列标准ED-84雷电环境及相关试验波形中，规定了多重回击波(Multiple stroke waveform set)的波形标准。近年来，随着标准的逐步严格，在电涌保护器测试领域也逐步采用多重回击波进行多脉冲测试。

按照多重回击波标准的规定，第一个电流脉冲波的峰值为100kA，波前时间不大于25μs，电流持续时间不超过500μs，其规定与雷电电流直接效应试验的D波相同，第二个脉冲和之后十几或二十几个电流脉冲的峰值为50kA，波前时间和持续时间与第一个脉冲相同。两个电流脉冲波之间的最小时间间隔为10ms，最大时间间隔为200ms。如图1所示，是多重回击波十四个脉冲组的波形的规定。

传统的多重回击波冲击电流发生器，如图2所示，主要包括高压直流充电电源A；高压直流充电电源B；电容器组C1、C2、…、C(n-1)、Cn；充电电阻R1、R2、…、R(n-1)、Rn，调波阻抗Z1、Z2、…、Z(n-1)、Zn；三电极高压放电球隙G1、G2、…、G(n-1)、Gn；被试负载RL。其中n是根据不同的标准要求及需要最多产生的脉冲个数取值，如果要产生图1所示的十四个脉冲电流波，则n等于14。

由于多重回击波第一个电流脉冲波的峰值为100kA，为其余电流脉冲波峰值的两倍，一般需要充电电压更高一些，因而用一套高压直流充电电源A通过充电电阻R1对电容电容器组C1单独充电。从C2开始，由高压直流充电电源B通过充电电阻R2、R3、…、R(n-1)、Rn对各电容器组C2、C3、…、C(n-1)、Cn并联充电。当充电到预先设置的电压后，由控制系统依次对三电极高压放电球隙G1、G2、…、G(n-1)、Gn进行触发，每两组放电球隙触发时间间隔在10ms和200ms之间，同时保证第一个触发到最后一个触发的时间在标准要求范围内，如图1所示的电流波形，要求第一个触发到最后一个触发的总时间小于1.5秒。在图2所示的传统的多重回击波冲击电流发生器中，充电电阻R1、R2、…、R(n-1)、Rn的阻值为kΩ数量级，调波阻抗Z1、Z2、…、Z(n-1)、Zn的阻值为mΩ数量级，因此放电球隙G2、…、G(n-1)、Gn依次触发放电对其余的还未放电的电容器组的影响相当有限，从而能够产生图1所示的多脉冲放电电流。

传统的多重回击波冲击电流发生器存在的问题是，三电极高压放电球隙G1、G2、…、G(n-1)、Gn结构复杂，每对放电球隙都要有一套球间隙调节的传动机构，需要一套球间隙大小的测量装置，同时还要有三电极放电球隙的触发脉冲放大器。除了这些复杂的机构和装置外，还要有大量的充电电阻R1、R2、…、R(n-1)、Rn。如果球间隙大小调整不合适，充电过程中，有些放电球隙有可能还没有触发就误动作放电；充电完成后，在控制系统依次对三电极高压放电球隙G1、G2、…、G(n-1)、Gn进行触发时，由于大电流脉冲放电回路引起地电位的抬升和电磁干扰会造成各个球间隙之间有可能发生自放电或不放电的故障，从而使得冲击电流发生器运行不稳定、不可靠，导致试验失败。

技术实现要素：

本发明克服现有技术中的不足，采用若干台真空开关代替三电极高压放电球隙，从而简化系统的结构，不再需要球间隙调节的传动机构和测量球间隙大小的装置，以及触发三电极放电球隙的脉冲放大器，同时省掉大部分的充电电阻。采用三台隔离开关和若干台真空开关来切换多重回击波冲击电流发生器的充电及放电的回路。

本发明的实施方案：

如图3所示，它包括高压直流充电电源A；高压直流充电电源B；充电电阻R1、R2；电容器组C1、C2、…、C(n-1)、Cn；调波阻抗Z1、Z2、…、Z(n-1)、Zn；隔离开关KS1、KS2、KS3；真空开关KC1、KC2、…、KC(n-1)、KCn以及KT1、KT2、…、KT(n-1)、KTn；被试负载RL。其中n是根据不同的标准要求及需要最多产生的脉冲个数取值，如果要产生图1所示的十四个脉冲电流波，则n等于14。

高压直流充电电源A与充电电阻R1串联后，与隔离开关KS1串联，给电容器组C1充电。电容组C1的高压极出线与调波阻抗Z1串联后，再依次连接真空开关KC1和KT1，真空开关KT1的一极与隔离开关KS3的一极相连。

电容组C2的高压极出线与调波阻抗Z2串联后，再依次连接真空开关KC2和KT2；电容组C3的高压极出线与调波阻抗Z3串联后，再依次连接真空开关KC3和KT3；…；电容组C(n-1)的高压极出线与调波阻抗Z(n-1)串联后，再依次连接真空开关KC(n-1)和KT(n-1)；高压直流充电电源B与充电电阻R2串联后，与隔离开关KS2串联，给电容器组Cn充电，电容组Cn的高压极出线与调波阻抗Zn串联后，再依次连接真空开关KCn和KTn；真空开关KT2、KT3、…、KT(n-1)和KTn的另一极并联后，与隔离开关KS3的一极相连。隔离开关KS3的另一极与被试负载RL串联。

在本发明中，每组电容器的一极与调波阻抗串联后，再与两台真空开关依次串联，用真空开关代替三电极高压放电球隙。由于真空开关合闸或分闸时，受机械结构动作所限，固有动作时间均大于150ms，不能在小于200ms时间段内完成合闸然后再分闸的动作，因此，每组电容器采用两台真空开关，放电前，一台真空开关处于合闸状态，另一台真空开关处于分闸状态。放电时，处于分闸状态的真空开关进行合闸动作，而处于合闸状态的真空开关延时数十毫秒后进行分闸动作，从而抵消机械动作时延，可以使得每组电容器通过真空开关放电的时间段控制在数十毫秒以内。

在本发明中，充电时，隔离开关KS3处于断开状态。电容组C1由处于闭合状态的隔离开关KS1，通过充电电阻R1由高压直流充电电源A进行充电，此时，与电容组C1连接真空开关KC1和KT1处于分闸状态。电容器组C2、C3、…、C(n-1)、Cn通过处于合闸状态的真空开关KC2、KC3、…、KC(n-1)和KCn，KT2、KT3、…、KT(n-1)和KTn并联，由处于闭合状态的隔离开关KS2，通过充电电阻R2由高压直流充电电源B进行充电。省掉大量的充电电阻，使得整套冲击电流发生器结构得以简化。

本发明与传统技术相比具有以下优点：

1)本发明采用若干台真空开关代替三电极高压放电球隙，从而简化系统的结构，不再需要球间隙调节的传动机构和测量球间隙大小的装置，以及触发三电极放电球隙的脉冲放大器。

2)本发明采用三台隔离开关和若干台真空开关来切换多重回击波冲击电流发生器的充电及放电的回路，省掉大量的充电电阻，使得整套冲击电流发生器结构得以简化。

3)本发明采用真空开关的开关量顺序控制，运行稳定、可靠性高。

附图说明

图1多重回击波标准规定的波形示意图；

图2传统的多重回击波冲击电流发生器回路示意图；

图3本发明的多重回击波冲击电流发生器回路示意图；

具体实施方式

本发明主要包括：两套高压直流充电电源、两支充电电阻、三台隔离开关、n组电容器组、2n台真空开关、n个调波阻抗以及一个被试负载。其中n是根据不同的标准要求及需要最多产生的脉冲个数取值，如果要产生图1所示的十四个脉冲电流波，则n等于14。

实施例：如图3，高压直流充电电源A与充电电阻R1串联后，与隔离开关KS1串联，给电容器组C1充电。电容组C1的高压极出线与调波阻抗Z1串联后，再依次连接真空开关KC1和KT1，真空开关KT1的一极与隔离开关KS3的一极相连。电容组C2的高压极出线与调波阻抗Z2串联后，再依次连接真空开关KC2和KT2；电容组C3的高压极出线与调波阻抗Z3串联后，再依次连接真空开关KC3和KT3；…；电容组C(n-1)的高压极出线与调波阻抗Z(n-1)串联后，再依次连接真空开关KC(n-1)和KT(n-1)；高压直流充电电源B与充电电阻R2串联后，与隔离开关KS2串联，给电容器组Cn充电，电容组Cn的高压极出线与调波阻抗Zn串联后，再依次连接真空开关KCn和KTn；真空开关KT2、KT3、…、KT(n-1)和KTn的另一极并联后，与隔离开关KS3的一极相连。隔离开关KS3的另一极与被试负载RL串联。

如图3，所述的冲击电流发生器充电时，隔离开关KS1、KS2处于闭合状态，隔离开关KS3处于断开状态；真空开关KC1和KT1处于分闸状态；真空开关KC2、KC3、…、KC(n-1)和KCn处于合闸状态；真空开关KT2、KT3、…、KT(n-1)和KTn处于合闸状态。高压直流充电电源A通过充电电阻R1对电容组C1充电。高压直流充电电源B通过充电电阻R2对电容组C2、C3、…、C(n-1)、Cn进行并联充电。

如图3，所述的冲击电流发生器充电完毕时，进行放电前的准备。按以下顺序动作：首先，断开隔离开关KS1、KS2。接着，真空开关KC2、KC3、…、KC(n-1)和KCn分闸，而真空开关KT2、KT3、…、KT(n-1)和KTn继续处于合闸状态；同时，真空开关KT1合闸，真空开关KC1继续处于分闸状态。最后，合上隔离开关KS3，接入被试负载RL。

如图3，所述的冲击电流发生器充电完毕，放电前的准备进行妥当后，如果需要实现每两个电流脉冲的时间间隔为50ms(如图1，Δt＝50ms)的多重回击波，假定每个真空开关合闸时间和分闸时间均为150ms，在控制系统发出放电指令后，按时间顺序依次对所有真空开关发出动作指令：延时100ms真空开关KC1合闸；延时120ms真空开关KT1分闸；延时150ms真空开关KC2合闸；延时170ms真空开关KT2分闸；…；延时[100+(n-2)×50]ms真空开关KC(n-1)合闸；延时[120+(n-2)×50]ms真空开关KT(n-1)分闸；延时[100+(n-1)×50]ms真空开关KCn合闸；延时[120+(n-1)×50]ms真空开关KTn分闸。如果n取值为14，则当控制系统发出放电指令后，延时0.25秒(延时100ms，真空开关合闸时间150ms)产生第一个电流脉冲，此后，每隔50ms产生一个电流脉冲，共有14个脉冲，如图1所示，14个多脉冲总时间不超过0.7秒，满足标准要求。如果某个开关动作时间为160ms，则相应的延时时间减去10ms；如果某个开关动作时间为140ms，则相应的延时时间增加10ms。依次类推。因为真空开关机械动作的时间相对是稳定的，按照此方法调整，可以产生标准的多重回击波冲击电流，且冲击电流发生器运行稳定，可靠性高。