10kV直流高壓觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在某大型研究項(xiàng)目中,為評(píng)估某化學(xué)含能材料在外加高電壓觸發(fā)條件下的安全性能,需要使用10kV直流高壓觸發(fā)電壓對(duì)這一化學(xué)含能材料進(jìn)行動(dòng)感放電試驗(yàn)。在數(shù)據(jù)采集中,對(duì)觸發(fā)電路的儲(chǔ)能電容、放電限流電阻、采樣電阻及電路分布電容等參數(shù)均作了嚴(yán)格限定。鑒于此,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求,對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)電路元器件進(jìn)行選型,成功設(shè)計(jì)出了10kV直流高壓觸發(fā)電路,經(jīng)驗(yàn)證完全符合試驗(yàn)要求。

1觸發(fā)電路參數(shù)要求與設(shè)計(jì)原理

由于試驗(yàn)的特殊性,10kV直流高壓觸發(fā)電路設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格要求:((1)儲(chǔ)能電容數(shù)值為(0.12士0.006)μF,耐壓大于等于10kV:(2)放電限流電阻在(20士(1)0范圍取值,采樣電阻阻值為(0.1士0.005)0,耐壓大于等于100V:(3)放電電路的分布電感小于等于5μH。根據(jù)觸發(fā)電路參數(shù)要求,設(shè)計(jì)的主要電路包括:觸發(fā)控制電路、高壓充電電路、觸發(fā)放電電路及信號(hào)采樣端。10kV直流高壓觸發(fā)電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖110kV直流高壓觸發(fā)電路設(shè)計(jì)原理框圖

電路設(shè)計(jì)原理:試驗(yàn)時(shí),按下高壓觸發(fā)電路啟動(dòng)按鈕,高壓充電電源得電工作,充電至15kV直流高壓電后,通過(guò)高壓輸入端口向高壓觸發(fā)器中的充電回路輸入高壓。15kV直流高壓經(jīng)過(guò)充電回路的整流、濾波與降壓后,得到試驗(yàn)所需的10kV直流高壓并存儲(chǔ)在充電回路的高壓儲(chǔ)能電容內(nèi)。此時(shí),高壓觸發(fā)器中的高壓數(shù)顯表提示試驗(yàn)所需的高壓電源已經(jīng)充滿(mǎn),達(dá)到觸發(fā)要求。接著將同軸電纜的一端連接在高壓觸發(fā)器面板后的高壓輸出端口,同軸電纜另一端由銅網(wǎng)和銅芯做成的試驗(yàn)夾具將某化學(xué)含能材料試驗(yàn)件固定好,數(shù)據(jù)信號(hào)采樣端口連接圖形示波器,將高壓觸發(fā)器通過(guò)接地端口可靠接地,高壓觸發(fā)放電準(zhǔn)備工作完成。按下觸發(fā)按鈕,根據(jù)觸發(fā)設(shè)定時(shí)間,0.5s完成一次對(duì)試驗(yàn)件的高壓觸發(fā),高壓表顯示歸零。按下復(fù)位按鈕后,高壓充電電源對(duì)高壓觸發(fā)器中的充電回路進(jìn)行第二次充電,為下次觸發(fā)做準(zhǔn)備,并可進(jìn)行多次循環(huán)觸發(fā)試驗(yàn)工作。

2直流高壓觸發(fā)電路主要元器件選擇

直流高壓觸發(fā)電路所用到的電氣元件包括中間繼電器、分壓電阻、開(kāi)關(guān)電源、數(shù)顯電壓表、時(shí)間繼電器等,本節(jié)主要介紹電阻器與直流式時(shí)間繼電器的作用和特點(diǎn)。

2.1電阻器的選擇

通常電阻器作為分壓器、分流器和電路中的負(fù)載電阻,它與電容器一起可以組成濾波器及延時(shí)電路,用作電源電路或控制電路中的采樣電阻:在半導(dǎo)體管電路中采用偏置電阻確定工作點(diǎn),電路的阻抗匹配采用電阻器:電阻器還可用于降壓或限流等。總之,電阻器在電路中的作用非常多,電路設(shè)計(jì)中用到電阻器的地方比比皆是[l]。本文所述10kV直流高壓觸發(fā)電路有其特殊性,需要使用多種具有分壓、放電、數(shù)據(jù)采樣作用的電阻,綜合各類(lèi)電阻的優(yōu)缺點(diǎn),選擇了耐壓及散熱較好的金屬電阻器和金屬氧化膜電阻器(圖2)用于電路的分壓、分流,這兩種電阻應(yīng)用于高壓觸發(fā)電路優(yōu)點(diǎn)十分突出。

圖2金屬電阻器(上)和金屬氧化膜電阻器(下)

2.2時(shí)間繼電器的選擇

由于需要實(shí)現(xiàn)10kV直流高壓的瞬間放電,所以要選擇一種能夠快速接通和斷開(kāi)高壓放電電路的電子元件,時(shí)間繼電器就是一種用于接通或切斷電壓較高、電流較大電路的電氣元件。時(shí)間繼電器是一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置,其利用電磁原理或機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制[l],當(dāng)輸入的動(dòng)作信號(hào)加入(或去掉)后,其輸出電路需經(jīng)過(guò)規(guī)定的準(zhǔn)確時(shí)間(或觸頭動(dòng)作)才能產(chǎn)生跳躍式變化。本文所述電路由于是用低電壓控制高電壓瞬間(0.5s)放電,根據(jù)高壓直流觸發(fā)電路的特點(diǎn),優(yōu)先選擇了直流電磁式時(shí)間繼電器(0.3~l.6s)作為觸發(fā)時(shí)間控制單元,如圖3所示。它結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,具有延時(shí)短的特點(diǎn),通常用于斷電延時(shí)場(chǎng)合和直流電路中,可以在高壓觸發(fā)電路所需的設(shè)定范圍內(nèi)設(shè)定多個(gè)時(shí)間點(diǎn)位。

圖3直流電磁式時(shí)間繼電器

3直流高壓觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

3.110kV直流高壓控制回路設(shè)計(jì)原理

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)要求,在設(shè)計(jì)10kV直流高壓控制回路時(shí),供電電源選用了24V安全電壓,以此來(lái)保護(hù)試驗(yàn)操作人員的安全,用可調(diào)節(jié)時(shí)間繼電器來(lái)控制高壓充放電的間隔長(zhǎng)短。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的10kV直流高壓觸發(fā)控制電路原理框圖如圖4所示。

電路工作原理:按下電源開(kāi)關(guān)sBl后,電源指示燈HLl亮,開(kāi)關(guān)電源Ul工作。復(fù)位按鈕sB3與觸發(fā)按鈕sB2形成互鎖,此時(shí)不工作。當(dāng)按下復(fù)位按鈕后,sB3常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,此時(shí)中間繼電器KA4工作,KA4的一組常開(kāi)觸點(diǎn)形成自鎖,使KA4保持工作狀態(tài),24V通過(guò)KA4的另一組常開(kāi)觸點(diǎn),使高壓真空繼電器KAl工作,主回路開(kāi)始充電。按下觸發(fā)按鈕sB2,sB2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi),KA4停止工作,sB2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,中間繼電器KA3工作,KA3的一組常開(kāi)觸點(diǎn)形成自鎖,使KA3保持工作狀態(tài),供電電源通過(guò)KA3的另一組常開(kāi)觸點(diǎn),保證延時(shí)繼電器KTl正常工作。KTl延時(shí)一定時(shí)間后,一組觸點(diǎn)控制高壓真空繼電器KA2吸合,另一組觸點(diǎn)控制觸發(fā)指示燈H12亮,高壓放電觸發(fā)。

3.210kV直流高壓充電與觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及工作原理

10kV直流高壓充電與觸發(fā)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖510kV直流高壓充電與觸發(fā)電路

電路工作原理:按下電源開(kāi)關(guān)后,高壓觸發(fā)器處于待機(jī)狀態(tài),此時(shí)高壓真空繼電器KA1、KA2不工作,觸點(diǎn)都處于斷開(kāi)位置。當(dāng)按下復(fù)位按鈕后,KA1的觸點(diǎn)接通,高壓經(jīng)過(guò)限流電阻R1對(duì)高壓電容C1進(jìn)行充電,高壓電壓表PV1采集由R3、R4組成的分壓器上的電壓信號(hào),并實(shí)時(shí)顯示充電電壓。電充滿(mǎn)后,按下觸發(fā)按鈕,KA1的觸點(diǎn)斷開(kāi),KA2的觸點(diǎn)吸合,高壓電容C1內(nèi)的電荷通過(guò)限流電阻R6對(duì)負(fù)載RL放電,R5的作用是放電完成后將高壓C1內(nèi)的殘余電壓消除。若需要再次充電觸發(fā),重復(fù)以上步驟即可。

410kV直流高壓觸發(fā)控制器的制作

根據(jù)試驗(yàn)要求,成功設(shè)計(jì)出了10kV直流高壓觸發(fā)控制電路和高壓充電回路。電路整體設(shè)計(jì)完成后,聯(lián)機(jī)進(jìn)行電路調(diào)試,電路工作正常,達(dá)到了測(cè)試數(shù)據(jù)采集的要求。在完成電路設(shè)計(jì)和調(diào)試后,將10kV直流高壓觸發(fā)電路制作成高壓觸發(fā)儀器以備后續(xù)試驗(yàn)繼續(xù)使用,儀器前后面板如圖6、圖7所示。

圖610kV直流高壓觸發(fā)器前面板圖

圖710kV直流高壓觸發(fā)器后面板圖

510kV直流高壓觸發(fā)電路的應(yīng)用

10kV直流高壓觸發(fā)電路制作完成后,順利實(shí)現(xiàn)了某化學(xué)含能材料的動(dòng)感觸發(fā)放電試驗(yàn),成功地采集到了放電波形圖,如圖8所示,深色曲線(xiàn)為5kV高壓觸發(fā)充放電波形,充電上升沿陡峭,充電時(shí)間短,放電較為平緩,放電時(shí)間較長(zhǎng),均符合設(shè)計(jì)與試驗(yàn)要求。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,驗(yàn)證了10kV直流高壓觸發(fā)器在化學(xué)含能材料高壓放電試驗(yàn)中的應(yīng)用切實(shí)有效,且可靠性高。

圖8試驗(yàn)觸發(fā)波形圖

6結(jié)語(yǔ)

根據(jù)某一化學(xué)含能材料的試驗(yàn)要求,在滿(mǎn)足各種外部條件的情況下,筆者設(shè)計(jì)并制作出了10kV直流高壓觸發(fā)電路,并對(duì)其安全性、可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。這種觸發(fā)電路可以很好地用于本次動(dòng)感高壓觸發(fā)試驗(yàn),收集了試驗(yàn)所需的有效數(shù)據(jù)。10kV直流高壓觸發(fā)電路也可在今后的試驗(yàn)項(xiàng)目中繼續(xù)用于電路方面的改進(jìn),更好地適應(yīng)更多類(lèi)型試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求,從而用于更多種類(lèi)的放電試驗(yàn)。