氣體放電管浪涌防護電路自動測試系統(tǒng)研制

周方亮

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

周方亮，男，碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，助理工程師。主要研究方向包括計算機聯(lián)鎖、自動控制等，曾參與全電子計算機聯(lián)鎖的研究、LKD2-T2型列控中心系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)研究等項目。

1 概述

現(xiàn)階段，氣體放電管廣泛應用于鐵路室內(nèi)信號設(shè)備的浪涌防護電路中，可以有效地提高鐵路信號設(shè)備的安全性和可靠性。氣體放電管，是密封于一定大氣壓力下的氣體放電介質(zhì)中的一個或幾個放電間隙（或稱為一對或幾對放電電極），用于保護設(shè)備和人身免遭瞬間高電壓危害的過電壓保護器件[1]。

在通常狀態(tài)下，氣體放電管在電路中為高阻抗狀態(tài)，當放電管的電極間在超過直流擊穿電壓值的電壓作用下，管內(nèi)的氣體被電離，使電極間從高阻抗絕緣狀態(tài)變?yōu)榈妥杩箤顟B(tài)，進而達到過電壓保護的效果[2]。由此可見，氣體放電管的直流擊穿電壓對于過電壓保護至關(guān)重要。在實際使用中，由于自然環(huán)境或多次放電等原因，氣體放電管的直流擊穿電壓會發(fā)生變化，甚至發(fā)生氣體放電管開路、短路等失效情況，因此為了保證浪涌防護電路的安全性和可靠性，研制對氣體放電管功能進行定期測試和檢修的設(shè)備是十分必要的。

2 直流擊穿電壓測試方法

根據(jù)《TBT 2310-1992鐵路信號設(shè)備雷電防護用氣體放電管》標準，對氣體放電管進行直流擊穿電壓測試時，直流電壓上升速率采用100 V/s[3]，測試電壓上升速率的波形和測試電壓應滿足如圖1所示的要求。

圖1中，Umax應大于放電管直流擊穿電壓上限值，小于放電管直流擊穿電壓下限值的3倍，放電電流應限制在5～15 mA。這里假設(shè)被測氣體放電管的直流擊穿電壓為75 V±20%，即直流擊穿電壓范圍是60～90 V，Umax應大于90 V，小于180 V，故取Umax為100 V，滿足要求。根據(jù)上升率100 V/s的要求可知，圖中T1和T2分別對應0.2 s和1 s。取放電電流為10 mA，則可知限流電阻為10 kΩ。根據(jù)以上參數(shù)，即可搭建直流擊穿電壓的測試電路如圖2所示。

上述傳統(tǒng)測試方法主要著眼于氣體放電管直流擊穿電壓值的測試，能夠較為精確的測出電壓升高為某數(shù)值時氣體放電管被擊穿；而作為現(xiàn)場檢修來說，更注重氣體放電管的功能異常測試，如：直流擊穿電壓變高、開路失效、短路失效等。因此，需要對測試電壓的波形進行簡化，進而優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高測試效率。對于已知直流擊穿電壓參數(shù)的氣體放電管，只需要在氣體放電管極間施加一個稍高于直流擊穿電壓上限值的電壓，即可測出氣體放電管的直流擊穿功能是否正常。基于上述原因，將實際測試波形改為如圖3所示。

圖3中，Uo高于直流擊穿電壓的上限值，這里取100 V，T1與T2的時間差值為Dt，在Dt過程中對氣體放電管極間施加恒定電壓為Uo，并在此過程中對氣體放電管極間電壓值和通過氣體放電管的電流值進行測試記錄，從而檢測出氣體放電管是否失效，并進一步對失效模式進行識別。

根據(jù)《GBT 18802.311-2007 低壓電涌保護器元件 第311部分 氣體放電管(GDT)規(guī)范》，直流擊穿電壓為70 V的氣體放電管當極間施加沖擊電壓為1 000 V/μs時，可測出沖擊火花放電電壓的典型值為900 V[4]。也就是說，直流擊穿電壓為70 V的氣體放電管可承受900 V以下的陡脈沖沖擊，而沖擊電壓上限為100 V時，不會引起氣體放電管的沖擊火花放電現(xiàn)象，只會由于之后持續(xù)施加的100 V產(chǎn)生直流擊穿現(xiàn)象。

3 自動測試系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用多通道掃描A/D、PWM開關(guān)電源、單片機和CPLD譯碼邏輯控制，通過串口與PC機連接，實現(xiàn)了通信和控制自動化測試。整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，分為主控制器單元、譯碼邏輯單元、電源管理單元、測試通道選擇單元和伏安采集單元。

主控制器單元主要功能為實現(xiàn)對電源管理單元和測試通道選擇單元的控制，同時讀回采集單元測得的數(shù)據(jù)值，并將此數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到外部通信設(shè)備；譯碼邏輯單元實現(xiàn)對CPU發(fā)出命令字的解釋譯碼，并據(jù)此激活測試通道選擇單元；伏安采集單元主要實現(xiàn)檢測功能，對當前被測設(shè)備加電后的電流值和電壓值分別以電壓的形式采集，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸至CPU中；電源管理單元主要提供可選的電壓；測試通道選擇單元主要對CPU控制單元發(fā)送來的通道選擇指令進行解碼并實現(xiàn)測試通道的切換。

本測試系統(tǒng)的重點在于對不同類型的氣體放電管提供合理的測試電壓，這里為簡化測試流程、提供測試效率，根據(jù)被測氣體放電管的直流擊穿電壓范圍選擇兩種測試電壓即可。例如，被測氣體放電管的直流擊穿電壓為75 V±20%，則根據(jù)其范圍60～90 V，分別提供小于60 V和高于90 V的測試電壓，如取50 V和100 V進行測試即可滿足需求，部分測試結(jié)果與結(jié)論如表1所示。

表1 測試結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)上方表格，經(jīng)過兩種電壓測試后，可推斷出當前被測氣體放電管的狀態(tài)，若為失效狀態(tài)則需要及時更換浪涌防護設(shè)備。

3.1 電源模塊實現(xiàn)

由于每種類型的氣體放電管對應的測試電壓不同，一般通用標準電源模塊無法滿足要求，同時為了節(jié)約成本，采用PWM開關(guān)電源的方式以實現(xiàn)電壓模塊設(shè)計。采用PWM開關(guān)電源進行設(shè)計的優(yōu)勢在于，首先，可以提供特殊的電壓值；其次，可以通過開關(guān)變壓器輸出多路不同的電壓值，十分方便。PWM開關(guān)電源的工作原理如圖5所示。

PWM開關(guān)電源通過“斬波”，把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

3.2 通道選擇單元實現(xiàn)

由于被測對象為氣體放電管陣列，需要有多個測試通道進行測試，因而如何實現(xiàn)對不同通道的通斷控制是本測試系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題。而常用于控制通道通斷狀態(tài)有兩種方式，分別為繼電器和光耦。相比繼電器，光耦具有體積小、反應速度快的優(yōu)勢，由于氣體放電管的測試時間要求較為嚴格，因而本設(shè)計采用光耦實現(xiàn)通道選擇切換。光耦的輸入控制信號由譯碼邏輯單元發(fā)出，實現(xiàn)對測試通道的選擇，電路原理如圖6所示。

4 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用Lab Windows/CVI進行開發(fā)設(shè)計。該平臺在測控領(lǐng)域有著廣泛的應用，尤其是該開發(fā)平臺提供了豐富的驅(qū)動和數(shù)據(jù)分析界面，在數(shù)據(jù)采集、曲線分析、ActiveX控件的調(diào)用等方面，有著獨特的優(yōu)勢，是比較專業(yè)化的開發(fā)軟件[5]。整個開發(fā)過程是基于C語言的，降低了編程的難度，同時其事件響應和回調(diào)函數(shù)的方式簡單易學，提高了開發(fā)的效率。

上位機程序要具有數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)分析功能，因而將上位機程序設(shè)計如圖7所示。由用戶選擇需要提供的測試電壓并開始測試，之后對測試數(shù)據(jù)進行處理分析，并將分析結(jié)果以Excel表格的形式提供給用戶，簡單直觀，并方便對測試結(jié)果進行后期處理，如繪制曲線、計算期望方差等。

5 結(jié)語

本文主要針對基于氣體放電管的浪涌防護電路，設(shè)計氣體放電管直流擊穿電壓功能的自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PWM開關(guān)電源作為測試電壓輸出模塊，方便靈活且節(jié)約成本；同時通過上位機軟件進行操作控制，提高測試工作的質(zhì)量和效率，保證操作人員的人身安全。

[1] GB9043-1988 通信設(shè)備過電壓保護用氣體放電管通用技術(shù)條件[S].

[2]黎步銀，趙俊，周冬祥.氣體放電管直流擊穿電壓自動測試系統(tǒng)的研制[J]. 計量學報，2005(1)：74-76.

[3] TBT 2310-1992 鐵路信號設(shè)備雷電防護用氣體放電管[S].

[4] GBT 18802.311-2007 低壓電涌保護器元件 第311部分氣體放電管(GDT)規(guī)范[S].

[5] National Instruments, Lab Windows/CVI user manual.1998.