脈沖放電電壓波形特性研究

章 婧

（國網泉州供電公司，福建 泉州 362000）

0 引言

高壓脈沖電壓峰值、脈沖電壓上升速率以及脈沖寬度等是影響放電效果的重要參數。不少高壓實驗室都配備了沖擊電壓發生器，用以在實驗中形成操作和雷電沖擊電壓波，以此模擬電氣設備日常運作中遭受操作和雷電過電壓影響的情況，對其絕緣性能進行研究。本文針對脈沖放電的等效放電回路列出積分方程求解電壓及電流振蕩波形。

1 工作原理

在沖擊電壓發生器的研發調試階段，將測試時使用的分壓器和回路電感對波形的影響忽略不計，則沖擊電壓發生器的基本放電回路如圖1 所示。

圖1 基本放電回路

如圖1 中所示，R11與R12分別放置在波尾電阻R2的前后，其中R11為阻尼電阻，主要用來阻尼回路中的寄生振蕩；R12專門用于調整波前時間Tf，稱為波前電阻，其阻值可調。C1是主電容，C2是測量元件與被試品的電容，U1是主電容C1的供電電壓。沖擊電壓發生器電壓波形的定義如圖2 所示。

圖2 沖擊電壓波形的定義

圖2 中，O1是視在原點，U2m是沖擊電壓幅值，Tf，Tt分別是視在波前時間與視在波尾時間，P和Q分別為波高點和半波高度。

2 計算模型

把圖1 中所示沖擊電壓發生器的基本放電回路作為基礎，研究回路元件參數和輸出電壓波形間的關系。針對基本放電回路列出波形參數的微分方程：

設p1和p2為方程式（5）的兩個特征根，則：

當t=0時，u2=0，u1=U1，則波形到達峰值u2m所需時間：

為了計算波形的波前時間Tf與波尾時間Tt，根據圖2列出六個方程式建立方程組進行求解：

由6 個方程式（9）～（14）可以解出6 個未知數：t1、t2、t3、tm、p1、p2（其中t1＜tm，t2＜tm，t3＜tm）。再由式（4）可求出a、b，由式（2）和式（3）求出回路參數。通常C1和C2是根據實際情況預先選定的（例如根據所要求的沖擊放電能量選定C1），而且為了確保發生器的利用系數足夠大，通常取C1≥（5～ 10）C2；以確保不會發生寄生振蕩為前提，盡量減小阻尼電阻R11的阻值，通常取幾十歐姆。而對于高效率回路，R11=0。

已知波前時間Tf和波尾時間Tt求解回路參數，可用試探逼近法，即在U1值不變的情況下，把某一回路參數值固定，而令其他回路參數值逐一變化，直至所得仿真結果中沖擊電壓波形幾乎符合要求為止。

在利用MATLAB 仿真時，采樣頻率設為100 MHz，編程時回路參數L和C的單位各自取微亨和微法，由此時間t便以微秒為單位，電阻使用國際制單位。針對1.2/50μs 的沖擊電壓波形，采用逐次逼近法進行計算，然后把所得值代入方程式（9）～（14）中，通過分別計算方程左右兩邊的值，再進行比較驗證。

針對圖1 的沖擊電壓發生器放電回路，利用MATLAB 軟件編程進行計算，所得沖擊電壓波形結果如圖3所示，從圖中看出波前時間為Tf=1.21μs，半峰值時間為Tt=49.95μs。

圖3 u2(t)波形圖

4 結語

本文提出了沖擊電壓發生器回路參數與波形的較為精準的數學計算模型，以此為基礎對脈沖放電電壓波形特性進行了研究，結果表明，波前電阻數值越大電壓波形峰值越低、上升越平緩，波前時間越長；波尾電阻數值越低，則電壓波形峰值越高，半峰值時間越長。