10 kV直流高壓觸發電路的設計與應用

謝德 姚宏孫良勤

中國工程物理研究院化工材料研究所

摘 要：

某大型研究項目為了完成重要數據的采集試驗，需要采用10 kV直流觸發高壓對某化學含能材料進行動感放電試驗。由于試驗項目的特殊性，該試驗嚴格限定了高壓觸發電路的參數。鑒于此，按照試驗要求完成了10 kV直流高壓觸發電路的設計，經過多次動態放電測試，能完全滿足試驗數據的要求，大大提高了試驗數據的可靠性。

0引言

在某大型研究項目中，為評估某化學含能材料在外加高電壓觸發條件下的安全性能，需要使用10 kV直流高壓觸發電壓對這一化學含能材料進行動感放電試驗。在數據采集中，對觸發電路的儲能電容、放電限流電阻、采樣電阻及電路分布電容等參數均作了嚴格限定。鑒于此，根據設計參數要求，對電路進行設計，對電路元器件進行選型，成功設計出了10 kV直流高壓觸發電路，經驗證完全符合試驗要求。

1觸發電路參數要求與設計原理

由于試驗的特殊性，10 kV直流高壓觸發電路設計對參數進行了嚴格要求：（1）儲能電容數值為（0.12±0.006）μF，耐壓大于等于10 kV；（2）放電限流電阻在（20±1）Ω范圍取值，采樣電阻阻值為（0.1±0.005）Ω，耐壓大于等于100 V；（3）放電電路的分布電感小于等于5 μH。根據觸發電路參數要求，設計的主要電路包括：觸發控制電路、高壓充電電路、觸發放電電路及信號采樣端。10 kV直流高壓觸發電路設計原理框圖如圖1所示。

電路設計原理：試驗時，按下高壓觸發電路啟動按鈕，高壓充電電源得電工作，充電至15 kV直流高壓電后，通過高壓輸入端口向高壓觸發器中的充電回路輸入高壓。15 kV直流高壓經過充電回路的整流、濾波與降壓后，得到試驗所需的10 kV直流高壓并存儲在充電回路的高壓儲能電容內。此時，高壓觸發器中的高壓數顯表提示試驗所需的高壓電源已經充滿，達到觸發要求。接著將同軸電纜的一端連接在高壓觸發器面板后的高壓輸出端口，同軸電纜另一端由銅網和銅芯做成的試驗夾具將某化學含能材料試驗件固定好，數據信號采樣端口連接圖形示波器，將高壓觸發器通過接地端口可靠接地，高壓觸發放電準備工作完成。按下觸發按鈕，根據觸發設定時間，0.5 s完成一次對試驗件的高壓觸發，高壓表顯示歸零。按下復位按鈕后，高壓充電電源對高壓觸發器中的充電回路進行第二次充電，為下次觸發做準備，并可進行多次循環觸發試驗工作。

2直流高壓觸發電路主要元器件選擇

直流高壓觸發電路所用到的電氣元件包括中間繼電器、分壓電阻、開關電源、數顯電壓表、時間繼電器等，本節主要介紹電阻器與直流式時間繼電器的作用和特點。

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載電阻，它與電容器一起可以組成濾波器及延時電路，用作電源電路或控制電路中的采樣電阻；在半導體管電路中采用偏置電阻確定工作點，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?？傊?，電阻器在電路中的作用非常多，電路設計中用到電阻器的地方比比皆是[1]。本文所述10 kV直流高壓觸發電路有其特殊性，需要使用多種具有分壓、放電、數據采樣作用的電阻，綜合各類電阻的優缺點，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，這兩種電阻應用于高壓觸發電路優點十分突出。

2.2時間繼電器的選擇

由于需要實現10 kV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高壓放電電路的電子元件，時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。時間繼電器是一種自動開關裝置，其利用電磁原理或機械原理實現延時控制[1]，當輸入的動作信號加入（或去掉）后，其輸出電路需經過規定的準確時間（或觸頭動作）才能產生跳躍式變化。本文所述電路由于是用低電壓控制高電壓瞬間（0.5 s）放電，根據高壓直流觸發電路的特點，優先選擇了直流電磁式時間繼電器（0.3～1.6 s）作為觸發時間控制單元，如圖3所示。它結構比較簡單，具有延時短的特點，通常用于斷電延時場合和直流電路中，可以在高壓觸發電路所需的設定范圍內設定多個時間點位。

3直流高壓觸發電路設計

3.110kV直流高壓控制回路設計原理

根據試驗數據要求，在設計10 kV直流高壓控制回路時供電電源選用了24 V安全電壓，以此來保護試驗操作人員的安全，用可調節時間繼電器來控制高壓充放電的間隔長短。根據以上要求設計的10 kV直流高壓觸發控制電路原理框圖如圖4所示。

電路工作原理：按下電源開關SB1后，電源指示燈HL1亮，開關電源U1工作。復位按鈕SB3與觸發按鈕SB2形成互鎖，此時不工作。當按下復位按鈕后，SB3常開觸點閉合，此時中間繼電器KA4工作，KA4的一組常開觸點形成自鎖，使KA4保持工作狀態，24 V通過KA4的另一組常開觸點，使高壓真空繼電器KA1工作，主回路開始充電。按下觸發按鈕SB2，SB2常閉觸點斷開，KA4停止工作，SB2常開觸點閉合，中間繼電器KA3工作，KA3的一組常開觸點形成自鎖，使KA3保持工作狀態，供電電源通過KA3的另一組常開觸點，使延時繼電器KT1工作。KT1延時一定時間后，一組觸點控制高壓真空繼電器KA2吸合，另一組觸點控制觸發指示燈HL2亮，高壓放電觸發。

3.210kV直流高壓充電與觸發電路設計及工作原理

10 kV直流高壓充電與觸發電路設計如圖5所示。

電路工作原理：按下電源開關后，高壓觸發器處于待機狀態，此時高壓真空繼電器KA1、KA2不工作，觸點都處于斷開位置。當按下復位按鈕后，KA1的觸點接通，高壓經過限流電阻R1對高壓電容C1進行充電，高壓電壓表PV1采集由R3、R4組成的分壓器上的電壓信號，并實時顯示充電電壓。電充滿后，按下觸發按鈕，KA1的觸點斷開，KA2的觸點吸合，高壓電容C1內的電荷通過限流電阻R6對負載RL放電，R5的作用是放電完成后將高壓C1內的殘余電壓消除。若需要再次充電觸發，重復以上步驟即可。

410 kV直流高壓觸發控制器的制作

根據試驗要求，成功設計出了10 kV直流高壓觸發控制電路和高壓充電回路。電路整體設計完成后，聯機進行電路調試，電路工作正常，達到了測試數據采集的要求。在完成電路設計和調試后，將10 kV直流高壓觸發電路制作成高壓觸發儀器以備后續試驗繼續使用，儀器前后面板如圖6、圖7所示。

510 kV直流高壓觸發電路的應用

10 kV直流高壓觸發電路制作完成后，順利實現了某化學含能材料的動感觸發放電試驗，成功地采集到了放電波形圖，如圖8所示，粉色曲線為5 kV高壓觸發充放電波形，充電上升沿陡峭，充電時間短，放電較為平緩，放電時間較長，均符合設計與試驗要求。通過對試驗數據的分析，驗證了10 kV直流高壓觸發器在化學含能材料高壓放電試驗中的應用切實有效，且可靠性高。

6結語

根據某一化學含能材料的試驗要求，在滿足各種外部條件的情況下，筆者設計并制作出了10 kV直流高壓觸發電路，并對其安全性、可靠性進行了驗證。這種觸發電路可以很好地用于本次動感高壓觸發試驗，收集了試驗所需的有效數據。10 kV直流高壓觸發電路也可在今后的試驗項目中繼續用于電路方面的改進，更好地適應更多類型試驗設計要求，從而用于更多種類的放電試驗。

審核編輯：湯梓紅