本文論述了建立雷電防護測試中心依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)原理、實現(xiàn)方法以及相關(guān)設(shè)備的選型。該測試中心已經(jīng)建設(shè)完成經(jīng)機械工業(yè)第五（西安）計量測試中心站比對校準(zhǔn)達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，投入正常運行，目前正在申請國家級實驗室認(rèn)證。
當(dāng)今無線通訊技術(shù)不斷發(fā)展，從2G到3G，三大通信運營商建立的無線通訊基站覆蓋面由最初的城市逐步發(fā)展到小城鎮(zhèn)甚至村莊，幾十萬計的無線基站建立在制高點，每一個無線基站都處于LpZ0B區(qū)域，雷電的防護工作需求尤為突出。中達電通是一個規(guī)模化的通信產(chǎn)品制造企業(yè)，其主要產(chǎn)品都涉足通信領(lǐng)域。在相關(guān)基站設(shè)備的雷電防護上投入的研發(fā)、測試在行業(yè)中也是領(lǐng)先的。我們依據(jù) GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗技術(shù) 第一部分 一般試驗要求》、《高電壓試驗技術(shù) 第二部分 測量系統(tǒng)》、YD／T5008-2001《T通信局(站)雷電過電壓保護工程設(shè)計規(guī)范》、 GB/T 17626.5-1999 《電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗》，設(shè)計并建立了中達電通股份有限公司雷電防護測試中心。
一、雷電防護測試中心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)架構(gòu)主要由交流升壓系統(tǒng)（含限流部件）、整流系統(tǒng)（含正負(fù)極性換向控制系統(tǒng)）、
充放電系統(tǒng)（含自動連續(xù)間隔充放電控制系統(tǒng)）、接地系統(tǒng)（含自動對地放電系統(tǒng)和緊急自動放電系統(tǒng)）、交流退耦系統(tǒng)、在線加載電源隔離系統(tǒng)、操作臺測量控制系統(tǒng)、動作負(fù)載測試系統(tǒng)、溫度熱穩(wěn)定測試系統(tǒng)（熱脫扣測試系統(tǒng)）、直流40kW負(fù)載系統(tǒng)組成。
系統(tǒng)波形與沖擊能量設(shè)計
雷電防護測試中心設(shè)計有六種波形，可以對各行業(yè)的雷電防護產(chǎn)品進行測試，各種波形與沖擊電流峰值見表1。
以8/20μs沖擊電流波形為例，設(shè)計計算儲能電容的充電電壓U0為：U0 =(RZ * Im+UP)kV
式中： RZ儲能回路的源阻抗Ω，RZ =14.9/C, (C為儲能電容)；Im為沖擊電流kA;Up為試樣的限制電壓峰值kV。
設(shè)定沖擊電流為200kA(8/20μs)，儲能電容C容量為45μF,依據(jù)YD/T1235.1-2002標(biāo)準(zhǔn)UP取值3.0kV， 則U0 = Rz * Im + UP = (14.9/45)*200+3 = 69.22 kV
實際使用5組電容器并聯(lián)，每一組容量為9μF，總電容量為45μF /88kV，符合JB/T8168-1999《脈沖電容器及直流電容器》標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計要求。在測試最大放電電流200kA的防雷產(chǎn)品時，儲能電容器的充電電壓在70kV，低于電容器的耐壓值88kV，有20%的余量。
計算脈沖電容器的儲能為
WC = (1/2)CU2=0.5*45*10-6*7000002 =110.25 kJ
交流升壓系統(tǒng)
交流升壓系統(tǒng)采用YD-1618型工頻高壓試驗變壓器，該變壓器符合JB/T9641-1999標(biāo)準(zhǔn)。為了限制充電電流以及輸出幅值，在交流升壓回路中設(shè)計有限流電阻與冷卻風(fēng)扇組合。
高壓整流系統(tǒng)
由交流升壓系統(tǒng)產(chǎn)生的交流高壓經(jīng)高壓整流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞲邏翰拍軌蚪o脈沖電容器進行充電。本系統(tǒng)采樣了高壓橋式整流硅堆進行整流，且設(shè)計了正負(fù)極性轉(zhuǎn)換電路，以滿足測試中正負(fù)極性的需求。
高壓整流硅堆規(guī)格為：200kV/500mA，正負(fù)極性轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用光電定位信號的采集，自動切換，由步進電機執(zhí)行。設(shè)置過程可以在觸摸屏進行，也可以在設(shè)置程序軟件中實現(xiàn)。
充放電系統(tǒng)
充放電系統(tǒng)在整個測試中心是極為重要的環(huán)節(jié)，擔(dān)任著將高壓脈沖電容器的電壓轉(zhuǎn)移至被測試品的重任，在高壓轉(zhuǎn)移過程中首先要考慮到系統(tǒng)的安全性。設(shè)計采用了正極高壓經(jīng)均壓盤固定在高位并與放電球的上半球連接，放電球的下半球通過多條編織銅帶與高壓輸出排連接，下半球與上半球的運動間隙通過步進電機帶動直線齒輪來控制。
接地系統(tǒng)
在實際測試工作中，一部分沖擊能量被SPD產(chǎn)品吸收轉(zhuǎn)換為熱能，另一部分能量則通過接地系統(tǒng)泄放至大地。優(yōu)良的接地系統(tǒng)是保證雷電防護測試中心的安全以及測試系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。對測試中心的聯(lián)合接地體進行實際測量，接地電阻為0.3Ω，符合GB50057-94標(biāo)準(zhǔn)要求。
交流隔離電源
測試系統(tǒng)在進行放電操作時，會將脈沖高壓反饋到電網(wǎng)上造成對電網(wǎng)的干擾，依據(jù)GB-50057-94標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了交流電源隔離網(wǎng)絡(luò)。電原理圖見圖1。
該隔離網(wǎng)絡(luò)可以有效吸收由于脈沖放電產(chǎn)生的干擾脈沖，避免電網(wǎng)中的脈沖干擾影響PLC以及示波器等設(shè)備的正常工作。
在線加載電源隔離系統(tǒng)
考慮到對于SPD產(chǎn)品的在線模擬雷電沖擊，以及通訊產(chǎn)品比如電源機柜等的在線加載沖擊，特別設(shè)計了三相電源的加載電源隔離系統(tǒng)。主要有3臺15kVA分相隔離變壓器和退偶電感以及高壓濾波電容構(gòu)成。該系統(tǒng)在實際加載電源測試時，采用了高速數(shù)字示波器在實驗室電網(wǎng)的入口端實際監(jiān)測，偶爾能夠捕捉到的干擾脈沖峰值都小于交流峰值。
操作臺測量控制系統(tǒng)
測試系統(tǒng)的所有操作功能都集成在操作臺，人機界面設(shè)計比較友好，操作臺面板主要由LCD液晶顯示器、泰克TDS2012B，2通道，8位，100MHz帶寬，最高采樣率1.25GHz示波器、三菱FX2N-2AD型PLC觸摸屏以及各操作按鈕組成。
動作負(fù)載測試系統(tǒng)
依據(jù)GB-18802.1要求，SPD產(chǎn)品需要進行動作負(fù)載測試，為此專門設(shè)計了動作負(fù)載測試系統(tǒng)。動作負(fù)載電源部件包括工頻試驗電源一次電氣回路，調(diào)壓器、隔離試驗變壓器和電源控制單元。試驗電源輸入：220VAC，單相，50Hz；輸出電壓：DC/AC 0-1000V可調(diào)；輸出電流： 0-5A連續(xù)可調(diào)；可調(diào)過壓過流保護單元。動作負(fù)載同步移相角度0-360°可調(diào)，調(diào)節(jié)步長±1°，移相精度±3°。
溫度熱穩(wěn)定測試系統(tǒng)
SPD產(chǎn)品的溫度熱穩(wěn)定性測試是標(biāo)準(zhǔn)中的一項重要的參數(shù)，關(guān)系到產(chǎn)品的安全性。溫度熱穩(wěn)定測試系統(tǒng)設(shè)計為一臺獨立的單體系統(tǒng)作為這個測試系統(tǒng)的一部分，自動控制系統(tǒng)與操作臺共用，以節(jié)省建設(shè)成本。
直流40kW負(fù)載系統(tǒng)
為了實際測試通訊電源直流48V輸出滿載情況下的雷擊干擾下的真實情況，設(shè)計了直流40kW的負(fù)載系統(tǒng)，可以在800A的電流負(fù)載下進行實際沖擊試驗，對于SPD用于通訊電源的實際雷擊防護效果的考察具有很現(xiàn)實的意義。直流40kW負(fù)載系統(tǒng)被安裝在密閉室中，熱交換通過上下2組軸流風(fēng)機進出風(fēng)達到負(fù)載室的熱平衡。
二、沖擊電流波形分析
雷電沖擊電流測試設(shè)備是采用電容儲能的脈沖功率裝置。
沖擊電流發(fā)生裝置原理分析
沖擊電流發(fā)生裝置采用RLC 串聯(lián)放電回路，經(jīng)過電路分析可知，影響沖擊電流幅值和波形的參數(shù)主要為阻尼系數(shù)α及振蕩角頻率ω，其算式如下：
欠阻尼狀態(tài)
輸出沖擊電流波形為振蕩波形，如果回路電阻為零，將形成周期振蕩。如果回路中存在電阻，將形成衰減振蕩波。這時放電電流為衰減的周期性振蕩電流，它的幅值按 指數(shù)曲線下降。電流達到第一個幅值的時間為：
沖擊電流波尾階段過零后有一反峰，設(shè)計中控制該反向幅值不超過沖擊電流幅值的20%即可滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，實際制作中，在帶有SPD負(fù)載情況下MOV的反峰可以調(diào)試在5%以下，GAS TUBR的反峰可以調(diào)試在10%以下。
沖擊電流波形調(diào)節(jié)方法分析
沖擊電流測試設(shè)備有多種工作方式，分別為：8/20μs、10/350μs、10/700μs、10/1000μs、5/350μs、1.2/50μs組合波，現(xiàn)以 8/20μs和10/350μs常用的波形做如下的分析。
8/20μs 是指輸出雷電沖擊電流，波頭8μs±10%，波尾時間為20μs±10%，此時將由5組或者4組電容器并聯(lián)，獲得電容量為45μF，充電電壓可達70kV。電容器搭接方式。
10/350μs 是指輸出首次雷擊沖擊電流，波頭10μs±50%，波尾時間為350μs±10%，此時最大電容量為864μF，充電電壓可達20kV，電容器搭接方式。
每組電容器上下兩臺，并聯(lián)運行，每組電容量為144μF。如果使用 6 組電容器，那么總電容量為864μF。實際運行中如果在輸出較小電流的情況下，我們可以選用一組或者幾組電容器進行組合。由于沖擊電流測試設(shè)備中沖擊電容量一般是固定的（可以多組搭配使用，但是一旦確定組數(shù)，電容量就不變了），因此調(diào)整電流波形只能采用調(diào)節(jié)電阻和電感的方法。
增加電阻阻值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值降低，波前時間變小，波尾時間變長。減小電阻阻值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值增加，波前時間變大，波尾時間變短，反峰幅值也變大。
增加回路電感值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值降低，波前時間變大，波尾時間變長，反峰幅值變大。減小回路電感值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值增加，波前時間變小，波尾時間變短，反峰幅值變小。一般而言通過變化回路電感值，影響較大波頭和波尾時間，電流峰值也有影響。
充電電壓：一般情況下，充電電壓絕對不能超過電容器額定電壓。長期使用過程中，充電電壓建議不超過額定電壓的80%，以保證電容器的安全運行和提高電容器的使用壽命。
觸摸屏控制系統(tǒng)
在測控系統(tǒng)操作臺上設(shè)計有一個自鎖按鈕開關(guān)和一個急停按鈕，按下自鎖按鈕開關(guān)，控制回路接通電源；在緊急情況下，按下緊急按鈕，系統(tǒng)停止工作，切斷電源，主回路自動接地放電，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。
系統(tǒng)啟動后自動進入觸摸屏主控界面，在主控頁面內(nèi)可以通過簡單的觸摸操作完成對系統(tǒng)的所有控制，并且將系統(tǒng)的運行狀態(tài)直觀的以圖形動畫顯示出來。主控界面主要包括三部分，圖形顯示區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)和操作區(qū)。
圖形顯示區(qū)：可以直觀的以動畫的方式檢測到控制系統(tǒng)各個部件當(dāng)前的狀態(tài)。如當(dāng)系統(tǒng)主回路電源處于合閘狀態(tài)時，開關(guān)閉合，顯示為紅色。充電時導(dǎo)線變?yōu)榧t色，說明正在充電，電容器根據(jù)充電電壓與設(shè)置電壓以百分比填入，可以直觀看到充電情況，并以文字形式顯示當(dāng)前電壓。
而觸發(fā)球可以直觀的顯示出當(dāng)前觸發(fā)球的間距并根據(jù)觸發(fā)球的間距自動調(diào)整顯示球的位置，并伴以數(shù)字顯示當(dāng)前球隙的間距。
系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當(dāng)前系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)，故障信息，以及各部分的運行狀態(tài)。
操作區(qū)：操作區(qū)有9個按鈕組成，可以對各種試驗參數(shù)進行設(shè)置和運行。
三、檢測單元
檢測單元是雷電防護測試中心所有設(shè)備中的關(guān)鍵單元，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到試驗數(shù)據(jù)的真實性。測試電流互感器是整個裝置最為重要的部件，在整個測試量程中的線性度是選擇電流互感器的主要環(huán)節(jié)，經(jīng)考察，我們選擇了美國皮爾森公司的產(chǎn)品，0-200kA和0-50kA的兩個電流互感器，以滿足各量程狀態(tài)下的測試精度。
高壓分壓器選用上海冠圖防雷科技有限公司的五個產(chǎn)品，該分壓器采用了高精度、高穩(wěn)定度的玻璃釉電阻進行分壓匹配，同軸輸出，并經(jīng)西高所校準(zhǔn)合格。
示波器選用美國 Tektronix 公司TDS-2102型示波器，用來捕捉?jīng)_擊電流波形和被測樣品上的殘壓。
四、測試界面
雷電防護測試中心完成安裝調(diào)試后，對中達電通股份有限公司現(xiàn)有的防雷產(chǎn)品嚴(yán)格按照GB-18802.1-2002標(biāo)準(zhǔn)YD/T1235.1標(biāo)準(zhǔn)進行了測試，圖12為SPD產(chǎn)品的測試界面，測試界面圖形可以自動存盤、打印，同時通過軟件對應(yīng)實現(xiàn)自動報表。
五、結(jié)束語
雷電防護測試中心的設(shè)計與建設(shè)屬高電壓領(lǐng)域，涉及到高電壓、強脈沖沖擊電流。儲能脈沖電容器的質(zhì)量必須高度重視，目前國內(nèi)外普遍使用的是國產(chǎn)的四川綿竹品牌的電容器，根據(jù)筆者多年的使用體會，四川綿竹的電容器是比較可靠的產(chǎn)品，國內(nèi)一些引進的測試系統(tǒng)也使用了該品牌的脈沖電容器。設(shè)計中要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行，并認(rèn)真做好設(shè)備選型工作。工程施工不可馬虎，做好絕緣措施，測試中心還需要考慮調(diào)溫、調(diào)濕，空氣濕度偏高會帶來高壓升壓困難。
目前，該雷電防護測試中心已經(jīng)建設(shè)完成運行正常，經(jīng)機械工業(yè)第五（西安）計量測試中心站現(xiàn)場實際校準(zhǔn)，獲得校準(zhǔn)證書，通過驗收并已經(jīng)在申請國家級實驗室認(rèn)證過程中。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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