适用于脉冲电声法的ns级超窄高压脉冲发生器的研制

崔翔，唐征岐，施勇，王毅，周荣成，潘捷

（1.上海电力学院，上海200090；2.上海绿色环保能源有限公司，上海200090；3.国网上海市电力公司崇明供电公司，上海202150）

0 引 言

固体绝缘材料在电场的作用下，其内部每个结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多余的电荷成为相应位置上的空间电荷［1］。这些空间电荷形成的库伦场与外施电场叠加，导致电介质内部的电场分布发生畸变，从而影响电介质的介电性能，如击穿性能、导电性能等。因此，了解材料的空间电荷分布状态对于掌握固体绝缘介质的电荷输运特性有着重要意义。

经过三十多年的发展，电声脉冲法已经成为一种无损、高效的测量固体绝缘中的空间电荷的方法，在实际中得到广泛应用。由电声脉冲法测量原理可知，空间电荷分布信号的强弱、信号的形状都与高压脉冲的幅值合形状有关，可见ns级脉冲发生器的参数直接影响了测试系统的测量范围和精度。根据PEA法空间电荷测试系统对电声脉冲法的测量要求，在分析脉冲形成线形成脉冲机理的基础上，利用脉冲传输线技术研制了一台脉冲宽度为20 ns～100 ns、脉冲幅值为0～3 500 V的频率可调的ns级超窄高压脉冲发生器。

1 电声脉冲法空间电荷测量原理

PEA法测量原理为：在试样上施加前后沿较短的窄脉宽高压电脉冲，试样中的空间电荷在这个脉冲的作用下，将产生相应的压力波脉冲，由压电传感器接收和测量压力波脉冲，即可以得到相应的试样中空间电荷的分布情况［2］。测量原理如图 1所示［3］。

图1 脉冲电声法测量原理Fig.1 Measurement principle of PEA method

高压脉冲发生器产生的高压脉冲与压电传感器的厚度共同影响着PEA测试系统的分辨率与灵敏度［2］。研究表明，脉冲宽度越宽，传感器越厚，灵敏度越高；若脉冲宽度为理想脉冲，传感器厚度非常小时，分辨率最高。被测试样厚度、脉冲宽度与传感器厚度的适当参数选择见表1［4］。为了适应不同厚度的试样，所研制的脉冲发生器的脉冲宽为20 ns～100 ns。

表1 不同厚度试样对应参数Tab.1 Parameters of samples with different thickness

2 ns级超窄高压脉冲发生器总体框架设计

ns级超窄高压脉冲形成原理如图2所示。其工作原理：利用高压电容充电电源提供脉冲能量，同轴电缆为脉冲形成线，通过脉冲控制电路控制水银继电器的动作，周期性释放脉冲形成线的能量，产生不同脉冲形成线长度所对应的不同脉冲宽度的ns级脉冲。

图2 ns级高压超窄脉冲形成原理图Fig.2 Forming principle diagram ns-class high voltage ultra narrow pulse

整个系统主要由高压直流电源、水银继电器控制电路、脉冲形成电路三部分组成。文中使用CCM300型高压电容充电电源作为高压直流电源，该电源输出电压精确可控，输出电流恒定可控，抗干扰能力强，可输出0～10 kV的直流电压，并且体积小巧，利于设备整体的小型化。

基于脉冲形成线原理，论文对其相应的脉冲形成电路进行了设计，系统原理如图3所示。电阻R1为限流保护电阻，选取2 MΩ/5 W，W1、W2为脉冲形成线与脉冲传输线，选取SYV-50-3-1型同轴电缆，该型号同轴电缆波阻抗为50Ω。V1为HVDC高压直流电源，R2、R5为脉冲形成线与脉冲传输线的阻抗匹配电阻，R3、R4构成分压器，用于示波器测量输出波形，C1为隔直电容，用以消除信号中的直流分量，C2为被测样品的等效电容。

图3 脉冲控制电路Fig.3 Pulse control circuit

脉冲形成电路工作过程为：当开关断开时，HVDC高压直流电源通过限流电阻R1为脉冲形成线充电；当开关闭合时，脉冲形成线上储存的能量开始释放，并通过脉冲传输线传输至试样处。隔直电容C1的主要作用是消除脉冲信号中的直流分量，起到了一定的滤波作用，但是隔直电容会分担一部分试样的脉冲电场，有研究表明［5］，C1的电容值为C2的电容值的10倍时，试样能获得大部分脉冲电场。

设内导体直径为a，外导体直径为b，同轴电缆内外导体绝缘为εr，真空介电常数为ε0，则同轴电缆单位长度电容C0为：

设同轴电缆的波阻抗为Z0，则根据波阻抗公式：

可以求得同轴电缆单位长度电感L0。根据C0和L0则可求得电磁波在同轴电缆中传播的速度v为：

设同轴电缆的长度为l，则根据同轴传输线脉宽计算公式：

可得同轴电缆的长度与脉冲宽度成正比，即可以通过截取不同长度的同轴电缆即可改变不同的脉冲宽度。

另外，脉冲传输线的作用是将脉冲由脉冲形成线传输至被测试样，为了减小脉冲发生展宽与衰减的影响，在不影响连接性能的情况下，应尽可能地减小脉冲传输线的长度。

3 匹配阻抗对波形的影响分析

利用同轴电缆产生脉冲的电路，实质上是一种射频电路，射频电路的匹配阻抗会对脉冲波形造成影响。当匹配阻抗与脉冲传输线的波阻抗相等时，称为阻抗匹配，若不相等，称为阻抗失配。由于脉冲形成线产生的脉冲宽度可以等效为电磁波在传输线中传播的时间，因此传输线的放电过程需要用分布参数来处理。设传输线的特性阻抗波为Z0，被充电到－VB的电压，负载电阻为RT，则单传输线对负载放电的等效电路如图4所示。

图4 单传输线对负载放电等效电路Fig.4 Equivalent circuit of load discharge single transmission line

电路方程为：

当t＝0时，传输线内筒已被充电到 －VB电压，相应于传输线上电压为VB，初始条件为：

边界条件为：

对式（5）进行拉式变换，并利用初始条件得到：

边界条件经拉式变化后改写为：

由式（8）可得：

此方程的解为：

由此可得，负责上的电压为：

由式（13）可得波形图为如图5所示。由图可知，在0≤t≤τ期间，负载RT上产生了幅值为VB/2，脉冲宽度为2l/v的电压脉冲，输出电压极性与充电电压极性相同。

图5 R T＝Z0时传输线放电波形Fig.5 Transmission line discharge waveform when R T＝Z0

把分母展开成幂级数，可得：

进行拉式反变化可得：

由此可得非匹配负载下的电压波形，当0＜k＜1，即RT＞Z0时，波形呈阶梯状衰减，极性不变，如图6所示；当－1＜k＜0，即RT＜Z0时，波形呈震荡衰减趋势，极性发生周期性变化，如图7所示。

图6 非匹配负载0＜k＜1时的电压波形Fig.6 Voltage waveform of non-matching load when 0＜k＜1

图7 非匹配负载－1＜k＜0时的电压波形Fig.7 Voltage waveform of non-matching load when－1＜k＜0

4 水银继电器控制电路设计

由上述的脉冲形成原理可知，高压开关的动作直接关系到高压脉冲的波形和测试信号的稳定性。本文采用高压水银继电器作为切换开关，其为某公司生产的水银继电器，控制电压为12 V，最大耐受电压为8 000 V，动作时间和释放时间均为3 ms。为使继电器能稳定高效工作，设定计算最小动作周期为T＝10 ms，最大动作频率为：f＝1/T＝100 Hz。但是，频率过高会快速降低水银继电器寿命，为此论文设计了频率可调环节，实现在不影响测量信号的前提下降低开关频率的目的。

为了实现对上述水银继电器的控制，论文采用555定时器构成的施密特触发器来控制水银继电器，其电路如图8所示。其工作过程为：开始时C1电压为零，端子VCC和RST上施加输入电压充电VDD，端子THR和TRI电压为零，电容C1被充电，Vc上升；当C1上的电压升到2/3 VDD时，触发器复位，此时，VO为低电平，电容C通过R2和T放电，使C1上的电压下降；当C1上的电压下降到1/3 VDD时，触发器又被置位，VO翻转为高电平类似地，当C1上的电压上升到2/3 VDD时，触发器极性翻转，故在充放电过程中，端子OUT上VO控制的三极管相应地导通与截止，在输出端就得到一个周期性的方波，如图9所示。

图8 水银继电器控制电路Fig.8 Control circuit of mercury relay

图9 脉冲电路控制信号波形Fig.9 Control signal waveform of pulse circuit

其占空比为：

频率为：

在设计过程中，在满足水银继电器动作和释放时间的条件下，应尽可能使占空比小于或者等于50%，达到降低限流电阻的功率损耗的目的。

5 试验结果及讨论

利用上述原理搭建了脉冲发生器，该脉冲发生器可以通过调节高压直流电源的输出电压来调节脉冲的幅值，改变脉冲形成线的长度可以改变脉冲宽度。文中同轴电缆的特性阻抗为50Ω，示波器测量的分压电阻变比为10：1，图10为在不同匹配阻抗下的脉冲波形。当匹配阻抗为100Ω时，脉冲呈阶梯状衰减，并且会使脉宽延宽；当匹配阻抗为25Ω时，脉冲震荡衰减，并使脉宽减小。图11为脉宽分别为20 ns、40 ns、80 ns的脉冲波形，其脉冲形成线的计算长度分别为1.72 m、3.44 m、6.88 m，由图中可以得出，脉冲宽度成比例增加，符合前面讨论的脉冲宽度与脉冲形成线的长度成正比的结论。

值得注意的是，脉冲形成线的放置方式也会对脉冲造成影响，如图12所示，在同样的直流高压电压下，相比较将同轴电缆折叠成盘型放置，将同轴电缆铺开放置会使脉冲波形的幅值更高，得到更好的效率，并且使脉宽更靠近计算脉宽。初步分析认为，将同轴电缆折叠成盘型放置会增加脉冲形成线的杂散电容与杂散电感，在射频技术中，杂散电容与杂散电感会影响信号，使信号发生衰减或者失真。

图10 不同阻抗匹配下的脉冲波形Fig.10 Pulse waveform with different matching resistance

图11 不同脉冲宽度的脉冲波形Fig.11 Pulse waveform with different pulse width

图12 不同结构的脉冲形成线的脉冲波形Fig.12 Pulse waveform with different PFL structures

6 结束语

基于脉冲形成线原理设计了超窄高压脉冲器，该脉冲发生器能够输出不同频率（20 Hz～100 Hz）、不同脉宽（20 ns～100 ns）、不同幅值（0～3 500 V）的高压脉冲，达到空间电荷分布测量的要求，可适用于不同空间分辨率的电声脉冲法空间电荷分布测试系统。分析了匹配阻抗大小对脉冲波形影响，得出如下结论：

脉宽和传输线长度成正比，脉冲形成线的放置方式也会影响脉冲波形。线缆的波阻抗与匹配阻抗不相等时会对波形产生影响，当匹配阻抗大于波阻抗时，波形呈阶梯状衰减，极性不变；当匹配阻抗小于波阻抗时，波形呈震荡衰减趋势，极性发生周期性变化。利用水银继电器可实现对高压的可靠切换，可得到稳定的超窄高压脉冲，这克服了干璜管动作过程中的抖动对高压脉冲的影响。