10 kV直流高压触发电路的设计与应用

谢 德 姚 宏 孙良勤

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）

0 引言

在某大型研究项目中，为评估某化学含能材料在外加高电压触发条件下的安全性能，需要使用10 kV直流高压触发电压对这一化学含能材料进行动感放电试验。在数据采集中，对触发电路的储能电容、放电限流电阻、采样电阻及电路分布电容等参数均作了严格限定。鉴于此，根据设计参数要求，对电路进行设计，对电路元器件进行选型，成功设计出了10 kV直流高压触发电路，经验证完全符合试验要求。

1 触发电路参数要求与设计原理

由于试验的特殊性，10 kV直流高压触发电路设计对参数进行了严格要求：（1）储能电容数值为（0.12±0.006）μF，耐压大于等于10 kV；（2）放电限流电阻在（20±1）Ω范围取值，采样电阻阻值为（0.1±0.005）Ω，耐压大于等于100 V；（3）放电电路的分布电感小于等于5 μH。根据触发电路参数要求，设计的主要电路包括：触发控制电路、高压充电电路、触发放电电路及信号采样端。10 kV直流高压触发电路设计原理框图如图1所示。

图1 10 kV直流高压触发电路设计原理框图

电路设计原理：试验时，按下高压触发电路启动按钮，高压充电电源得电工作，充电至15 kV直流高压电后，通过高压输入端口向高压触发器中的充电回路输入高压。15 kV直流高压经过充电回路的整流、滤波与降压后，得到试验所需的10 kV直流高压并存储在充电回路的高压储能电容内。此时，高压触发器中的高压数显表提示试验所需的高压电源已经充满，达到触发要求。接着将同轴电缆的一端连接在高压触发器面板后的高压输出端口，同轴电缆另一端由铜网和铜芯做成的试验夹具将某化学含能材料试验件固定好，数据信号采样端口连接图形示波器，将高压触发器通过接地端口可靠接地，高压触发放电准备工作完成。按下触发按钮，根据触发设定时间，0.5 s完成一次对试验件的高压触发，高压表显示归零。按下复位按钮后，高压充电电源对高压触发器中的充电回路进行第二次充电，为下次触发做准备，并可进行多次循环触发试验工作。

2 直流高压触发电路主要元器件选择

直流高压触发电路所用到的电气元件包括中间继电器、分压电阻、开关电源、数显电压表、时间继电器等，本节主要介绍电阻器与直流式时间继电器的作用和特点。

2.1 电阻器的选择

通常电阻器作为分压器、分流器和电路中的负载电阻，它与电容器一起可以组成滤波器及延时电路，用作电源电路或控制电路中的采样电阻；在半导体管电路中采用偏置电阻确定工作点，电路的阻抗匹配采用电阻器；电阻器还可用于降压或限流等。总之，电阻器在电路中的作用非常多，电路设计中用到电阻器的地方比比皆是[1]。本文所述10 kV直流高压触发电路有其特殊性，需要使用多种具有分压、放电、数据采样作用的电阻，综合各类电阻的优缺点，选择了耐压及散热较好的金属电阻器和金属氧化膜电阻器（图2）用于电路的分压、分流，这两种电阻应用于高压触发电路优点十分突出。

图2 金属电阻器（上）和金属氧化膜电阻器（下）

2.2 时间继电器的选择

由于需要实现10 kV直流高压的瞬间放电，所以要选择一种能够快速接通和断开高压放电电路的电子元件，时间继电器就是一种用于接通或切断电压较高、电流较大电路的电气元件。时间继电器是一种自动开关装置，其利用电磁原理或机械原理实现延时控制[1]，当输入的动作信号加入（或去掉）后，其输出电路需经过规定的准确时间（或触头动作）才能产生跳跃式变化。本文所述电路由于是用低电压控制高电压瞬间（0.5 s）放电，根据高压直流触发电路的特点，优先选择了直流电磁式时间继电器（0.3～1.6 s）作为触发时间控制单元，如图3所示。它结构比较简单，具有延时短的特点，通常用于断电延时场合和直流电路中，可以在高压触发电路所需的设定范围内设定多个时间点位。

图3 直流电磁式时间继电器

3 直流高压触发电路设计

3.1 10 kV直流高压控制回路设计原理

根据试验数据要求，在设计10 kV直流高压控制回路时，供电电源选用了24 V安全电压，以此来保护试验操作人员的安全，用可调节时间继电器来控制高压充放电的间隔长短。根据以上要求设计的10 kV直流高压触发控制电路原理框图如图4所示。

图4 10 kV直流高压触发控制电路原理框图

电路工作原理：按下电源开关SB1后，电源指示灯HL1亮，开关电源U1工作。复位按钮SB3与触发按钮SB2形成互锁，此时不工作。当按下复位按钮后，SB3常开触点闭合，此时中间继电器KA4工作，KA4的一组常开触点形成自锁，使KA4保持工作状态，24 V通过KA4的另一组常开触点，使高压真空继电器KA1工作，主回路开始充电。按下触发按钮SB2，SB2常闭触点断开，KA4停止工作，SB2常开触点闭合，中间继电器KA3工作，KA3的一组常开触点形成自锁，使KA3保持工作状态，供电电源通过KA3的另一组常开触点，保证延时继电器KT1正常工作。KT1延时一定时间后，一组触点控制高压真空继电器KA2吸合，另一组触点控制触发指示灯HL2亮，高压放电触发。

3.2 10 kV直流高压充电与触发电路设计及工作原理

10 kV直流高压充电与触发电路设计如图5所示。

图5 10 kV直流高压充电与触发电路

电路工作原理：按下电源开关后，高压触发器处于待机状态，此时高压真空继电器KA1、KA2不工作，触点都处于断开位置。当按下复位按钮后，KA1的触点接通，高压经过限流电阻R1对高压电容C1进行充电，高压电压表PV1采集由R3、R4组成的分压器上的电压信号，并实时显示充电电压。电充满后，按下触发按钮，KA1的触点断开，KA2的触点吸合，高压电容C1内的电荷通过限流电阻R6对负载RL放电，R5的作用是放电完成后将高压C1内的残余电压消除。若需要再次充电触发，重复以上步骤即可。

4 10 kV直流高压触发控制器的制作

根据试验要求，成功设计出了10 kV直流高压触发控制电路和高压充电回路。电路整体设计完成后，联机进行电路调试，电路工作正常，达到了测试数据采集的要求。在完成电路设计和调试后，将10 kV直流高压触发电路制作成高压触发仪器以备后续试验继续使用，仪器前后面板如图6、图7所示。

图6 10 kV直流高压触发器前面板图

图7 10 kV直流高压触发器后面板图

5 10 kV直流高压触发电路的应用

10 kV直流高压触发电路制作完成后，顺利实现了某化学含能材料的动感触发放电试验，成功地采集到了放电波形图，如图8所示，深色曲线为5 kV高压触发充放电波形，充电上升沿陡峭，充电时间短，放电较为平缓，放电时间较长，均符合设计与试验要求。通过对试验数据的分析，验证了10 kV直流高压触发器在化学含能材料高压放电试验中的应用切实有效，且可靠性高。

图8 试验触发波形图

6 结语

根据某一化学含能材料的试验要求，在满足各种外部条件的情况下，笔者设计并制作出了10 kV直流高压触发电路，并对其安全性、可靠性进行了验证。这种触发电路可以很好地用于本次动感高压触发试验，收集了试验所需的有效数据。10 kV直流高压触发电路也可在今后的试验项目中继续用于电路方面的改进，更好地适应更多类型试验设计要求，从而用于更多种类的放电试验。