气体火花开关抗电磁干扰特性的研究

摘要：研制了一个高电压同步控制系统，它具有非常强的抗电磁干扰能力。该系统基于光电隔离和高反向偏置电压可控硅。它可以可靠地按事先设定的时序，先后输出5路2万伏的高电压触发脉冲。并且它的时延调节精度为10ns，最大时延为1秒。该系统被用于气体火花开关气体绝缘恢复的“双脉冲”实验中，很好地完成了被试气体开关前后放电以及诊断仪器的时序控制工作。

关键词：同步系统；高电压触发，抗电磁干扰；光电隔离

中图分类号： O441文献标识码： A 文章编号：

1“双脉冲法”主实验电路

在脉冲功率技术领域，人们经常需要一个高电压同步控制系统，它能够按预定时序先后输出两路或两路以上的高电压脉冲，分别触发多个高电压开关，使它们按预定的时序先后放电。例如，在进行气体火花开关的气体绝缘恢复研究时，一般用双脉冲法对被试气体火花开关进行实验，如图1所示[1]。

图1 气体火花开关气体恢复的“双脉冲法”实验

气体火花开关中气体恢复特性研究的实验平台中的主实验电路，其结构如图5.1所示。在“双脉冲法”实验中，需要将两个完全相同的脉冲电压先后施加到被测气体间隙上，第一个脉冲电压使得气体间隙在过电压下（即超过静态击穿电压）自击穿，第二个脉冲电压使该间隙在较低的电压下自击穿。随着两个脉冲电压之间的时间间隔增大，逐渐增大，直至。随的变化曲线就称为气体火花开关的耐受电压恢复特性。

为了产生两个完全相同的高压脉冲，主实验电路中左右回路的参数应完全一致。主实验电路的结构主要包括以下几个部分：调压器、变压器、高压硅堆、被试两电极开关、2个三电极开关、2个场畸变开关以及测量装置。高电压同步控制系统在t = 0送出1路高电压触发脉冲，使触发开关1击穿，储能电容器C1向被试气体火花开关放电。放电熄灭后，经过一个预定的延时，同步控制系统又送出1路触发脉冲，使触发开关2击穿，C2向被试气体火花开关放电，这就是所谓的“双脉冲”实验方法。

但是，这种类型的实验常常由于高电压同步控制系统的误动作而失败。失败的原因在于：首先放电的火花开关将产生很强的电磁干扰，该干扰沿着高电压触发电缆及电源线，或直接从空间进入高电压同步控制系统，并误触发该系统中此时本不该动作的后续触发电路，导致所有的火花开关几乎同时被击穿。

本文介绍一种基于光电隔离和高偏置反压可控硅的多路高电压同步控制系统，其原理如图2所示，该系统的特点是：① 基于FPGA的多路时延发生器是一个完全电磁隔离的独立单元；② 时延发生器后面的各路脉冲电路之间相互完全独立；③ 时延发生器后面的脉冲电路中的开关器件都处于高反向电压偏置状态，其逻辑状态不会因为电磁干扰而翻转。该系统很好地完成了双脉冲法实验中前后放电的时序控制。

2主实验电路的工作原理

正常工作时，220V市电经过调压器T1、变压器T2以及高压硅堆产生高压直流电源，该高压直流电源经过水阻R1向电容器C1充电至电压U0，同样的经过水阻R2给电容器C2充电至电压U0。由于都是同一个高压直流电源充电，电容器C1和C2上的充电电压相同。

电容器C1和C2的充电电压U0同时加在场畸变开关1和场畸变开关2的主间隙上。在未动作前，场畸变开关的上电极电位为U0，下电极电位为0。场畸变开关上下电极间的电场分布是比较均匀的，触发电极处于上下电极间的某一个等位面上，这样可以保证上下电极间的电场分布不因触发电极而改变。通过分压电阻R3和R4给场畸变开关1的触发电极提供一个电压，使得场畸变开关1的间隙近似为均匀场；同理通过分压电阻R6和R7给场畸变开关2的触发电极提供一个电压，使得场畸变开关2的间隙近似为均匀场。为了实验安装的方便，R3、R4、R6、R7均为200M，也就是场畸变开关1和场畸变开关2的触发电极均安装在50%等位面上。因此，场畸变开关1和场畸变开关2触发电极上的电压均为U0/2，三电极开关1和三电极开关2高压电极上的电压也均为U0/2。

当高压脉冲触发信号1到达三电极开关1的触发极，导致三电极开关击穿，电缆的左端被短路接地，它的电位由原来的U0/2突然变为零。根据传输线上电磁波折反射原理，这时有一个- U0/2电压波通过电缆向右传播，当它到达电缆末端时，加在场畸变开关1触发电极的电压变为0。由于电缆末端近似为∞阻抗，- U0/2电压波发生全发射，因此在场畸变开关1的触发电极上就得到了一个- U0/2的脉冲电压。

场畸变开关1的高压电极和触发电极之间的电位差突然由原来的+ U0/2变为+U0-（- U0/2）=1.5U0，比原来的电压提高了两倍，造成间隙的电场发生畸变，从而使得场畸变开关1的高压电极和触发电极之间发生击穿。这时，电容器C1上的电压就加在了场畸变开关1的触发电极和地电极之间，使得触发电极和地电极之间电压变为+U0，很快击穿。

此时，电容器C1上电压U0通过场畸变开关1加在被试开关间隙上，导致被试开关在Ub1下击穿。经过一定的时间间隔，当高压脉冲触发信号2到达三电极开关2的触发极，同理可知，电容器C2上电压U0通过场畸变开关2加在被试开关间隙上，导致被试开关在Ub2下击穿。由于主间隙在Ub1下击穿后留下一条热的等离子通道，间隙中气体的绝缘性能没有完全恢复，因此得到Ub2≤Ub1。当两路高压触发信号的时间间隔∞时，可以得到Ub2= Ub1。

3主实验电路的测量装置

罗果夫斯基线圈（Rogowski Coil）是测量脉冲大电流最常用的一种传感器。它的特点是结构简单；和被测回路没有电的联系；测量范围广，电流幅值可在十到数百万安培，脉冲上升时间的范围可从小于一个毫微秒到毫秒。罗果夫斯基线圈的测量原理是电磁感应原理和全电流定律。

气体火花开关中气体恢复特性研究的实验平台的主实验电路中，使用罗果夫斯基线圈对被试开关在击穿时产生的脉冲电流进行测量，如图5.1所示。在被试开关的高压电极和地电极之间接一根电线，这根线穿过罗果夫斯基线圈。当被试开关被触发击穿时，产生的脉冲大电流通过罗果夫斯基线圈，通过示波器可以测量出脉冲电流的波形。

4 气体火花开关抗电磁干扰特性实验验证

按照上述实验步骤进行“双脉冲法”实验，分别设定两路高压脉冲的时间间隔为40s和400s，通过罗果夫斯基线圈测量被试开关上的脉冲电流波形，测量结果如图2和图3所示。图2两路脉冲时间间隔为40s时被试开关上脉冲电流

图3两路脉冲时间间隔为400s时被试开关上脉冲电流

通过实验结果可以看出，所研制的抗强电磁干扰的多路时序高压脉冲发生器能够输出精确度高的多路时序高压脉冲，很好地完成了被试气体开关前后放电以及诊断仪器的时序控制工作。该装置对多路脉冲时延的调节操作简单方便，体积小便于移动。该装置的输出稳定性好，在多次实验中成功触发被试开关的概率达到95%以上。该装置还具有非常好的抗强电磁干扰的能力，在多次实验过程中，没有发现被误触发的现象。

参考文献

[1] 许日，宁辉，邱爱慈. 重复率气体火花开关绝缘恢复特性 [J]. 强激光与粒子束，1996, 8（4）：518-521

[2] Xin Xin Wang, Zhuo Zhang. A new method used in constructing a noise-immune trigger generator [J]. Rev. Scienti. Instrum., 1998, 69（10）：3701-3702

[3] Xin Xin Wang, Jianhui Chen. A time delay system with high threshold immunity [J]. Rev. Scienti. Instrum., 2000, 71（1）：315-317