雷电辉光弧光测试仪的研制
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摘 要：文章从气体放电的原理出发，阐述了气体放电的类型、原理以及伏安特性，分析了气体辉光、弧光电的放电机制。从而提出了一种对于触发并维持气体放电管等电气元件的辉光、弧光放电一定时长的测试方法，研制出一台针对开关型电涌保护器中气体放电管之类的电气元件的辉光、弧光放电测试设备。
关键词：辉光弧光；气体放电；SPD
引言
气体作为一种良好的绝缘体，气体的这种绝缘性质是在一定条件下的属性，可以在一定的条件下转变为导体，即辉光弧光放电现象。辉光放电现象是把被研究的气体放入封闭的玻璃管内，通过改变气体的压强和外加电压，从而看到种种异常复杂的现象，来分析气体放电的复杂特性。文章所研制的辉光弧光放电测试仪是一种能够产生高电压的发生装置，用于测量开关型电涌保护器在工频电压作用下，何值时可以点火动作，其两端的电压值是多少，判断是否出现续流问题，广泛应用于各类气体放电管的冲击检测与绝缘性能研究领域。
1 辉光弧光放电测试仪的设计方案
辉光弧光放电测试装置的主要组成部分由电源退耦电路、调压电路、限流分压电路、升压电路、定时开关电路、电压指示测量电路、电压指示电路及几个控制电路等组成，其工作过程是事先预置一个测量电压值，根据被测器件的点火电压值，因为放电管的点火电压值的标准参数误差均为20%左右，由控制电路Ⅳ给定时，开关电路提供一个触发信号，定时时间为100ms，为市电周期的五倍，在测量电路中能够提到4～5市电周期的辉光弧光放电现象。测量电路是利用数字存储示波器等被测器件的电压及电流波形。本设备在研制过程中将高压与控制回路分两层放置，且高压器件之间用绝缘性能较好的高压线联接，同时对高压放电回路与控制电路部分的线路采用合理的综合布线，确保设备器件安全运行与设备稳定性（图1）。
图1 辉光弧光放电测试设备原理方框图
图2
2 辉光弧光放电测试仪的电路设计
如图2所示，电路主要组成由K1、K1-1高压合分控制电路由固态继电器构成主要电流通道，高压分合控制电路由继电器构成自锁电路控制。B1是AN2、AN3控制的电动调压装置，按下AN2电压升高，按下AN3电压下降，根据器件点火电压的大小调整所需的电压值，R1及R00-R09构成分压限流电路，R11取值较大为200Ω，R00-R09取值较小为5Ω，分为10个档调整电流的大小，保证准确的测量辉光弧光放电现象，定时开关、定时器及AN1，定时开关为主电流通道，由固态继电器组成，电流选用20A、电压为220V的交流双向导通继电器，定时器由NE555芯片构成的100ms定时器。按下AN1按键延时约50ms后输出100ms的高压电平脉冲，触发定时开关，输出4-5个市电周期的电压。R1为放电回路的限流电阻，取值为1200Ω，R2、C2、R3、C3构成RC分压器。RC分压器的特点与频率响应特性好，测量精度高等特点，R4为电流取样电阻，采用10w1Ω的无感精密电阻，示波器的CH1、CH2两个通道分别取SPD的两端的电压及流过SPD的电流。开关电源输12V的电压，作为控制电路，定时电路的直流提供电源。
电路工作的主要过程是接通220V供电电源，按下高压分控制按键，调整合适的预置电压，通过AN2、AN3电压升降按键开关，在电压表中读出电压数据，将电流选择档放在最小的位置，按下AN1接通高压，在被测试品中采集、电流波形，观察波形的特点，如被测试品无放电现象，将微调电阻选择档位提升放在大的位置上，依此类推，只有这样才能准确地采集到被测试品的辉光弧光放电现象。
3 辉光弧光放电测试仪的主要参数、使用说明以及制作工艺
3.1 辉光弧光放电测试仪主要技术参数
充电电压：范围：0-3.5kV；有数字表显示。波形输出及测量：冲击电压输出通过冲击分压器进行测量，可通过前面板上的BNC插座，供外接示波器测量，并得到相应数据。接地：本测试仪为金属外壳，通过后面板上的接地端接地。电源：交流220V±10%，50Hz， 150W。体积体重：长×宽×高 55cm×65cm×115cm；30kg。用途：本测试仪主要用于检测气体放电管以及带有气体放电管的SPD的辉光弧光放电试验。
3.2 操作方法
（1）检测设备接地、供电电压以及供电回路是否正确。（2）正确连接试品，看好正负极性。（3）确认电压调节开关在关闭的位置。（4）按下电源按钮再按下高压合按钮。（5）拨动电压调节开关，一边观察数字表所显示充电电压的数值，当数字表显示的数值稳定在所需要的电压时，拨回开关。（6）按下触发按钮，并观察放电现象。如放电现象不理想，则旋转微调按钮，直到有理想的辉光或弧光放电现象产生。（7）用示波器测量输出波形与输出电压。（8）实验结束时，将电压调节开关调至最低位置，按下高压分并关闭电源。
3.3 电路板的设计及与印刷
（1）电路板的设计及与印刷：文章所用的印刷电路板为单面印刷版。其流程为：设计电路结构-画电路板-腐蚀-去除印料-孔加工-印标记-涂助焊剂-成品。（2）布线规律：在设计时，要为布线设计留有空间、高压或大功率元件，如设备中的大电容、升压器与低压小功率元件分开布线。且要用高压导线，导线转折点内角不小于90°。布线结构设计时，交流负载功率的电线不能与其他控制线或信号线捆成一束。在可能的情况下应尽量使导线长度达到最短，而且要标号。（3）焊锡工艺：本设备所用的焊锡为高温焊锡。（4）面板制作：面板应选择有一定机械强度但是应尽量薄且方便钻孔的面板。钻孔前，应用游标卡尺在不同方向测量按钮、开关及表头的尺寸。应用铅笔在面板上画好各个按钮的位置。选择钻头时，应选择比测量值等值或偏小的钻头，以免孔钻大，造成不必要的麻烦。钻孔时，按照之前画的按钮的中心开始钻，过热时，向钻头泼水。孔钻好之后，用抹布擦干净。孔的边缘用锉刀锉平滑。
4 气体放电管的分析实验与LPL-Ⅱ辉光弧光放电测试仪波形
4.1 气体放电管的工作原理
气体放电管是一种间隙型的雷电保护元件，它在通信系统的雷电保护中已获广泛应用。它通常用于信号线路中多级保护电路的第一级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。在电力输电系统中可用于中线与保护地线。放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频信号线路的雷电防护有明显的优势。
本组选用470L07041气体放电管（GDT）进行放电测试。冲击电压为470V，分别进行了冲击放电试验。设备冲击GDT放电时，可以清楚地看到气体放电管间歇性地发出耀眼弧光，辉光则较暗。从示波器反映的波形可看出一个完整放电周期为20ms，一次100ms的放电至少可使气体放电管完整放电4-5个周期。从一个完整的放电周期波形分析，气体放电管放电时，在经历一个极其短暂的暗放电区后，电压迅速上升，在上升陡度极大的区域为正常辉光放电区，整个间隙仍呈上升的伏安特性，气体放电管两端的压降较大，最大值为其型号最大管压降470V，管子还是处于绝缘状态，此时管内发出明暗相间的辉光。之后发生波形畸变，放电进入时间较为长的过渡区。波形最后进入一段稳定的区域，此为弧光放电区。放电时我们可以看到管内出现明亮的弧光。由图可知，此时较为稳定管压降较低大概为50V，间隙被完全击穿，处于被持续短路的状态。以上是一段完整周期的GDT放电。由测试分析得出，LPL-Ⅱ型辉光弧光放电测试仪，具有冲击气体放电管，使其进行正常完整的放电4-5个周期。从实验结果可看出当冲击电压冲击气体放电管时，气体放电管具有很好的限压特性，具有很好的泄放雷电流的性能，为信号系统SPD的前级保护电路。但可以看出其响应时间较慢，所以在选用气体放电管时，要结合后级保护元件的响应时间和限压能力及保护设备的耐压水平来选择气体放电管的型号。
5 结束语
本次研制的LPL-Ⅱ型辉光弧光放电测试仪，具有很好的实用效果。其中设备内部布线采用高压线路与控制线路分开布局的布线方法，这样可以确保设备内部器件的运行安全和设备的稳定性；微调旋钮的创新设计方便了对放电现象不理想时能进行细微地调试；对设备内部直流供电电源的保护设计确保了设备的安全运行。由于其性能稳定，操作方便，现已投入到日常的教学与防雷元件测试工作中，具有性能稳定、输出误差较小与操作方便等优点。