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“利用8/20脉冲波形发生器模拟雷电波形”项目可行性分析报告
一、项目背景及“8/20脉冲波形发生器”概况人工引发雷电和雷电预警预报技术的不断发展和完善给人类探索闪电提供了更多的科学手段近30年来我国的科研工__多次在全国各地引雷成功,为雷电物理和大气电学的研究提供了宝贵的试验数据,同时雷电预警预报技术也在不断发展探索,特别是为服务2008年北京___做了大量的前期研究工作雷电流的光谱和频谱研究是雷电物理研究中的一个重要的新课题,但由于自然雷电发生具有很大的随机性,自然雷电流的测量非常困难,而随着人工引发雷电技术的成熟得到了较多的人工引发雷电流的直接测量结果,同时研究结果也揭示出不同地区雷电特征也存在着较大的差异,这对雷电物理研究和雷电防护工作提出了更高的要求雷电波频谱特征是雷电防护技术的重要依据当雷击于各种线路电力、__、天馈等线路或线路附近时,会在线路上发生雷电流侵入,由于大电流或过电压的作用,从而损坏与之相连的各种电子设备分析雷电波的频谱结构可以获悉雷电波振幅和能量等在各频段的分布,通过这些数据可以估算出通信系统以及电力系统频带范围内雷电冲击波的振幅和能量的大小,进而确定避雷措施,同时在__和研究高性能的电子避雷器方面也具有指导意义在高压技术领域,有学者曾对雷电波的频谱和能量做了分析对雷电闪击中回击电流波的频谱做过分析,也有建立雷电波数学模型,计算其频谱,这些工作都从不同的角度丰富了雷电流波形的探索和研究而通过低频__模拟出雷电波形有助于在安全可控的的条件下,进一步对雷电波频谱特征进行研究根据国家标准,GB50057~94《建筑物防雷设计规范》中对雷击参数的定义,选取相关波形作为文章中的雷电波标准波形GB50057~94中对雷电波的波头时间t1和半峰值时间t2作了以下的规定即电流峰值0.9倍处E与0.1倍峰值点F连一直线,EF的延长线与电流峰值水平线相交于p点,与横坐标交于点t0,(如图1)图中时间间隔t1=tp一to,称为雷电波波头时间,从to到波尾一半峰值M点之问的时间间隔t2=tm-to为雷电波半峰值时间平时我们所说的雷电波波形是用t1/t2us来表示文章采用标准波形8/20us、10/350us、后续雷击0.25/100us和国家标准推荐雷电试验的4种波形]1O/
200、4/
300、1I2/
50、10/700us,共7个波形作为研究对象8/20波形发生器则是通过模拟器件制造出820的低功率波形,并以此来对雷电波频谱特征做进一步研究
二、820脉冲波形发生器的构思及设计由于项目所要求模拟波形的幅值至少在20安培以上,综合考虑,所用日常220v交流电源作为能量来源通过变压器可选变压位12~36v通过桥式整流电路整流为滞留电路如图所示桥式整流后进过耦合滤波成为充电电流充放电电路主要考虑用lrc回路做通过rl的2阶滤波使原来的直流波形转变为所要求的820脉冲波形其中最重要的则是电感对整个电路的容抗匹配容抗的计算和选择关系到最后的输出波形的质量另外电路的另一个重点应该在于充放电开关的控制由于充电电容在充满电之后要对rlc回路放电输出脉冲波形,那么对于开关对充放电时间的控制变显得尤为重要了我们逐步设想可以利用单片机和周围驱动电路通过可编程器件来控制开关的开闭合时间在程序算法中,可通过单片机2个io口分别输出脉冲方波控制,2个脉冲高电平时间可有间隔作为开关缓冲时间高电平时间即分别为2开关控制充放电时间需要注意的是,单片机输出电压为3~5v,故必须外设一运算放大电路升高电压以至能驱动充电控制开关整个820脉冲波形发生器便可通过以上几步实现
三、从雷电波形及能量分析,谈信息防雷保护在此考虑10/350μs电流波、8/20μs电流波、
1.2/50μs电压+8/20μs电流组合波及10/700μs电压通信波四种波形具有一定的代表性雷电试验波形几乎都是很快上升到峰值,然后较缓慢地下降到零的形式,如图1所示,它适用于做与外线连接的含有固体化元器的电子设备雷电试验,但不适用于雷电直击设备和雷电引起的电磁干扰的检验实际上沿通信架空明线线路(现在越来越少)袭入设备的雷电冲击波大部分是振荡波形,沿地下电缆袭入设备的雷电冲击波大部分是持续时间长、近似单极性的双指数波,而雷电直击接地物体使其地电位升高所产生的回击波,多为持续时间较短的单极性波(如图2)对遭受雷电冲击的能量计算如下式E=∫V(t)·I(t)dt=K·V·I·τ(焦耳)其中V――在峰值电流下的箝位电压(伏)I――峰值电流(安培)τ――脉冲时间(秒)K――波形因子在此可以将计算的波形分成两个部分,即前半部当成三角波(波形因子K取
0.5),后半部当成指数波(波形因子K取
1.4)前半部为波上升阶段吸收的能量,后半部为波衰减阶段吸收能量 对于10/350μs波形,主要针对直击雷,或遭首次雷击的暴露环境等这时雷电能量为E=0.5×V×I×10×10ˉ6+
1.4×V×I×(350-10)×10ˉ6=(5+476)×V×I×10ˉ6=
0.481×10ˉ3×V×I (J)即使假设I=50KA,V=1000V,则E=24050 J可见直击雷的能量是非常大的,其防护方法完全不能等同于放置于建筑体内部有着良好屏蔽或分流措施的其它电子设备一般来说处于暴露环境的信息技术设备或系统很少,遭受直击雷的可能性也不大不过高山微波站、__寻呼基站、广播电视塔、雷达等例外,需要采取吸收能量较大的防雷设备作为一级保护对于8/20μs这种典型的模拟于电源线感应或传导引入的试验波形E=0.5×V×I×8×10ˉ6+
1.4×V×I×(20-8)×10ˉ6=(4+
16.8)×V×I×10ˉ6=
20.8×10ˉ6×V×I (J)假设没有避雷针接内,按分流至大地及感应至电源线50%法则,取I=25KA,V=1000V(一级保护),E=520 J与直击雷能量比较,相差两个数量级那么电源的二级保护、三级保护乃至精细保护由于箝位电位的严格要求,冲击能量将更小特别是对于计算机集成芯片或某些精密终端设备工作电压往往从几十伏至几伏,电流从安培到毫安,那么可随能量大至几
十、几个J,小至10ˉ2-10ˉ9 J,所以在电源保护上不同的被保护设备有着千差万别的要求,需要科学对待在一些接口或端口上,雷电浪涌冲击总是以组合波形模拟,比如
1.2/50μs +8/20μs最为常见最近我国依照CISPR第
22、24号出版物制定的GB 17618-1998《信息技术设备的抗扰度限值》国家标准,在交流和直流电流输入端口的浪涌(冲击)抗扰度试验也是采用
1.2/50μs +8/20μs波形它的能量相当于E=0.5×V×I×
1.2×10ˉ6+
1.4×V×I×(50-
1.2)×10ˉ6+
20.8×10ˉ6×V×I=(
0.6+
68.32+
20.8)×V×I×10ˉ6=__.72×10ˉ6×V×I (J)同样取I=25KA,V=1000V,则E=2243 J可见对于端口的冲击能量要大得多信息技术设备有着接口、端口多的特点,因此住处防雷口保护尤为重要因为结构和阻扰不同,对于外线(如对称电缆、同轴电缆)通常推荐用10/700μs波形冲击,尽管架空外线逐渐被管道地埋替代,但现在基本视同于外线与设备交叉处――总配线架为进入端口,上面提到的GB 17618-1998标准中,__端口和电端口的浪涌(冲击)抗扰度试验波形也是采用10/700μs这时冲击能量为E=0.5×V×I×10×10ˉ6+
1.4×V×I×(700-10)×10ˉ6=(5+966)×V×I×10ˉ6=
0.971×10ˉ3×V×I (J)按V=4KV,I=100A计算,E=388 J根据CCITTk..20建议,可以认为这是“一次保护”动作后,__端口承受的最大冲击能量对于__设备,尤其是程控交换机现在基本具有完善的
一、二次过流过压保护电路,但是对于其它__端口,如网络、数据、图像等__端口的保护还未得到充分重视由上可见,信息防雷需要充分考虑被保护设备的用电级别与所处位置,具有一定的特殊性,期待人们在技术上进一步探讨和新的标准来指导、规范
四、项目可行性及效益分析从分析可以看出,随着现代生活信息化程度的不断加快,信息防雷已经成为各项信息产品必不可少的环节而对雷电流的波普研究有助于加深对雷电流的客观认识和防护利用研究因此通过低功率模拟雷电波形是一个有效而合理的手段本项目便旨在通过模拟雷电8/20脉冲波形对雷电流的认识及作为后续模拟雷电防护系统的雷电源无论是对雷电流本身的研究还是后续的实验都有重要的意义。