本文論述了建立雷電防護(hù)測(cè)試中心依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)原理、實(shí)現(xiàn)方法以及相關(guān)設(shè)備的選型。該測(cè)試中心已經(jīng)建設(shè)完成經(jīng)機(jī)械工業(yè)第五（西安）計(jì)量測(cè)試中心站比對(duì)校準(zhǔn)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，投入正常運(yùn)行，目前正在申請(qǐng)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證。

　　當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)不斷發(fā)展，從2G到3G，三大通信運(yùn)營(yíng)商建立的無(wú)線(xiàn)通訊基站覆蓋面由最初的城市逐步發(fā)展到小城鎮(zhèn)甚至村莊，幾十萬(wàn)計(jì)的無(wú)線(xiàn)基站建立在制高點(diǎn)，每一個(gè)無(wú)線(xiàn)基站都處于LpZ0B區(qū)域，雷電的防護(hù)工作需求尤為突出。中達(dá)電通是一個(gè)規(guī)?；耐ㄐ女a(chǎn)品制造企業(yè)，其主要產(chǎn)品都涉足通信領(lǐng)域。在相關(guān)基站設(shè)備的雷電防護(hù)上投入的研發(fā)、測(cè)試在行業(yè)中也是領(lǐng)先的。我們依據(jù) GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第一部分 一般試驗(yàn)要求》、《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第二部分 測(cè)量系統(tǒng)》、YD／T5008-2001《T通信局(站)雷電過(guò)電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、 GB/T 17626.5-1999 《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》，設(shè)計(jì)并建立了中達(dá)電通股份有限公司雷電防護(hù)測(cè)試中心。

　　一、雷電防護(hù)測(cè)試中心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)架構(gòu)主要由交流升壓系統(tǒng)（含限流部件）、整流系統(tǒng)（含正負(fù)極性換向控制系統(tǒng)）、
充放電系統(tǒng)（含自動(dòng)連續(xù)間隔充放電控制系統(tǒng)）、接地系統(tǒng)（含自動(dòng)對(duì)地放電系統(tǒng)和緊急自動(dòng)放電系統(tǒng)）、交流退耦系統(tǒng)、在線(xiàn)加載電源隔離系統(tǒng)、操作臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)、動(dòng)作負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)、溫度熱穩(wěn)定測(cè)試系統(tǒng)（熱脫扣測(cè)試系統(tǒng)）、直流40kW負(fù)載系統(tǒng)組成。

　　系統(tǒng)波形與沖擊能量設(shè)計(jì)
　　雷電防護(hù)測(cè)試中心設(shè)計(jì)有六種波形，可以對(duì)各行業(yè)的雷電防護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，各種波形與沖擊電流峰值見(jiàn)表1。

　　以8/20μs沖擊電流波形為例，設(shè)計(jì)計(jì)算儲(chǔ)能電容的充電電壓U0為：U0 =(RZ * Im+UP)kV
　　式中： RZ儲(chǔ)能回路的源阻抗Ω，RZ =14.9/C, (C為儲(chǔ)能電容)；Im為沖擊電流kA;Up為試樣的限制電壓峰值kV。
　　設(shè)定沖擊電流為200kA(8/20μs)，儲(chǔ)能電容C容量為45μF,依據(jù)YD/T1235.1-2002標(biāo)準(zhǔn)UP取值3.0kV， 則U0 = Rz * Im + UP = (14.9/45)*200+3 = 69.22 kV

　　實(shí)際使用5組電容器并聯(lián)，每一組容量為9μF，總電容量為45μF /88kV，符合JB/T8168-1999《脈沖電容器及直流電容器》標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在測(cè)試最大放電電流200kA的防雷產(chǎn)品時(shí)，儲(chǔ)能電容器的充電電壓在70kV，低于電容器的耐壓值88kV，有20%的余量。

　　計(jì)算脈沖電容器的儲(chǔ)能為
　　WC = (1/2)CU2=0.5*45*10-6*7000002 =110.25 kJ
　　交流升壓系統(tǒng)
　　交流升壓系統(tǒng)采用YD-1618型工頻高壓試驗(yàn)變壓器，該變壓器符合JB/T9641-1999標(biāo)準(zhǔn)。為了限制充電電流以及輸出幅值，在交流升壓回路中設(shè)計(jì)有限流電阻與冷卻風(fēng)扇組合。

　　高壓整流系統(tǒng)
　　由交流升壓系統(tǒng)產(chǎn)生的交流高壓經(jīng)高壓整流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞲邏翰拍軌蚪o脈沖電容器進(jìn)行充電。本系統(tǒng)采樣了高壓橋式整流硅堆進(jìn)行整流，且設(shè)計(jì)了正負(fù)極性轉(zhuǎn)換電路，以滿(mǎn)足測(cè)試中正負(fù)極性的需求。
　　高壓整流硅堆規(guī)格為：200kV/500mA，正負(fù)極性轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用光電定位信號(hào)的采集，自動(dòng)切換，由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。設(shè)置過(guò)程可以在觸摸屏進(jìn)行，也可以在設(shè)置程序軟件中實(shí)現(xiàn)。

　　充放電系統(tǒng)
　　充放電系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)試中心是極為重要的環(huán)節(jié)，擔(dān)任著將高壓脈沖電容器的電壓轉(zhuǎn)移至被測(cè)試品的重任，在高壓轉(zhuǎn)移過(guò)程中首先要考慮到系統(tǒng)的安全性。設(shè)計(jì)采用了正極高壓經(jīng)均壓盤(pán)固定在高位并與放電球的上半球連接，放電球的下半球通過(guò)多條編織銅帶與高壓輸出排連接，下半球與上半球的運(yùn)動(dòng)間隙通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)直線(xiàn)齒輪來(lái)控制。
　　接地系統(tǒng)
　　在實(shí)際測(cè)試工作中，一部分沖擊能量被SPD產(chǎn)品吸收轉(zhuǎn)換為熱能，另一部分能量則通過(guò)接地系統(tǒng)泄放至大地。優(yōu)良的接地系統(tǒng)是保證雷電防護(hù)測(cè)試中心的安全以及測(cè)試系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。對(duì)測(cè)試中心的聯(lián)合接地體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，接地電阻為0.3Ω，符合GB50057-94標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　交流隔離電源
　　測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行放電操作時(shí)，會(huì)將脈沖高壓反饋到電網(wǎng)上造成對(duì)電網(wǎng)的干擾，依據(jù)GB-50057-94標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了交流電源隔離網(wǎng)絡(luò)。電原理圖見(jiàn)圖1。
　　該隔離網(wǎng)絡(luò)可以有效吸收由于脈沖放電產(chǎn)生的干擾脈沖，避免電網(wǎng)中的脈沖干擾影響PLC以及示波器等設(shè)備的正常工作。
　　在線(xiàn)加載電源隔離系統(tǒng)
　　考慮到對(duì)于SPD產(chǎn)品的在線(xiàn)模擬雷電沖擊，以及通訊產(chǎn)品比如電源機(jī)柜等的在線(xiàn)加載沖擊，特別設(shè)計(jì)了三相電源的加載電源隔離系統(tǒng)。主要有3臺(tái)15kVA分相隔離變壓器和退偶電感以及高壓濾波電容構(gòu)成。該系統(tǒng)在實(shí)際加載電源測(cè)試時(shí)，采用了高速數(shù)字示波器在實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)的入口端實(shí)際監(jiān)測(cè)，偶爾能夠捕捉到的干擾脈沖峰值都小于交流峰值。
　　操作臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)
　　測(cè)試系統(tǒng)的所有操作功能都集成在操作臺(tái)，人機(jī)界面設(shè)計(jì)比較友好，操作臺(tái)面板主要由LCD液晶顯示器、泰克TDS2012B，2通道，8位，100MHz帶寬，最高采樣率1.25GHz示波器、三菱FX2N-2AD型PLC觸摸屏以及各操作按鈕組成。

　　動(dòng)作負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)
　　依據(jù)GB-18802.1要求，SPD產(chǎn)品需要進(jìn)行動(dòng)作負(fù)載測(cè)試，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了動(dòng)作負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)。動(dòng)作負(fù)載電源部件包括工頻試驗(yàn)電源一次電氣回路，調(diào)壓器、隔離試驗(yàn)變壓器和電源控制單元。試驗(yàn)電源輸入：220VAC，單相，50Hz；輸出電壓：DC/AC 0-1000V可調(diào)；輸出電流： 0-5A連續(xù)可調(diào)；可調(diào)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)單元。動(dòng)作負(fù)載同步移相角度0-360°可調(diào)，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)±1°，移相精度±3°。
　　溫度熱穩(wěn)定測(cè)試系統(tǒng)
　　SPD產(chǎn)品的溫度熱穩(wěn)定性測(cè)試是標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)重要的參數(shù)，關(guān)系到產(chǎn)品的安全性。溫度熱穩(wěn)定測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一臺(tái)獨(dú)立的單體系統(tǒng)作為這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的一部分，自動(dòng)控制系統(tǒng)與操作臺(tái)共用，以節(jié)省建設(shè)成本。

　　直流40kW負(fù)載系統(tǒng)
　　為了實(shí)際測(cè)試通訊電源直流48V輸出滿(mǎn)載情況下的雷擊干擾下的真實(shí)情況，設(shè)計(jì)了直流40kW的負(fù)載系統(tǒng)，可以在800A的電流負(fù)載下進(jìn)行實(shí)際沖擊試驗(yàn)，對(duì)于SPD用于通訊電源的實(shí)際雷擊防護(hù)效果的考察具有很現(xiàn)實(shí)的意義。直流40kW負(fù)載系統(tǒng)被安裝在密閉室中，熱交換通過(guò)上下2組軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)達(dá)到負(fù)載室的熱平衡。

　　二、沖擊電流波形分析
　　雷電沖擊電流測(cè)試設(shè)備是采用電容儲(chǔ)能的脈沖功率裝置。
　　沖擊電流發(fā)生裝置原理分析
　　沖擊電流發(fā)生裝置采用RLC 串聯(lián)放電回路，經(jīng)過(guò)電路分析可知，影響沖擊電流幅值和波形的參數(shù)主要為阻尼系數(shù)α及振蕩角頻率ω，其算式如下：
　　欠阻尼狀態(tài)
　　輸出沖擊電流波形為振蕩波形，如果回路電阻為零，將形成周期振蕩。如果回路中存在電阻，將形成衰減振蕩波。這時(shí)放電電流為衰減的周期性振蕩電流，它的幅值按　　指數(shù)曲線(xiàn)下降。電流達(dá)到第一個(gè)幅值的時(shí)間為：
　　沖擊電流波尾階段過(guò)零后有一反峰，設(shè)計(jì)中控制該反向幅值不超過(guò)沖擊電流幅值的20%即可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)際制作中，在帶有SPD負(fù)載情況下MOV的反峰可以調(diào)試在5%以下，GAS TUBR的反峰可以調(diào)試在10%以下。
　　沖擊電流波形調(diào)節(jié)方法分析
　　沖擊電流測(cè)試設(shè)備有多種工作方式，分別為：8/20μs、10/350μs、10/700μs、10/1000μs、5/350μs、1.2/50μs組合波，現(xiàn)以 8/20μs和10/350μs常用的波形做如下的分析。
　　8/20μs 是指輸出雷電沖擊電流，波頭8μs±10%，波尾時(shí)間為20μs±10%，此時(shí)將由5組或者4組電容器并聯(lián)，獲得電容量為45μF，充電電壓可達(dá)70kV。電容器搭接方式。
　　10/350μs 是指輸出首次雷擊沖擊電流，波頭10μs±50%，波尾時(shí)間為350μs±10%，此時(shí)最大電容量為864μF，充電電壓可達(dá)20kV，電容器搭接方式。

　　每組電容器上下兩臺(tái)，并聯(lián)運(yùn)行，每組電容量為144μF。如果使用 6 組電容器，那么總電容量為864μF。實(shí)際運(yùn)行中如果在輸出較小電流的情況下，我們可以選用一組或者幾組電容器進(jìn)行組合。由于沖擊電流測(cè)試設(shè)備中沖擊電容量一般是固定的（可以多組搭配使用，但是一旦確定組數(shù)，電容量就不變了），因此調(diào)整電流波形只能采用調(diào)節(jié)電阻和電感的方法。
　　增加電阻阻值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值降低，波前時(shí)間變小，波尾時(shí)間變長(zhǎng)。減小電阻阻值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值增加，波前時(shí)間變大，波尾時(shí)間變短，反峰幅值也變大。
　　增加回路電感值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值降低，波前時(shí)間變大，波尾時(shí)間變長(zhǎng)，反峰幅值變大。減小回路電感值：電流波形出現(xiàn)的情況是電流峰值增加，波前時(shí)間變小，波尾時(shí)間變短，反峰幅值變小。一般而言通過(guò)變化回路電感值，影響較大波頭和波尾時(shí)間，電流峰值也有影響。
　　充電電壓：一般情況下，充電電壓絕對(duì)不能超過(guò)電容器額定電壓。長(zhǎng)期使用過(guò)程中，充電電壓建議不超過(guò)額定電壓的80%，以保證電容器的安全運(yùn)行和提高電容器的使用壽命。
　　觸摸屏控制系統(tǒng)
　　在測(cè)控系統(tǒng)操作臺(tái)上設(shè)計(jì)有一個(gè)自鎖按鈕開(kāi)關(guān)和一個(gè)急停按鈕，按下自鎖按鈕開(kāi)關(guān)，控制回路接通電源；在緊急情況下，按下緊急按鈕，系統(tǒng)停止工作，切斷電源，主回路自動(dòng)接地放電，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入觸摸屏主控界面，在主控頁(yè)面內(nèi)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸操作完成對(duì)系統(tǒng)的所有控制，并且將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直觀(guān)的以圖形動(dòng)畫(huà)顯示出來(lái)。主控界面主要包括三部分，圖形顯示區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)和操作區(qū)。
　　圖形顯示區(qū)：可以直觀(guān)的以動(dòng)畫(huà)的方式檢測(cè)到控制系統(tǒng)各個(gè)部件當(dāng)前的狀態(tài)。如當(dāng)系統(tǒng)主回路電源處于合閘狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，顯示為紅色。充電時(shí)導(dǎo)線(xiàn)變?yōu)榧t色，說(shuō)明正在充電，電容器根據(jù)充電電壓與設(shè)置電壓以百分比填入，可以直觀(guān)看到充電情況，并以文字形式顯示當(dāng)前電壓。
　　而觸發(fā)球可以直觀(guān)的顯示出當(dāng)前觸發(fā)球的間距并根據(jù)觸發(fā)球的間距自動(dòng)調(diào)整顯示球的位置，并伴以數(shù)字顯示當(dāng)前球隙的間距。
　　系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當(dāng)前系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)，故障信息，以及各部分的運(yùn)行狀態(tài)。
　　操作區(qū)：操作區(qū)有9個(gè)按鈕組成，可以對(duì)各種試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和運(yùn)行。

　　三、檢測(cè)單元
　　檢測(cè)單元是雷電防護(hù)測(cè)試中心所有設(shè)備中的關(guān)鍵單元，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。測(cè)試電流互感器是整個(gè)裝置最為重要的部件，在整個(gè)測(cè)試量程中的線(xiàn)性度是選擇電流互感器的主要環(huán)節(jié)，經(jīng)考察，我們選擇了美國(guó)皮爾森公司的產(chǎn)品，0-200kA和0-50kA的兩個(gè)電流互感器，以滿(mǎn)足各量程狀態(tài)下的測(cè)試精度。
　　高壓分壓器選用上海冠圖防雷科技有限公司的五個(gè)產(chǎn)品，該分壓器采用了高精度、高穩(wěn)定度的玻璃釉電阻進(jìn)行分壓匹配，同軸輸出，并經(jīng)西高所校準(zhǔn)合格。
　　示波器選用美國(guó) Tektronix 公司TDS-2102型示波器，用來(lái)捕捉?jīng)_擊電流波形和被測(cè)樣品上的殘壓。

　　四、測(cè)試界面

　　雷電防護(hù)測(cè)試中心完成安裝調(diào)試后，對(duì)中達(dá)電通股份有限公司現(xiàn)有的防雷產(chǎn)品嚴(yán)格按照GB-18802.1-2002標(biāo)準(zhǔn)YD/T1235.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，圖12為SPD產(chǎn)品的測(cè)試界面，測(cè)試界面圖形可以自動(dòng)存盤(pán)、打印，同時(shí)通過(guò)軟件對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)表。

　　五、結(jié)束語(yǔ)
　　雷電防護(hù)測(cè)試中心的設(shè)計(jì)與建設(shè)屬高電壓領(lǐng)域，涉及到高電壓、強(qiáng)脈沖沖擊電流。儲(chǔ)能脈沖電容器的質(zhì)量必須高度重視，目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的是國(guó)產(chǎn)的四川綿竹品牌的電容器，根據(jù)筆者多年的使用體會(huì)，四川綿竹的電容器是比較可靠的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)一些引進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)也使用了該品牌的脈沖電容器。設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并認(rèn)真做好設(shè)備選型工作。工程施工不可馬虎，做好絕緣措施，測(cè)試中心還需要考慮調(diào)溫、調(diào)濕，空氣濕度偏高會(huì)帶來(lái)高壓升壓困難。
　　目前，該雷電防護(hù)測(cè)試中心已經(jīng)建設(shè)完成運(yùn)行正常，經(jīng)機(jī)械工業(yè)第五（西安）計(jì)量測(cè)試中心站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際校準(zhǔn)，獲得校準(zhǔn)證書(shū)，通過(guò)驗(yàn)收并已經(jīng)在申請(qǐng)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證過(guò)程中。