一种高压皮秒脉冲发生器设计与实现.pdfVIP

2010 EE工测试技术学术交流会论文集 一种高压皮秒脉冲发生器的设计与实现 姚陈果赵东阳米彦李成祥唐炬孙才新 (重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044) 摘要：为研究GIS和电力变压器中局部放电超高频电磁渡信号在设备内外的传播特性，文 章结合脉冲功率技术中亚纳秒及皮秒脉冲产生的相关原理，通过对Marx发生器产生 的纳秒脉冲进行前沿陡化和尾部削切处理，得到了一种高压皮秒(PS)脉冲。仿真 和实验结果表明：利用该方法研制的高压皮秒脉冲发生器可产生幅值28．12kV、前沿 (10％。90％)250ps以内、脉宽600ps的高压皮秒脉冲信号。并具有放电稳定、重 复性好的特点，可作为一个已知特性的、能够产生特定超高频信号的局部放电信号 源，为研究GIS和电力变压器局部放电超高频特性奠定了基础。 关键词：GIS变压器局部放电超高频皮秒脉冲发生器 O引言 亚纳秒上升沿的高压脉冲产生技术已经在电力系统高压绝缘试验、激光技术、微波技术和电磁兼容试验技术 等得到了广泛的应用。在亚纳秒及皮秒高压脉冲产生的研究中，更快的脉冲前沿、后沿、更窄的脉宽以及更高的幅 值是研究的重点【l‘2l。在GIS和电力变压器局部放电检测的超高频方法研究中，可使用皮秒级脉冲源作为一个已知 特性的、产生特定超高频信号的PD信号源来研究超高频电磁波信号在设备内外的传播特性和放电电流脉冲幅值与 接收天线耦合信号之间的量化关系【3．6l，因此研制一种放电稳定、重复性好、调节方便的高压皮秒脉冲源就显得十 分必要。 现有产生亚纳秒及皮秒脉冲的方式主要有三种【7-8】：一是通过皮秒级快速开关直接产生具有皮秒脉宽的脉冲信 号；二是借助于专门的形成线路来压缩能量的皮秒脉冲发生器；三是通过对形成的输出脉冲进行前沿陡化和尾部 削切而得到高压皮秒脉冲。文章利用第三种皮秒脉冲产生方式及结合脉冲功率相关技术，仿真设计并研制出一种 冲，并具有性能稳定可靠、操作简单方便、多参数(幅值、重复频率、脉宽等)可调等优点，为研究GIS和电力变 压器局部放电超高频特性奠定了基础；同时该发生器产生的皮秒级超短脉冲具有丰富的超宽带频谱(几乎从直流 到高达GHz)，因而具有很高的时间分辨率和空间分辨率，信号失真小，可作为超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA) 的信号源卜11J。 1发生器基本原理 一种高压皮秒脉冲发生器原理框图如图l所示。该发生器主要由高压直流电源、Marx发生器、陡化开关、尾切开 关、同轴电容分压器、同轴负载等部分组成。 图1高压皮秒脉冲发生器的原理框图 该发生器装置工作基本原理如下：高压直流电源向Marx发生器进行充电，当Marx发生器的开关依次瞬间击穿时， 其各级电容串联向陡化电容充电，当充电电压达到陡化开关击穿电压时，陡化开关瞬间击穿，经陡化回路作用后， 通过调节尾切开关的击穿间隙来实现尾部削切功能，进而在同轴负载处形成高压皮秒脉冲信号。整个装置通过同轴电 容分压器来测量超高频电缆中传输的皮秒脉冲信号。 2高压皮移脖冲发生器的设计 2]高压直流电鼎 P303 为r峨小整个装置的体积和重量，高压A流电源采用高雎恒流源(天津东史DW 1FID)。该电源输出电 压：I)C 过嗣节电源输出电流来控制Ma“发生嚣的克电速度．进而控制其输山脉冲频率．最终宴现发生器输出高压皮秒脉冲再 复频率一r控。 22紧凑型Marx发生器 紧凄型叫毂Man发生器每级电容(为3nF为了便丁制作井燕顾稳定性，Marx发生器四级开戈均秉用自击穿气体 火花扦咒。为保证第一缓开盖最先。h穿，且他后续：级开关依次瞬间击穿，第一缎开关主州隙为12mm，后续三级 JF戈主问隙均为15…整个开戈内战于高强度绝缘材料巾．调节开咒山气体气压即可改变开关击穿电压．进而调拦 №“发乍器输m脉冲幅值，并蛀终史现装置输出皮秒脉冲幅值大范厢灵活可州 发牛器装置输出脉冲最高频率接151qz设计，