雷电波发生器的MATLAB仿真及参数选取sc.doc

雷电波冲击电流发生器的MATLAB/Simulink 仿真及参数选取

摘要：本文介绍了雷电波冲击电流发生器的工作原理，对冲击电流发生器的放电回路进行

了理论分析。介绍了一种在MATLAB/Simulink 仿真环境下，通过模拟冲击电流发生器放电回

路来进行电阻和电感等参数选取及冲击电流波形调试的方法，为实际检测中雷电波冲击电流

发生器的波形调节提供理论依据及软件参考。

关键词：冲击电流发生器，MATLAB，Simulink ，仿真

1. 引言

在通信上为了考核电涌保护器和通信设备抗感应雷能力的测试，检测实验室需要具备模拟雷电流的设备——雷电波冲击电流发生器，根据[1] 《低压配电系统的电涌保护器》以及通

信行业标准[2] 《通信局（站）低压配电系统用电涌保护器测试方法》的规定，8/20 s 标准雷电流是测试电涌保护器动作负载试验以及残压测试的规定波形。标准中对8/20 s 波形图及其参数规定如图 1 所示：

图1 冲击电流波形

视在原点（ O1）：通过冲击电流峰值的10%和 90%所画直线与时间坐标轴的相交点；

视在波头时间（T f）：其值等于冲击电流峰值的10%增加到 90%（见图 1）所需时间 T的倍；

视在波尾（或半峰值）时间（T t）：冲击电流视在原点O1与电流下降到峰值一半的时间

间隔。

容许偏差：

峰值±10％

波前时间 T f ± 10％

半峰值时间

T t ±10％

在冲击峰值附近，允许小的过冲或振荡，但是单个幅值不应超过其峰值的

5％。当电流

下降到零后，反极性的振荡幅值不应超过峰值的

20％。

2. 冲击电流发生器的工作原理 [3]

冲击电流发生器的基本原理是： 数台或数组大容量的电容器经由高压直流装置，

以整流

电压或恒流方式进行并联充电，

然后通过间隙放电使试品上流过冲击大电流。 以信息产业防

雷质量监督检验中心防雷实验室的冲击电流发生器为例， 如图 2 所示，它包括充电回路和放电回路两部分。

L

D

R

G

R

T

EUT

S

图 2 冲击电流发生器工作原理框图

图 2 中 C 为并联电容器的电容总值， L 及 R 为包括电容器、回路连线、分流器、球隙以及试品上火花在内的电感及电阻值， 包括为了调波而增加的电感和电阻值， G 为点火球间隙，

D 为高压硅堆， r 为保护电阻， T 为变充电试验变压器，

EUT 为试品， S 为分流器。工作时先

由整流装置向电容器组充电至所需电压，

送一触发脉冲到火球间隙

G ，间隙击穿放电， 于是

电容器 C 经 L 、R 及试品放电。根据充电电压的高低以及电阻、电感等回路参数的大小，产

生不同大小的脉冲电流。

3. 放电回路的原理分析

由图 2 可以看出，冲击电流发生器实际上是个

RLC 放电回路，冲击电流发生器靠改变回

路参数来调节波形， 靠升降电容器上的充电电压来调节电流。 根据电路原理， 按照放电回路

阻尼条件的不同，放电可以分为三种情况

[4]

。

1）过阻尼情况， 即 R ＞ 2 L / C ，亦即 0 放电回路产生的冲击电流波形是非振荡波。

令 R2L ， 0 1

LC ，

d

2

02

，在这种情况下 RLC 二阶放电回路的特

征根为

p 1

d ， p 1

d

（1）

电流为

i

U c exp p 1t exp p 2t / L p 1 p 2

（ 2）

在电流到达最大值之前，电流不断增加，设到最大值的时刻为

T m ，则

T m ln p 2 p 1 p 1 p 2

（ 3）

在式（ 1）中的 t 值代之以 T m ，就可以求出电流的最大值

i m 。

2）欠阻尼情况， 即 R ＜ 2

L/C ，

0 放电回路产生的冲击电流波形是衰减振荡波，

此种情况下 RLC 二阶放电回路的特征根为一对共轭复数根

p 1

j

d ， p 1

j d

（ 4）

式中 d

22 ，

电流为

i U c exp

t sin d t

d

L

（ 5） 令arcsin d 0 ，则电流第一次到达最大值的时间为

T m

d

（ 6）

电流最大值为

i m U c exp

d

L C

（ 7）

3）临界阻尼情况，即 R=2

L/C ，

0 放电回路产生的冲击电流波形是临界阻尼

振荡，这种情况下回路中的电流为

i c

(U c L)t exp(

t)

（ 8）

电流到达最大值的时间 T m 为

T m

LC

（9）

电流的最大值 i m 为

i m U c C L exp( 1) 0.736U c R

（ 10）

雷电波冲击电流发生器的放电回路所要求产生的波形为 8/20 s 单次非振荡波，即在发

生器的回路设计中仅考虑

R ＞ 2 L / C 的情况。但是根据标准的规定（反极性的振荡幅值不

应超过峰值的 20％），以及实际设计中往往从获得最大冲击电流波形幅值的角度出发，在冲 击电流波形满足波头 T f =8 s 、波尾 T t =20 s 的要求时，尽量考虑使冲击电流波形的反极性 振荡幅值不超过峰值的

20％，

由上我们可以看到， 在求解放电电路回路元件参数时存在两类问题。 第一类问题是： 从

给定的电流波形求回路的参数值；第二类问题是：

根据已知的 R 、L 、C 和充电电压确定求解

产生的电流幅值及波形。 标准中对 8/20 s 冲击电流的波前时间 T f

t

的定义比较

和峰值时间 T 复杂，在理论上难以直接确定它们与回路参数之间的关系。

用传统的图解法求解上述两类问

题时， 波形的选择不够直观， 在实验室雷电波冲击电流发生器的调试中会出现多次、 反复调

试的问题。为此提出应用

MATLAB/Simulink 来对冲击电流发生器放电回路进行仿真，探讨冲

击电流发生器放电回路参数的选取方法。

4. 冲击电流发生器的 Simulink 仿真及回路参数选取

如图 3 所示，利用

MATLAB/Simulink 的电力系统仿真模块（ SimPowerSystems ）中的

powergui 模块模拟充电电容两端的电压，元件模块

R 、 L 分别表示放电回路中包括电容器、