金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性测试装置

摘要

本发明提出一种金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性测试装置，包括陡波前沿电流脉冲产生装置，用于产生陡波前沿电流波形；测试仪器，用于测量试品的电流、电压波形；在陡波前沿电流脉冲产生装置构成的回路中接入试品，通过直流电源对陡波前沿电流脉冲产生装置中的两个电容器充电使三电极开关击穿，以测试金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性。该测试装置由于采用电容、开关一体化结构，减小了回路电感，由于采用铜带紧凑包裹电容器的机构，是回路电感减小至最低，保证了足够的电流幅值和陡峭的上升沿，随着陡波前沿电流的增大，陡波下的阀片残压有明显提高。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统过电压领域，具体涉及一种金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特 性测试装置。

背景技术

试验研究表明，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)隔离开关操作会产生幅值高、陡度大的 特快速瞬态过电压(VFTO)，对GIS及其连接设备绝缘、外壳连接的二次设备运行有重要影响。 目前，普遍采用东芝公司提出的GIS隔离开关带阻尼电阻的方法抑制VFTO，在实际中得到 了较好的应用，我国特高压交流试验示范工程的长治站和南阳站均采用了该方案。清华大学 尝试在GIS高压导杆上安装高频磁环来抑制VFTO，进行了大量的实验室研究，仍需通过现 场应用验证该措施的有效性。近年来，随着金属氧化物避雷器(以下简称避雷器)性能提升， 其对VFTO的抑制作用逐渐成为了研究关注的热点。

电力系统中安装的避雷器主要用于限制雷电和操作过电压，因VFTO波头时间较短，可 达数ns，振荡频率可能达到100MHz以上，高频下的避雷器阀片响应性能有限，甚少考虑用 避雷器限制VFTO。上世纪八十年代起，为了研制性能优异的避雷器，国内外对避雷器在陡 冲击波下的响应特性进行了探索。BBC公司建立了双指数波和方波电流源对不同结构的金属 氧化物电阻片(下称电阻片)进行了试验研究，输出电流波形的波头时间范围为0.7~8μs。中国 电力科学研究院研制了陡冲击电流波装置，产生了0.1/0.2μs、0.4/0.8μs、0.8/3μs、4/10μs、8/20μs、 30/60μs的电流波形，最大电流幅值为1kA，试验研究了电阻片结构和物性等对避雷器响应特 性的影响。可见，上述试验研究受陡波试验电源的限制，存在电流波头时间较长或电流幅值 较小的问题，均未得到电阻片在VFTO陡波下的伏安特性。因电阻片在陡波下的伏安特性是 建立避雷器高频模型的前提，亟需得到电阻片在波头时间小于100ns陡波下的伏安特性，进 而仿真研究避雷器对VFTO的抑制作用和适用范围。

现有测试技术中，一般通过Marx发生器产生脉冲电压施加于金属氧化物试品，但这种 实验回路复杂，杂散参数大，难以产生很陡的电流上升沿。

发明内容

为了克服上述陡波试验电源测量金属氧化物试品在陡前沿脉冲下的伏安特性存在的不 足，本发明的目的在于提出一种金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性测试装置。

一种金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性测试装置，该装置包括：

陡波前沿电流脉冲产生装置，与试品相连，用于产生陡波前沿电流波形；和

测试仪器，与试品相连，用于测量试品的电流、电压波形；

所述陡波前沿电流脉冲产生装置包括依次串联的第一电容器、三电极开关和第二电容器， 所述第一电容器和第二电容器上均设有三个接线端，所述第一电容器与第二电容器的第二接 线端分别通过1MΩ电阻连接至电源的正、负极，所述第一电容器与第二电容器的第三接线 端之间通过三电极开关进行一体化连接，所述第一电容器与第二电容器的第一接线端分别通 过铜带与安装在试品两端的压接件相连，构成放电回路。

其中，所述第二电容器的第一接线端上安装有螺杆，该螺杆的空闲端安装有用于连接试 品的铜带和用于使放电回路接地的接地铜带。

其中，所述测试仪器包括套设于螺杆上的罗氏线圈、与试品两端的压接件相连接的高压 探头、屏蔽电缆和示波器；所述罗氏线圈将陡波前沿电流脉冲产生装置输出的陡波前沿电流 波形经屏蔽电缆传至示波器；在所述陡波前沿电流波形下，所述高压探头测量出试品的电流、 电压波形，并经屏蔽电缆传至示波器。

其中，所述一体化连接的具体结构为：

所述三电极开关包括干燥气罐和封装于干燥气罐中的触发电极以及位于触发电极两侧的 正、负高压电极，所述正、负高压电极的一侧分别设有连接螺杆，所述第一电容器和第二电 容器的第三接线端上分别设有与连接螺杆相匹配的螺孔，所述连接螺杆旋入螺孔中实现第一 电容器、第二电容器与三电极开关的一体化连接；所述干燥气罐中填充有绝缘气体介质。

其中，所述绝缘气体介质为空气、SF₆气体或其它惰性气体。

其中，所述压接件采用导电材质制成的扁圆柱体结构。

其中，所述第一接线端为第一电容器和第二电容器的低压端；所述第二接线端和第三接 线端是等电位的，均为第一电容器和第二电容器的高压端。

其中，所述第一电容器的第一接线端和第三接线端分别位于第一电容器的壳体相对两侧， 所述第一电容器的第二接线端接通电源正极，其设在与第三接线端相邻一侧的第一电容器壳 体上；所述第二电容器的第一接线端和第三高压端位于第二电容器的壳体相对两侧，所述第 二电容器的第二接线端接通电源负极，其设在与第三接线端相邻一侧的第二电容器壳体上。

其中，所述连接第一电容器的第一接线端与试品一端的铜带、连接第二电容器的第一接 线端与试品另一端的铜带、第一电容器和第二电容器的表面分别垫设有绝缘胶皮，且上述两 条铜带分别缠绕于第一电容器和第二电容器的表面。

本发明采用上述技术方案，具有的优点有：

采用电容与开关一体化同轴结构设计，陡波前沿电流脉冲产生装置几乎没有电感，确保 产生的电流波头时间较短，满足VFTO波形的要求；

陡波前沿电流脉冲产生装置的开关间隙可采用多种气体绝缘介质，气体压力可调，并带 外触发击穿方式，使得开关间隙K击穿电压较高，产生的电流峰值较大、范围较宽，可满足 不同性能电阻片的测量要求。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明测试装置中陡波前沿电流脉冲产生装置的结构示意图；

图2是本发明测试装置的电路示意图；

图3是实施例1中电阻片QA22在10kA陡波前沿电流下的电压和电流波形图；

图4是实施例1中电阻片QA22在陡波与雷电波下的阀片伏安特性比较图；

图5是实施例2中电阻片RB41在4kA陡波前沿电流下的电压和电流波形图；

图6是实施例2中电阻片RB41在陡波与雷电波下的阀片伏安特性比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步详细阐述本发明金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应 特性测试装置，为建立避雷器在陡波下的高频仿真模型提供基础数据。其中相同或相似的附 图标号表示相同或相似的器件。

如图1-2所示，该测试装置包括陡波前沿电流脉冲产生装置和测试仪器，其中，

陡波前沿电流脉冲产生装置包括一个三电极开关K和两个电容器（即第一电容器C1和 第二电容器C2），两个电容器C1、C2分别具有三个接线端（即第一接线端1、第二接线端2 和第三接线端3），第二接线端2和第三接线端3是等电位的，为两个电容器的高压端；第一 接线端1是独立的，为两个电容器的低压端。

两个电容器C1、C2可采用薄膜油塑壳封装结构，与气体绝缘电容器相比，其在相同尺 寸下的容量比后者大1倍，存储、运输和使用对环境的要求较宽松。为了提高该测试装置的 稳定和可靠性，第一电容器C1的第二接线端2可以通过1M Ω的保护电阻器连接直流高压电 源的正极，第二电容器C2的第二接线端2可以通过1M Ω的保护电阻器连接直流高压电源的 负极。两个电容器C1、C2与三电极开关K安装成紧凑型一体化结构，可放置在变压器油中， 提高开关间隙K的击穿；电压三电极开关K可采用三电极场畸变气体开关，可采用外触发击 穿或自击穿，开关K的具体结构包括圆柱形干燥气罐和封装于干燥气罐中的触发电极以及位 于触发电极两侧的正、负高压电极；正、负高压电极的一侧分别安装有一个长0.5cm的M10 连接螺杆，两个电容器C1、C2的第三接线端3上分别设有与连接螺杆相匹配的M10螺孔， 连接螺杆穿过干燥气罐上的通孔并旋入螺孔中完成两个电容器C1、C2与三电极开关K的一 体化连接，由于连接螺杆和螺孔直接旋合、接触良好且无须引线连接，小型化和紧凑型的特 点得到了最大的体现，能够保证回路电感达到最小。三电极开关采用干燥气罐作为外壳，具 有很高的机械强度，能够承受很高的气压，从而允许减小三电极开关长度，减小开关电感； 干燥气罐中还填充有绝缘气体介质，该绝缘气体介质可采用空气、SF6气体或其它惰性气体， 气体压力范围在-0.1MPa～0.1MPa，可连续调节，选用的绝缘介质和气体压力取决于测量的电 流峰值。

第二电容器C2上还安装有M10螺杆，螺杆的一端拧在第二电容器C2的第一接线端1 上、其另一端连接有两条铜带，其中第一条用于使放电回路接地，第二条连接至金属氧化物 试品（简称MOA试品）一端的压接件上，MOA试品另一端的压接件通过第三条铜带连接至 第一电容器C1的第一接线端1上，构成放电回路。上述第二、三条铜带的走线原则是：在 保证电容器不发生沿面闪络的条件下，铜带尽量短；铜带与两个电容器C1、C2的表面分别垫 设有绝缘胶皮，铜带包裹在两个电容器C1、C2表面，且尽量贴近，可保证整个回路最紧凑， 电流前沿最陡峭。位于试品两端压接件为两片红铜制成的扁圆柱形，可以保证MOA试品受力 均匀和接触良好，且方便电压测量接线。上述铜带可采用短、宽铜条进行良好连接，减小电 流振荡。

电压电流测试仪器包括罗氏线圈、高压探头、示波器和若干根屏蔽电缆，罗氏线圈套设 于接地铜带附近的螺杆，并将陡波前沿电流脉冲产生装置输出的陡波前沿电流波形经屏蔽电 缆传输至示波器；在陡波前沿电流波形下，通过与MOA试品两端的压接件相连接的高压探头 测量出MOA试品的电流、电压波形，并经屏蔽电缆传至示波器，根据电流、电压波形得到试 品在陡波前沿电流波形下的响应特性。

该测试装置的具体操作方法如下：

在陡波前沿电流脉冲产生装置构成的回路中接入MOA试品，用直流电源U对陡波前沿 电流脉冲产生装置的两个电容器C₁、C₂充电使三电极开关K击穿，产生波头上升时间为 50~100ns、峰值为500A~50kA的陡波前沿电流波形，记录MOA试品上的电流和电压波形， 读取电压波形中峰值后的平坦部分对应的数值为MOA试品残压。在相同幅值的电流波形下， 波头上升时间误差为±5ns，重复3次测量MOA试品的电流和残压，每个MOA试品测量不少 于5个个不同电流幅值下的残压，采用插值和拟合等方法对MOA试品伏安特性的测量结果 进行数据处理，求取MOA试品在陡波前沿电流脉冲下的平均伏安特性。

实施例1

本发明的一个实施例中所采用的MOA试品为MOA电阻片QA22，本例为测量电阻片 QA22在陡波下的伏安特性，陡波前沿电流脉冲产生装置的两个电容器C₁、C₂的电容值均为 40nF，选用填充SF₆气体的三电极开关K，间隙距离约4mm，气体压力为-0.1MPa~0.1MPa， 直流电源U的充电电压为10kV~100kV。陡波前沿电流脉冲产生装置放置在空气中，按图1 所示在回路中接入电阻片QA22，电阻片上的电流和电压波形见图3，电流为衰减振荡波，周 期约336ns，波头上升时间为80ns。

通过改变直流电源U的充电电压，产生电流范围为610A~10kA，测量了电阻片QA22在 10个不同电流幅值下的电流和残压值，对每个电流幅值重复测量3次求取平均值，在电阻片 QA22上测量到的电流峰值和残压列于表1。

表1电阻片QA22的电流和残压值

  序号   电流峰值(kA)   电阻片残压(kV)   1   0.61   8.2   2   0.98   8.7   3   2.2   8.9   4   3.18   9.16   5   4.8   9.35   6   5.64   9.6   7   6.04   9.84   8   7.8   10.3   9   8.56   10.5   10   10   10.6

采用插值和拟合等数据处理方法对电阻片QA22在陡波下的伏安特性进行数据处理，与 其在8/20μs标准雷电波下的伏安特性进行比较，见图4。可见，该电阻片在陡波下的平均伏 安特性与其在标准雷电波下的伏安特性基本类似，随电流增大，电阻片残压稍有上翘，陡波 下的阀片残压提高了20%以上。

实施例2

本发明的另一个实施例中所采用的MOA试品为MOA电阻片RB41，本例为测量MOA 电阻片RB41在陡波下的伏安特性，陡波前沿电流脉冲产生装置的两个电容器C₁、C₂的电容 值均为40nF，选用填充空气的三电极开关K，间隙距离约1mm，气体压力为-0.1MPa~0.1MPa， 直流电源U的充电电压为10kV~50kV。陡波前沿电流脉冲产生装置放置在空气中，按图1所 示在回路中接入电阻片RB41，电阻片上的电流和电压波形见图5，电流为衰减振荡波，周期 约283ns，波头上升时间为60ns。

通过改变直流电源U的充电电压，产生电流范围为770A~5.55kA，测量了电阻片RB41 在10个不同电流幅值下的电流和残压值，对每个电流幅值重复测量3次求取平均值，在电阻 片RB41上测量到的电流峰值和残压列于表2。

表2电阻片RB41的电流和残压

  序号   电流峰值(kA)   电阻片残压(kV)   1   0.77   14.17   2   0.82   14.47   3   1.33   15.5   4   2.15   15.5   5   2.61   16.03   6   3.48   16.27   7   4.06   16.37   8   4.22   16.57   9   5.34   16.68   10   5.55   16.83

采用插值和拟合等数据处理方法对电阻片RB41在陡波下的伏安特性进行数据处理，与 该电阻片在其它波形下的伏安特性进行比较，如图6所示，与雷电波下的残压相比，阀片残 压升高了15%左右。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述 实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依 然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的 权利要求保护范围之中。