高泰斯--測試設(shè)備原理

1、8/20 s浪涌沖擊測試設(shè)備專論 文章由深圳市碩凱電子提供文章由深圳市碩凱電子提供Page 28/20s8/20s沖擊電流發(fā)生器沖擊電流發(fā)生器8/20s沖擊電流發(fā)生器n 8/20s沖擊電流發(fā)生器廣泛應(yīng)用于SPD的性能測試中，IEC61643.1-2005 SPD測試標準中定義了用具有8/20s波形的沖擊電流來測試壓敏電阻，并規(guī)定: 波頭、波尾時間誤差波頭、波尾時間誤差10%，峰值誤差峰值誤差10%，反極性振蕩，反極性振蕩20%，但沒有對發(fā)生器回路參，但沒有對發(fā)生器回路參數(shù)、源阻抗等做出強制規(guī)定。數(shù)、源阻抗等做出強制規(guī)定。Page 3浪涌沖擊平臺各系統(tǒng)浪涌沖擊平臺各系統(tǒng)浪涌沖擊平臺電壓采樣電壓采

2、樣充電控制充電控制充電電容充電電容電流采樣電流采樣點火控制點火控制調(diào)波電阻調(diào)波電阻波形分析波形分析安全控制安全控制調(diào)波電感調(diào)波電感高壓回路高壓回路工控系統(tǒng)工控系統(tǒng)測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)Page 4一、8/20s沖擊電流發(fā)生回路理論基礎(chǔ)n 沖擊電流可由雙指數(shù)函數(shù)模擬，工程中常用RLC構(gòu)成主回路來實現(xiàn)沖擊電流的產(chǎn)生，其原理圖所示n 圖中，C為理想電容器；L為放電回路總電感，包括間隙電感、接線電感、調(diào)波電感、負載電感；R是放電回路的總電阻，包括接線電阻、間隙電阻以及調(diào)波電阻等；K是控制開關(guān)。該電路因工作在欠阻尼狀態(tài)。Page 5以能產(chǎn)生8/20s、20kA的發(fā)生回路為例 Page 6電容器的選擇1 1、為

3、產(chǎn)生高電壓大電流的、為產(chǎn)生高電壓大電流的8/20s8/20s波形，電容器應(yīng)使波形，電容器應(yīng)使用專用的脈沖電容器，且用專用的脈沖電容器，且電容器的剩余電感應(yīng)盡量電容器的剩余電感應(yīng)盡量小，一般為幾個納亨。小，一般為幾個納亨。2 2、電容器的排列應(yīng)盡量做、電容器的排列應(yīng)盡量做到等距，以使得結(jié)構(gòu)電感、到等距，以使得結(jié)構(gòu)電感、電阻相同，為調(diào)波提供可電阻相同，為調(diào)波提供可計算的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。計算的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。Page 7試驗變壓器試驗變壓器 實驗研究用的產(chǎn)生工頻高電壓的變壓器稱為試驗變壓器。因試驗實驗研究用的產(chǎn)生工頻高電壓的變壓器稱為試驗變壓器。因試驗變壓器是以得到高電壓為目的，故與電力變壓器有所不同，主要是變

4、變壓器是以得到高電壓為目的，故與電力變壓器有所不同，主要是變比大、容量小、多采用油浸自冷方式。比大、容量小、多采用油浸自冷方式。Page 8二、工控系統(tǒng)二、工控系統(tǒng)n 1 1、充電電壓控制、充電電壓控制（1）電容器的充電采用恒壓充電方式，該充電方式結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。（2）利用直流分壓器監(jiān)控充電電容器的兩端電壓，將其分壓后，由電壓比較電路將該電壓值和預置電壓值比較。一旦充電電壓達到預定值時，該比較電路發(fā)出光電信號，使調(diào)壓器置位。Page 9n 2 2、點火球隙、點火球隙在接地的球電極（陰極）開有5mm的孔，孔中插入聚四氟乙烯或玻璃絕緣管，管中穿進圓棒作為觸發(fā)電極。給點火電極施加與對面的球電極極

5、性相反的點火脈沖時，點火電極和接地球之間先引起沿絕緣管表面的沿面放電，這將引起與對面球電極之間的電場分布畸變，從而使球間隙擊穿。最近使用的沖擊電壓發(fā)生器是給定充電電壓和加壓次數(shù)后全部自動控制的。Page 10三、測量系統(tǒng)n 1 1、殘壓的測量電阻分壓器 Page 11n分壓器和測量儀器的連接用高頻同軸電纜，該電纜的波阻抗以Z表示。為了在電纜兩端不引起反射，需通過與Z相等的阻抗接地。在圖示(b)所示的電阻分壓器情況時，應(yīng)滿足以下條件：R2+R3=Z=R4+R5。這稱為匹配（matching）。在匹配狀態(tài)下等效電路如圖（b），成為省掉電纜的電阻電路。因此，從示波器測得的V2求V1時，乘上分壓器的倍

6、率m（m=1/,為分壓比）即可。nPage 128/20us沖擊下壓敏電阻典型殘壓波Page 132 2、電流的測量、電流的測量羅氏線圈羅氏線圈 設(shè)電流垂直于紙面，則產(chǎn)生如箭頭方向所示的磁通。在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是磁通的時間微分，通過RC電路將感應(yīng)電勢進行積分后，可以測得正比于電流的cd端電壓。 8/20s電流波，一般采用自積分式羅氏線圈來測量。Page 148/20s沖擊典型波形Page 153 3、小結(jié)、小結(jié) 在沖擊電流自動化測量系統(tǒng)中，沖擊電流和沖擊殘壓測試基準點與系統(tǒng)的參考接地點理論上應(yīng)精確在一個參考點，但在實際中是不現(xiàn)實的，要保證測量精度，我們采用浮地法進行測量，但在沖擊電流這樣

7、的一個強脈沖電流電磁干擾的環(huán)境中，通過電源線、信號線及通信線勢必會在測試單元側(cè)耦合出一定的電磁干擾脈沖，這個干擾脈沖嚴重影響系統(tǒng)測試精度和測試單元，這個干擾脈沖嚴重影響系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。需要采取有針對性的浪涌吸收電路，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的電磁兼容。Page 16三、波形分析系統(tǒng)三、波形分析系統(tǒng)（1 1）數(shù)字儲存示波器）數(shù)字儲存示波器 數(shù)字儲存示波器的應(yīng)用不僅可使被測波形在屏幕上“鎖住”，以使一次過程波便于被人們觀測，而且可以通過其專用軟盤把波形儲存起來，或是連至計算機進行分析計算、打印和儲存。數(shù)字儲存示波器的方框原理圖Page 17 （2 2）數(shù)字儲存示波器波形紀錄數(shù)字儲存示波器波形紀錄原理

8、原理 如圖所示，假定內(nèi)存的容量是1024，觸發(fā)起著令B點之后“停寫”的作用，把觸發(fā)前后的一段A與B之間的信息保留下來。圖中所示的觸發(fā)電平和預置數(shù)可由操作人員實現(xiàn)在示波器面板上設(shè)定，從而確保將雷電沖擊波的整個波形都記錄下來。Page 18（3 3）計算機脈沖分析系統(tǒng)）計算機脈沖分析系統(tǒng)基于示波器采樣板技術(shù)，通過通訊線纜，將信號傳遞至計算機，再由相關(guān)軟件還原波形，做到實時自動測量，計算，儲存的功能。Page 19四、不同源阻抗發(fā)生器在測試上的差異四、不同源阻抗發(fā)生器在測試上的差異 4.1 4.1 仿真研究仿真研究 （1 1）電容和源阻抗的關(guān)系電容和源阻抗的關(guān)系充電電容和源阻抗的關(guān)系表明：電容和源阻

9、抗呈非線性的反比例函數(shù)關(guān)系，即充電電容減小直接導致源阻抗增大，反之亦然。01020304001234Rp/C/F C.vs.RpPage 20（2 2）不同預期短路電流下試品殘壓的變化規(guī)律）不同預期短路電流下試品殘壓的變化規(guī)律012341.21.41.61.82.02.2VRES/kVRP/ 10kA 20kA 30kA1）沖擊幅值不同，但三條殘壓曲線幾乎平行；2）沖擊電流源阻抗不同，得到的沖擊殘壓也不一樣，但在不同幅值的沖擊下，各條曲線沖擊殘壓差相差不大。10kA、20kA和30kA沖擊電流下，不同源阻抗得到的沖擊殘壓差分別為117.3V、114.7V和120.9V。3）可以用一個U來校準測

10、量值。Page 21(3)(3)相同預期短路電流下試品殘壓的變化規(guī)律相同預期短路電流下試品殘壓的變化規(guī)律0123451.51.61.71.81.92.02.1VRES(kV)RP/() B32K385 B40K385 B60K3850123451.781.801.821.841.861.881.901.92VRES/kVRP/ B60K385 B32K385 B40K3851）發(fā)散趨勢可以看出，在同一沖擊電流幅值下不同通流能力的試品其沖擊殘壓差異不同。因此計量設(shè)備時，不能用不同通流容量的試品來對比兩種設(shè)備。2）對于通流容量小的試品，沖擊殘壓變化趨于劇烈。3）在計量設(shè)備時，小通流的MOV“電壓敏

11、感性”較大，適用小通流的試品來反映其最大誤差，從上圖中可見，B32K385在30kA下B32K385的變化曲線，沖擊殘壓差達到120.9V。Page 22(4)(4)通流變化分析通流變化分析012345252627282930 IFT VRESRP/IFT/kA2.002.022.042.062.082.102.122.14VRES/kV在相同試品和預期短路電流下，隨著源阻抗的變化，通過MOV的電流卻發(fā)生了變化，因而導致沖擊殘壓的變化，源阻抗對沖擊殘壓有很大影響。因此可以將試品阻抗值預先計算在回路內(nèi)來調(diào)波，這樣能有效提高設(shè)備的帶負載能力。Page 23(1)(1)不同源阻抗對試品的劣化影響不同

12、源阻抗對試品的劣化影響020406080100540560580600620640660680700720740U1mA/VNum U1mA of ICGS020406080100600620640660680700 U1mA/VNum U1mA of HaefelyICGSICGS系統(tǒng)下系統(tǒng)下U U1mA1mA變化規(guī)律變化規(guī)律 Haefely Haefely系統(tǒng)下系統(tǒng)下U U1mA1mA變化規(guī)律變化規(guī)律源阻抗：源阻抗：0.799源阻抗：源阻抗：0.4324.2 4.2 實驗研究實驗研究Page 24(2)U(2)U1mA1mA劣化程度與測試次數(shù)關(guān)系劣化程度與測試次數(shù)關(guān)系設(shè)備設(shè)備源阻抗源阻抗/

13、初始初始U1mA/V下降至下降至5%的次數(shù)的次數(shù)下降至下降至7%的的次數(shù)次數(shù)下降至下降至9%的的次數(shù)次數(shù)下降至下降至10%的次數(shù)的次數(shù)HaefelyICGS0.4320.7996776817940844488519052Page 25 (3)I(3)Ileakleak變化規(guī)律變化規(guī)律020406080100048121620 Ileak of Haefely Ileak of ICGSNumIleak/A 020406080100120140160180Ileak/A 漏電流隨著測試次數(shù)的增加始終是呈現(xiàn)增加的趨勢，當超過一定次數(shù)時，漏電流呈指數(shù)形式增加，劣化加劇。Page 26（4）相同試品的

14、殘壓規(guī)律）相同試品的殘壓規(guī)律 02040608010019502000205021002150220022502300Ures(V)/ICGS Ures of ICGS Ures of HaefelyAUres(V)/Haefely19502000205021002150220022502300 同一種試品，在不同源阻抗的設(shè)備上，殘壓有近100V差別。這可能是由于在放電開關(guān)導通，測試回路形成后，使得MOV從高阻態(tài)轉(zhuǎn)向低阻導通態(tài)的是階躍電壓波，源阻抗越高，產(chǎn)生流過MOV具有相同幅值的電流需要的充電電壓就越高，在MOV動作前du/dt決定其殘壓大小。 Page 27（5 5）流過）流過SPDSPD

15、的電流波的變化規(guī)律的電流波的變化規(guī)律 1） 按照IEC61643.1-2005對8/20s測試用脈沖電流的規(guī)定，可用電流波的峰值Im1、反峰振蕩比Im2/ Im1、T2/T1等參數(shù)來表征。 設(shè)備源阻抗Im1/kA反峰振蕩比Im2/ Im1T2/ T10.4320.520.79920.21-20.5919.60-20.020.35-20.46波形無反峰5.15%-4.4%29.9%-28.4%2.95-2.872.75-2.672.18-1.97電流參數(shù)分析 電流波不能表征MOV在多次沖擊下老化劣化的程度。隨著沖擊測試次數(shù)的增加，MOV的通流能力并未顯著降低，從Im1可以看出，通流能力基本保持穩(wěn)

16、定的變化20kA0.5kA。在大電流區(qū)的V-I特性決定了MOV在該區(qū)域的保護性能，在MOV制造中，盡量降低晶粒電阻率，以擴展電壓電流特性的平坦區(qū)范圍，對提高SPD的保護性能是很重要的。 Page 282) T2/T1的變化規(guī)律0204060801001.82.02.22.42.62.83.03.2 T2/T1 of Haefely T2/T1 of ICGSNumT2/T1 of Haefely1.82.02.22.42.62.83.03.2T2/T1 of ICGS從右圖中可以看出T2/ T1的變化隨設(shè)備源阻抗的不同而呈現(xiàn)出差別。這個差別并不是試品所導致的，而是由于設(shè)備調(diào)波元件（R、L、C）

17、參數(shù)的不同、連接方式差異、以及電壓電流采集系統(tǒng)差異所導致的。由文獻9可知在大電流區(qū)，V-I特性成正比，主要由氧化鋅晶粒的晶粒電阻決定，晶粒電阻是線性的，電壓和電流成正比關(guān)系。Page 29 根據(jù)標準，T2/ T1的變化范圍為：2.053.05，從上圖中可以看出，源阻抗低的Haefely設(shè)備產(chǎn)生波形的T2/ T1偏向于允許范圍上限（3.05），源阻抗較高的ICGS系統(tǒng)產(chǎn)生波形的T2/ T1偏向于允許范圍下限（2.05），再對比分析T2、T1數(shù)據(jù)可以知道，ICGS系統(tǒng)產(chǎn)生通過SPD的電流波波尾（T2時間）相對Haefely系統(tǒng)產(chǎn)生的要短（約1.1s -1.5s），因此可以計算出ICGS系統(tǒng)在MOV上產(chǎn)生的比能量相對Haefely系統(tǒng)產(chǎn)生在試品上產(chǎn)生的要小些（約1.73kJ）；由文獻可知MOV的殘壓和波頭上升時間、峰值、陡度等密切相關(guān)，ICGS下90次的波頭平均上升時間8.76s，Haefely下的波頭平均上升時間8.50s，t=0.26s，波頭上升時間上的差異較小；當在近似相同的波頭上升時間內(nèi)，由于源阻抗較大的設(shè)備所需的充電電壓高，因此這種發(fā)生器在MOV動作前產(chǎn)生的du/dt要比源阻抗較小的發(fā)生器大接近2.2倍，因此可見MOV動作時的階躍電壓波陡度決定了其殘壓大小