CN104914317A - 一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，包括以下步骤：首先搭建由高压高频波形发生器、示波器和测量探头并联组成的测量回路；然后利用测量回路在2-10kV电压和MHz级频率下分别测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片的电流波形；提取得到的避雷器用氧化锌电阻片电流波形的第一峰值I_m1和第二峰值I_m2以及两个峰值对应的时刻t₁和t₂，以及得到的对比铝片电流波形的第一峰值I'_m1和第二峰值I'_m2以及两个峰值对应的时刻t′₁和t'₂；求取避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片的二阶电路阻尼系数δ₁和δ₂；计算测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时测量电路的总电感的差值ΔL；根据得到的总电感的差值ΔL计算得到避雷器用氧化锌电阻片的电容值ΔC。

Description

一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法

技术领域：

本发明涉及一种电容值测量方法，具体涉及一种在高电压高频率条件下测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法。

背景技术：

电阻片是电力系统过电压保护主要设备金属氧化物避雷器(以下简称避雷器)的核心部件。避雷器对由于雷电侵入、系统操作及其它扰动在电力系统中引起的电磁暂态过程中出现的威胁设备绝缘的过电压有着良好的限制效果，可以有效地保护电力设备的安全、维持电力系统的稳定运行、保证生产生活中电力的正常供应。合理、高效的避雷器配置在妥善保护电力设备的同时，还可以降低成本、将电力输送的效率最大化。而避雷器的运行特性、参数配置和仿真计算中，避雷器的等效电容值是一个关键参数，此数值与其内部电阻片的电容值有着密切的关系。由于电阻片是由多种化学成份、不同物理状态下经混合、造粒、成型、烧结等复杂工艺制成，其电气特性与电压、频率、温度等多因素有关，呈现一种介质、半导体、导体宽范围极端变化的非线性阻抗特性。因此，在不同暂态电磁波作用下，电阻片的阻抗特性不同，尤其是在MHz级高频波冲击下，准确获取电阻片的电容值具有十分重要的意义。

目前电阻片电容值测试一般采用电桥法、谐振法等，但对MHz级高频、高电压下电容值测量具有局限性。通常，电桥法测量电阻片电容值时，电桥测量回路中的杂散电容及电感对测量结果有重要影响，其中杂散电容受外加电压、频率的影响。因此电桥法适用外加电压频率为MHz级及以下电压幅值较低的测量环境。谐振法测量回路相对简单，杂散电容及电感较小，但其适用于高频较低电压环境下的电阻片电容测量。而电力系统所用避雷器中的导通电压一般为其额定电压的1.4倍以上，折算到单片电阻片导通电压约为4kV～5kV范围内，因此现有的以谐振法为原理的测量方法不能用于测量高压、高频率下的电容值。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，通过应用该方法可以方便准确地测得电阻片在高电压(数千伏)高频率(等效频率数十兆赫)下的电容值。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，包括以下步骤：

1)搭建由高压高频波形发生器、示波器和测量探头并联组成的测量回路；

2)利用测量回路在2-10kV电压和MHz级频率下测量避雷器用氧化锌电阻片的电流波形；

3)提取步骤2)得到的避雷器用氧化锌电阻片电流波形的第一峰值I_m1和第二峰值I_m2以及两个峰值对应的时刻t₁和t₂；

4)和步骤2)相同条件下，测量与避雷器用氧化锌电阻片外形尺寸完全相同的对比铝片的电流波形；

5)提取步骤4)得到的对比铝片电流波形的第一峰值I'_m1和第二峰值I'_m2以及两个峰值对应的时刻t₁'和t'₂；

6)根据公式(1)求取避雷器用氧化锌电阻片的二阶电路阻尼系数δ₁，根据公式(2)求取对比铝片的二阶电路阻尼系数δ₂，具体公式如下：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\ln (I_{m1}/I_{m2})}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\ln (I_{m1}^{\′}/I_{m2}^{\′})}{t_2^{\′}-t_1^{\′}}---\left(2\right)$

7)分别求取测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片的测量回路的总电感L₁和L₂，具体公式如下：

$L_1=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_1^2)C}---\left(3\right)$

$L_2=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_2^2)C}---\left(4\right)$

式中：ω₁和ω₂分别表示在测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率；C为高压高频波形发生器的充电电容；

8)计算测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时测量电路的总电感的差值ΔL：

ΔL＝L₂-L₁     (5)

9)根据步骤8)得到的总电感的差值ΔL计算得到避雷器用氧化锌电阻片的电容值ΔC，具体公式如下：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1^2\·\mathrm{\ΔL}}---\left(6\right).$

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，测量回路中测量探头并接于高压高频波形发生器的高压输出端与接地端之间，并通过全屏蔽同轴射频电缆连接到示波器输入端口。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率ω₁和ω₂的计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1^{\′}}---\left(8\right)$

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

本发明提供的在高电压高频率下测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，突破了现有测量装置不能同时测量高频率和高电压下电阻片电容值的局限，测得了特快波头电压脉冲下电阻片的电容值，对在操作过电压、雷电过电压及特快波头暂态过电压下电力系统避雷器电阻片的配置工作有实践意义，且操作简单、方便、准确性高。

附图说明：

图1为本发明测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法的电路原理图；

图2为避雷器用氧化锌电阻片测量时测得的电压、电流波形图；

图3为对比铝片测量时测得的电压、电流波形图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，包括以下步骤：

1)搭建由高压高频波形发生器、示波器和测量探头并联组成的测量回路，且测量回路中测量探头并接于高压高频波形发生器的高压输出端与接地端之间，并通过全屏蔽同轴射频电缆连接到示波器输入端口；

2)利用测量回路在2-10kV电压和MHz级频率下测量避雷器用氧化锌电阻片的电流波形；

3)提取步骤2)得到的避雷器用氧化锌电阻片电流波形的第一峰值I_m1和第二峰值I_m2以及两个峰值对应的时刻t₁和t₂；

4)和步骤2)相同条件下测量与避雷器用氧化锌电阻片外形尺寸完全相同的对比铝片的电流波形；

5)提取步骤4)得到的对比铝片电流波形的第一峰值I'_m1和第二峰值I'_m2以及两个峰值对应的时刻t₁'和t'₂；

6)根据公式(1)求取避雷器用氧化锌电阻片的二阶电路阻尼系数δ₁，根据公式(2)求取对比铝片的二阶电路阻尼系数δ₂，具体公式如下：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\ln (I_{m1}/I_{m2})}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\ln (I_{m1}^{\′}/I_{m2}^{\′})}{t_2^{\′}-t_1^{\′}}---\left(2\right)$

7)分别求取测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片的测量回路的总电感L₁和L₂，具体公式如下：

$L_1=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_1^2)C}---\left(3\right)$

$L_2=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_2^2)C}---\left(4\right)$

式中：ω₁和ω₂分别表示在测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率；C为高压高频波形发生器的充电电容；

其中，高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率ω₁和ω₂的计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1^{\′}}---\left(8\right)$

8)计算测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时测量电路的总电感的差值ΔL：

ΔL＝L₂-L₁     (5)

9)根据步骤8)得到的总电感的差值ΔL计算得到避雷器用氧化锌电阻片的电容值ΔC，具体公式如下：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1^2\·\mathrm{\ΔL}}---\left(6\right).$

本发明的测量原理如下：

由高压高频波形发生器、示波器和测量探头并联组成的测量回路如图1所示，其中R'为回路总电阻、L'为回路总电感，C为高频率高电压波形发生器的充电电容，0.4nF，O为测量样品。此电路可被视为一个二阶欠阻尼线性电路。当向其施加高频率的冲击电压后，样品上的电流波形会表现为振荡。

测量的进行分两个阶段。第一阶段测量样品为电阻片，在样品上施加等效频率很高的数kV快波头冲击电压，同时测量电压波形及流过电阻片的振荡电流波形，可以得到第一峰值I_m1、第二峰值I_m2及两个峰值对应的时刻t₁、t₂，从而求出二阶电路阻尼系数δ₁，根据施加电压的等效频率可求出等值角频率ω₁，已知C＝0.4nF，可求得总电感L₁。第二阶段样品为铝片，施加同样的电压后，进行同样的测量，可求出另一个总电感L₂。与第一阶段的电路相比，第二阶段的电路中存在ΔL和ΔC(试品电容的变化)，由ωΔL＝1/ωΔC可得ΔC＝1/ω²ΔC，由于测量电路结构未改变，电阻片与铝片的外部尺寸形状相同，故此时的ΔC可以视为电阻片作为电介质本身的电容值，即ΔC为被测电阻片的电容值。

实施例：

测量时，使用一台特快波头电压发生器作为电压源，使用一个UNI-T WT-H05高压高频探头提取电压波形，使用一个Pearson 7355罗氏线圈收集通过试品的电流，使用一台TektronixDPO4032示波器显示测量到的电压、电流波形。如附图2所示，第一阶段对电阻片测得的电流波波头时间约为29ns，通过前述计算过程，计算出L₁＝514nH如附图3所示，第二阶段对铝片测得的电流波波头时间约为28ns，计算出L₂＝605nH。最终得到C_MOV＝1/ω^ωΔL＝2.786nF。

Claims (3)

1.一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建由高压高频波形发生器、示波器和测量探头并联组成的测量回路；

2)利用测量回路在2-10kV电压和MHz级频率下测量避雷器用氧化锌电阻片的电流波形；

3)提取步骤2)得到的避雷器用氧化锌电阻片电流波形的第一峰值I_m1和第二峰值I_m2以及两个峰值对应的时刻t₁和t₂；

4)和步骤2)相同条件下，测量与避雷器用氧化锌电阻片外形尺寸完全相同的对比铝片的电流波形；

5)提取步骤4)得到的对比铝片电流波形的第一峰值I'_m1和第二峰值I'_m2以及两个峰值对应的时刻t₁'和t'₂；

6)根据公式(1)求取避雷器用氧化锌电阻片的二阶电路阻尼系数δ₁，根据公式(2)求取对比铝片的二阶电路阻尼系数δ₂，具体公式如下：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\ln (I_{m1}/I_{m2})}{t_2-t_1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\ln (I_{m1}^{\′}/I_{m2}^{\′})}{t_2^{\′}-t_1^{\′}}---\left(2\right)$

7)分别求取测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片的测量回路的总电感L₁和L₂，具体公式如下：

$L_1=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_1^2)C}---\left(3\right)$

$L_2=\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\δ}}_2^2)C}---\left(4\right)$

式中：ω₁和ω₂分别表示在测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率；C为高压高频波形发生器的充电电容；

8)计算测量避雷器用氧化锌电阻片和对比铝片时测量电路的总电感的差值ΔL：

ΔL＝L₂-L₁                 (5)

9)根据步骤8)得到的总电感的差值ΔL计算得到避雷器用氧化锌电阻片的电容值ΔC，具体公式如下：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1^2\·\mathrm{\ΔL}}---\left(6\right).$

2.根据权利要求1所述的一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，其特征在于，步骤1)中，测量回路中测量探头并接于高压高频波形发生器的高压输出端与接地端之间，并通过全屏蔽同轴射频电缆连接到示波器输入端口。

3.根据权利要求1所述的一种测量避雷器用氧化锌电阻片电容值的方法，其特征在于，步骤6)中，高压高频波形发生器输出的波形的等值角频率ω₁和ω₂的计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{4t_1^{\′}}---\left(8\right).$