CN111999612A - 真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法 - Google Patents

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罗运祥
张潮海
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Abstract

一种真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法，包括电压源、变压器、分压器、控制开关和瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管与气体放电管并联，气体放电管与电阻并联，电阻与示波器并联；电阻一端用于与真空灭弧室串联，电阻另一端用于接地。电阻与真空灭弧室串联后与分压器并联设置。分压器包括第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容，第二电阻和第一电容形成的并联电路与第三电阻和第二电容形成的并联电路串联设置。本发明利用瞬态抑制二极管和气体放电管相配合实现多种电压波形的预击穿电流的测量，并且根据瞬态抑制二极管和气体放电管的工作特性能够达到高精度测量的目的。

Description

真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于真空灭弧室技术领域，特别涉及一种真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法。
背景技术
现有的真空断路器如中国文献CN201520032013.7公开的“一种带零序装置的真空断路器”，其预击穿电流是真空断路器在关合过程中因击穿而产生的电流, 真空断路器合成关合试验成败的关键因素在于对预击穿电流的精确测量。
因为真空断路器产生预击穿电流作用时间极短,检测预击穿电流的技术要求很高。目前国内很少有应用于真空断路器的预击穿电流检测装置,一般都是局限于试验研究范围之内,仅用于科研,且试验设备的稳定性差,仅适用于单一电压波形,检测精度不高。
如中国文献CN201910398158.1公开的“一种灭弧室用触头间场致发射电流检测试验系统”，提出用触头间场致发射电流检测试验系统，用于检测灭弧室用触头间场致发射电流，实现检测灭弧室用触头间场致发射电流的精确测量。该技术方案的缺点在于：在真空灭弧室的击穿试验中，通过实验手段是测量不到场致发射电流的。利用测量到预击穿电流，然后通过相关的数学算法得到场致发射电流，才是一个可行的方案。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法，利用瞬态抑制二极管和气体放电管相配合实现多种电压波形的预击穿电流的测量，并且根据瞬态抑制二极管和气体放电管的工作特性能够达到高精度测量。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，包括电压源、变压器、分压器、控制开关和瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管与气体放电管并联，气体放电管与电阻并联；电阻一端用于与真空灭弧室串联，电阻另一端用于接地。
优选的方案中，所述的电阻与真空灭弧室串联后与分压器并联设置。
优选的方案中，所述的分压器包括第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容，第二电阻和第一电容形成的并联电路与第三电阻和第二电容形成的并联电路串联设置。
优选的方案中，所述的控制开关与第一电阻串联，第一电阻、控制开关和分压器与变压器输出端形成了闭合回路。
优选的方案中，所述的变压器为升压变压器，变压器用于将电压源的电压升高。
优选的方案中，所述的电阻用于与示波器并联。
优选的方案中，所述的电阻为有感电阻或无感电阻。
本专利可达到以下有益效果：
1、中国文献CN201910398158.1公开的“一种灭弧室用触头间场致发射电流检测试验系统”，提出用触头间场致发射电流检测试验系统，用于检测灭弧室用触头间场致发射电流，实现检测灭弧室用触头间场致发射电流的精确测量。但是在真空灭弧室的击穿试验中，通过实验手段是测量不到场致发射电流的(如图2 所示)，只能测量到预击穿电流，然后通过相关的数学算法得到场致发射电流。所以本专利提出的一种适用于多种电压波形下的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置更准确更符合实际。
2、中国文献CN201910398158.1公开的“一种灭弧室用触头间场致发射电流检测试验系统”，提出的测量方法中运用瞬态抑制二极管来抑制真空灭弧室击穿时产生的过电压，但是瞬态抑制二极管适用于电压上升沿为ns级，在真空灭弧室击穿试验中根据所用的电源不同，电压上升沿也有μs和ns量级，导致电压上升沿也有不同，所以TVS(即瞬态抑制二极管)并不能应对μs级情况。所以本发明采用瞬态抑制二极管(TVS)和气体放电管的并联接入电路，其特点根据瞬态抑制二极管(TVS)和气体放电管工作特性：瞬态抑制二极管应对纳秒级电压上升沿动作迅速，稳压速度快；而气体放电管适用于μs级电压上升沿，很好的应对多种电压波形的稳压工作。
3、中国文献CN201910398158.1公开的“一种灭弧室用触头间场致发射电流检测试验系统”测量电流时使用了无感电阻，因为《一种灭弧室用触头间场致发射电流检测试验系统》专利只采用瞬态抑制二极管(TVS)，所以只能采用无感电阻；在本专利真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置及其测量方法中，可以不限于使用无感电阻，TVS结合气体放电管可以搭配任何形式电阻，达到高测量精度的要求。
4、另外，中国专利文献CN201610969117.X公开的“直流断路器及直流输电系统断路方法”，提出的发明内容是提出用控制系统、保护支路以及并联的通流电路和LC强制转移电路来控制高压直流输电系统的通断，采用的是电力电子电路来控制高压直流输电系统的大电流大电压；而本专利提出一种适用于多种电压波形下的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置是通过瞬态抑制二极管(TVS) 和气体放电管的配合使用达到真空灭弧室开断时回路预击穿电流的精确测量。本专利的功能是对真空灭弧室的预击穿回路电流的精确测量，不同于《直流断路器及直流输电系统短路方法》。
5、中国专利文献CN201811466131.3公开的“提升并评价真空断路器性能的试验电路及装置”，所要解决的技术问题在于克服现有技术中无法定量化检测断路器性能的问题，从而提出了一种简单经济地检测断路器性能的提升并评价真空断路器性能的试验电路及装置。通过关合老练试验回路可以增大或减小关合涌流峰值、增长或缩短预击穿时间，使装置达到最佳老练效果；而本专利的目的是精确测量真空灭弧室预击穿回路电流，发明内容不同。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明测量电流图；
图2为现有技术中电压和击穿电流与时间之间的变化曲线图。
图中：1-电压源，2-变压器，3-第一电阻，4-控制开关，5-第二电阻，6-第三电阻，7-第一电容，8-第二电容，9-真空灭弧室，10-瞬态抑制二极管，11-气体放电管，12-电阻、示波器13。
具体实施方式
优选的方案如图1所示，一种真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置包括电压源1、变压器2、分压器、控制开关4和瞬态抑制二极管10，瞬态抑制二极管 10与气体放电管11并联，气体放电管11与电阻12并联；电阻12一端用于与真空灭弧室9串联，电阻12另一端用于接地。控制开关4用来控制整个测量回路的导通或断开。试品真空灭弧室9在检测时触头是分开的，有固定的触头开距，具体开距由具体实验情况确定。
进一步地，电阻12与真空灭弧室9串联后与分压器并联设置。
进一步地，分压器包括第二电阻5、第三电阻6、第一电容7和第二电容8，第二电阻5和第一电容7形成的并联电路与第三电阻6和第二电容8形成的并联电路串联设置。
进一步地，控制开关4与第一电阻3串联，第一电阻3、控制开关4和分压器与变压器2输出端形成了闭合回路。第一电阻3用来限流，保护整体的电路。
进一步地，变压器2为升压变压器，变压器2用于将电压源1的电压升高。变压器2可以改变输入到整个回路中的电压，工频电压源电压不够高，变压器2 能提高电压源1的电压。
进一步地，电阻12用于与示波器13并联。
进一步地，电阻12为有感电阻或无感电阻。
优选的方案中，所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置的测量方法，包括如下步骤：
S1：将示波器13与电阻12并联，电阻12与需要测量真空灭弧室9串联，实验的不同电压波形会选择性触发瞬态抑制二极管10或气体放电管11；所述的瞬态抑制二极管10对于纳秒级电压上升沿动作迅速，稳压速度快；所述的气体放电管11对于微秒级电压上升沿，可稳定多种波形电压；
S2：在真空灭弧室9预击穿过程中，气体放电管11中的气体拥有良好的绝缘性能，流过电阻12的电流较小，通常为微安量级，且电阻12两端电压较小；
S3：当真空灭弧室9发生击穿时，流经电阻12的电流会急剧增大，通常可以达到数安培，这时瞬态抑制二极管10或气体放电管11将动作，将电阻12两端的电压稳定在瞬态抑制二极管10或气体放电管11的工作电压，能够保护示波器13；
S4：通过预击穿电流计算公式：
Figure BDA0002628191000000041
其中，电阻R12为测量电阻12的电阻值；
UR12为测量电阻12两端电压值，该电压值低于气体放电管和瞬态抑制二极管的最低保护工作电压；
I为回路中预击穿电流，即对应于测量电阻两端电压UR12时刻的回路预击穿电流值。
测量精度高是本发明的最主要的优点，例如选定瞬态抑制二极管的工作电压为15V，TVS击穿前最大泄漏电流值为1μA，15V的情况下流经Rs的电流为7.5mA。
精度计算为
Figure 1
由表达式实现了装置的高精度测量。
在上述测量过程中，假定第二电阻5的电阻为R0，第三电阻6的电阻为R1，第三电阻6的电压为U2，可通过公式U＝U2/R1*(R0+R1)计算整个的回路电压；回路电压是施加在灭弧室上的电压，测量出来用作这个系统的一个测量的量，方便以后计算使用。

Claims (9)

1.一种真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，包括电压源(1)、变压器(2)、分压器、控制开关(4)和瞬态抑制二极管(10)，其特征在于：瞬态抑制二极管(10)与气体放电管(11)并联，气体放电管(11)与电阻(12)并联；电阻(12)一端用于与真空灭弧室(9)串联，电阻(12)另一端用于接地。
2.根据权利要求1所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：电阻(12)与真空灭弧室(9)串联后与分压器并联设置。
3.根据权利要求1或2所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：分压器包括第二电阻(5)、第三电阻(6)、第一电容(7)和第二电容(8)，第二电阻(5)和第一电容(7)形成的并联电路与第三电阻(6)和第二电容(8)形成的并联电路串联设置。
4.根据权利要求3所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：控制开关(4)与第一电阻(3)串联，第一电阻(3)、控制开关(4)和分压器与变压器(2)输出端形成了闭合回路。
5.根据权利要求4所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：变压器(2)为升压变压器，变压器(2)用于将电压源(1)的电压升高。
6.根据权利要求1所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：电阻(12)用于与示波器并联。
7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置，其特征在于：电阻(12)为有感电阻或无感电阻。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：将示波器与电阻(12)并联，电阻(12)与需要测量真空灭弧室(9)串联，实验的不同电压波形会选择性触发瞬态抑制二极管(10)或气体放电管(11)；所述的瞬态抑制二极管(10)对于纳秒级电压上升沿动作迅速，对纳秒级过压起保护作用，抑制纳秒级电压过压；所述的气体放电管(11)对于微秒级电压上升沿响应灵敏，可起到对微秒级多种波形过电压保护以及抑制微秒级电压过压作用，从而进一步保护测试的示波器(13)；
S2：在真空灭弧室(9)预击穿过程中，气体放电管(11)中的气体拥有良好的绝缘性能，流过电阻(12)的电流较小，且电阻(12)两端电压较小；
S3：当真空灭弧室(9)发生击穿时，流经电阻(12)的电流会急剧增大，这时瞬态抑制二极管(10)或气体放电管(11)将动作，将电阻(12)两端的电压稳定在瞬态抑制二极管(10)或气体放电管(11)的工作电压，能够保护示波器；
S4：通过预击穿电流计算公式：
Figure FDA0002628190990000021
其中，电阻R12为测量电阻(12)的电阻值；
UR12为测量电阻(12)两端电压值，该电压值低于气体放电管和瞬态抑制二极管的最低保护工作电压；
I为回路中预击穿电流，即对应于测量电阻两端电压UR12时刻的回路预击穿电流值。
9.根据权利要求8所述的真空灭弧室预击穿电流高精度测量装置的测量方法，其特征在于：在上述测量过程中，假定第二电阻(5)的电阻为R0，第三电阻(6)的电阻为R1，第三电阻(6)的电压为U2，可通过公式U＝U2/R1*(R0+R1)计算整个的回路电压；回路电压是施加在灭弧室上的电压，测量出来用作这个系统的一个测量的量，方便以后计算使用。
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