CN114325186A - 获得场致发射电流的方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

一种获得场致发射电流的方法及试验装置，包括击穿电压测量装置，所述的击穿电压测量装置由分压器测量真空灭弧室试品两端电压，击穿电压测量装置所得到的回路电流由真空灭弧室试品玻璃外壳泄漏电流、位移电流和场致发射电流组成，其中泄露电流可以忽略不计，场致发射电流与施加电压同相位，位移电流超前施加电压π/2相位。根据场致发射相关理论，场致发射电流在施加电压前期接近0，此时的回路电流基本等于位移电流，本发明利用这一特性，通过数学算法从回路电流即预击穿电流中得到准确的场致发射电流。

Description

获得场致发射电流的方法及试验装置

技术领域

本发明属于场致发射电流获取技术领域，特别涉及一种获得场致发射电流的方法及试验装置。

背景技术

真空断路器(Vacuum Circuit Breaker)具有环保无污染，结构紧凑体积小，可靠性强等优点而被广泛运用于高达72kV的中压等级线路。由于真空绝缘能力的限制，高压等级线路主要采用SF₆断路器。为了真空断路器能够向更高电压等级发展，亟需开展真空间隙击穿机制的研究。

关于场致发射电流，目前的观点包括以下几种：

①姚宗熙老师提出的：在小间隙情况下，预击穿电流内都包含着电子流，预击穿电流就是微突的场致发射电流；这是由F电极表面的场致电子发射引起的。

②王卫斌老师提出的：真空间隙的击穿由预击穿现象引发，主要是由于场致电子发射和微放电引起的。

基于现有的研究结果，真空击穿机制类型主要分为两种：场致发射击穿与微粒击穿。场致发射击穿最明显的特征表现在真空击穿前场致发射电流的出现。根据场致发射相关理论，场致发射电流可以用于求解场致发射击穿中的各项参数来研究场致发射击穿机制，因此获得准确的场致发射电流对于研究场致发射击穿机制，提高真空绝缘水平具有十分重要的意义。

本技术方案要解决的技术问题为：现有的装置只能测得预击穿电流，因为含有位移电流而无法得到准确的场致发射电流。

发明内容

鉴于背景技术所存在的问题，本发明所提供的获得场致发射电流的方法及试验装置，利用试验装置测得流经真空灭弧室试品的回路电流与两端击穿电压值后，采用数学算法改变位移电流，去除位移电流后的回路电流满足场致发射电流的特性，即可得到准确的场致发射电流。

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：

一种获得场致发射电流的方法，包括以下步骤：

S1：搭建测量电路：将真空灭弧室试品与回路电流测量电阻串联，回路电流测量电阻与稳压管并联；将示波器并联在回路电流测量电阻上；

S2：利用示波器获取流经真空灭弧室试品的回路电路，回路电路包括真空灭弧室试品的外壳泄露电流、位移电流和场致发射电流，其中外壳泄露电流极小，忽略不计，因此回路电路包括位移电流和场致发射电流；场致发射电流与真空灭弧室试品上的施加电压同相位，位移电流超前施加电压π/2相位；

S3：利用场致发射电流在施加电压前期接近0，位移电流等于回路电流这一特性，通过数学算法将位移电流去除，从而得到准确的场致发射电流：

S3.1：回路电流，场致发射电流，位移电流的关系为：

i＝i_fe+ji_c

式中，i_c表示位移电流，i_fe表示场致发射电流，i表示回路电流；

其中位移电流与施加电压的关系为：

场致发射电流可以表示为：

式中，k为给定的位移电流系数；

S3.2：利用移动平均滤波器对示波器读取的回路电流i(i₁,i₂,…,i_n)，与施加电压u(u₁,u₂,…,u_n)进行平滑降噪处理，在保证数据不失真的情况下设置滤波器的窗宽N；

利用移动平均滤波器降噪处理的运算公式为：

S3.3：令k＝k₁,k₂,…k_p，步长为Δk；

在施加电压前期t₁时刻内的回路电流为：

施加电压分别为：

所以每个k值对应的位移电流

为：

将每个k值对应的位移电流值与回路电流的差值定义为E_a：

当存在E_f满足E_f-1>E_f<E_f+1，即

时，此时的E_f为E_a的最小值，k_f为E_f对应的k值，满足在施加电压前期t₁时刻内，回路电流与位移电流的差值最小；

所以场致发射电流值为：

优选的方案中，若无法得到满足条件的E_f，修改k变化的范围，以及步长Δk，按照步骤S3.3的方法再进行计算。

优选的方案中，所述的获得场致发射电流的方法的实验装置，包括电源(1)，电源(1)与调压器(2)电连接，调压器(2)与限流电阻(3)、隔离断路器(4)、真空灭弧室试品(5)和回路电流测量电阻(6)构成了串联回路，回路电流测量电阻(6)与稳压管(7)并联；回路电流测量电阻(6)用于与数字示波器并联。

优选的方案中，所述的真空灭弧室试品(5)两端的电压由分压器测量。

优选的方案中，所述的稳压管(7)为饱和击穿电压一定的双稳态稳压管，响应时间为ns级别，用于在真空间隙发生击穿情况下瞬间导通，以保护测量数字示波器。

本专利可达到以下有益效果：

本发明利用试验装置(击穿电压测量装置)测得流经真空灭弧室试品的回路电流与两端击穿电压值后，采用数学算法改变位移电流，去除位移电流后的回路电流满足场致发射电流的特性，即可得到准确的场致发射电流。

本发明巧妙地利用数学算法来改变位移电流，有效地将回路电流中的场致发射电流分离出来，可以得到较为准确的场致发射电流，为研究场致发射击穿机制提供了很好的基础。

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为本发明本发明获得场致发射电流的方法流程图；

图2为本发明发生场致发射击穿时，真空灭弧室试品两端电压、回路电流、场致发射电流和位移电流波形图；

图3为本发明未发生场致发射击穿时，真空灭弧室试品两端电压、回路电流、场致发射电流和位移电流波形图；

图4为本发明真空灭弧室击穿电压及回路电流测量装置图。

图中：电源(1)、调压器(2)、限流电阻(3)、隔离断路器(4)、真空灭弧室试品(5)、回路电流测量电阻(6)、稳压管(7)。

具体实施方式

一种获得场致发射电流的方法，包括以下步骤：

S1：搭建测量电路：将真空灭弧室试品与回路电流测量电阻串联，回路电流测量电阻与稳压管并联；将示波器并联在回路电流测量电阻上；

如图4所示，为本发明的测量电路图，即真空灭弧室击穿电压及回路电流测量装置图，包括电源(1)、调压器(2)、限流电阻(3)、隔离断路器(4)、真空灭弧室试品(5)、回路电流测量电阻(6)、稳压管(7)、数字示波器和分压器。根据场致发射理论，当施加电压使得真空灭弧室试品发生场致发射击穿时，发生击穿前真空灭弧室试品会流过场致发射电流，可以用于研究场致发射击穿机制。

S2：利用示波器获取流经真空灭弧室试品的回路电路，回路电路包括真空灭弧室试品的外壳泄露电流、位移电流和场致发射电流，其中外壳泄露电流极小，忽略不计，因此回路电路包括位移电流和场致发射电流；场致发射电流与真空灭弧室试品上的施加电压同相位，位移电流超前施加电压π/2相位；

S3：利用场致发射电流在施加电压前期接近0，位移电流等于回路电流这一特性，通过数学算法将位移电流去除，从而得到准确的场致发射电流，图4中的U₁为利用数字示波器采集分压器测量的真空灭弧室两端电压，U₂为采集的测量电阻两端的电压，在已知测量电阻阻值的情况下，即可求得流经真空灭弧室试品的回路电流，分别对应图2中的电压与回路电流，通过数学算法来改变位移电流，使得回流电流去除位移电流后满足场致发射电流的特性：如图2所示，在施加电压值相对较低阶段，场致发射电流几乎为零(如图2所示前20μs阶段)。具体步骤如下：

S3.1：回路电流，场致发射电流，位移电流的关系为：

i＝i_fe+ji_c

式中，i_c表示位移电流，i_fe表示场致发射电流；i表示回路电流；

其中位移电流与施加电压的关系为：

场致发射电流可以表示为：

式中，k为给定的位移电流系数；

S3.2：利用移动平均滤波器对示波器读取的回路电流i(i₁,i₂,…,i_n)，与施加电压u(u₁,u₂,…,u_n)进行平滑降噪处理，在保证数据不失真的情况下设置滤波器的窗宽N；

利用移动平均滤波器降噪处理的运算公式为：

S3.3：令k＝k₁,k₂,…k_p，步长为Δk；

在施加电压前期t₁时刻内的回路电流与施加电压分别为：

所以每个k值对应的位移电流

为：

将每个k值对应的位移电流值与回路电流的差值定义为E_a：

当存在E_f满足E_f-1>E_f<E_f+1，即

时，此时的E_f为E_a的最小值，k_f为E_f对应的k值，满足在施加电压前期t₁时刻内，回路电流与位移电流的差值最小；

所以场致发射电流值为：

若无法得到满足条件的E_f，按照步骤S3.3的方法，修改k变化的范围，以及步长Δk重新计算直至得到满足条件的E_f。

随着施加电压的继续升高，出现明显的场致发射电流。场致发射电流随施加电压的增加而逐渐升高。当施加电压上升至最高值附近时，场致发射电流达到最高值并诱发真空击穿。图2即得通过此方法得到了较为准确的场致发射电流。图3为真空灭弧室发生微粒击穿时，灭弧室两端电压与回路电流的波形图，利用同样的方法调节k值来改变位移电流，从施加电压开始到击穿的整个过程回路电流等于位移电流，场致发射电流为零。

优选地，如图4所示，本实施例提供了一种配合获得场致发射电流的方法而搭建的实验装置，包括电源(1)，电源(1)与调压器(2)电连接，调压器(2)与限流电阻(3)、隔离断路器(4)、真空灭弧室试品(5)和回路电流测量电阻(6)构成了串联回路，回路电流测量电阻(6)与稳压管(7)并联；回路电流测量电阻(6)为无感电阻，用于与数字示波器并联。所述的真空灭弧室试品(5)两端的电压由分压器测量。稳压管(7)为饱和击穿电压一定的双稳态稳压管，响应时间为ns级别，用于在真空间隙发生击穿情况下瞬间导通，以保护测量数字示波器。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种获得场致发射电流的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：搭建测量电路：将真空灭弧室试品与回路电流测量电阻串联，回路电流测量电阻与稳压管并联；将示波器并联在回路电流测量电阻上；

S2：利用示波器获取流经真空灭弧室试品的回路电路，回路电路包括真空灭弧室试品的外壳泄露电流、位移电流和场致发射电流，其中外壳泄露电流极小，忽略不计，因此回路电路包括位移电流和场致发射电流；场致发射电流与真空灭弧室试品上的施加电压同相位，位移电流超前施加电压π/2相位；

S3：利用场致发射电流在施加电压前期接近0，位移电流等于回路电流这一特性，通过数学算法将位移电流去除，从而得到准确的场致发射电流：

S3.1：回路电流，场致发射电流，位移电流的关系为：

i＝i_fe+ji_c

式中，i_c表示位移电流，i_fe表示场致发射电流，i表示回路电流；

其中位移电流与施加电压的关系为：

场致发射电流可以表示为：

式中，k为给定的位移电流系数；

S3.2：利用移动平均滤波器对示波器读取的回路电流i(i₁，i₂，…，i_n)，与施加电压u(u₁，u₂，…，u_n)进行平滑降噪处理，在保证数据不失真的情况下设置滤波器的窗宽N；

利用移动平均滤波器降噪处理的运算公式为：

S3.3：令k＝k₁，k₂，…k_p，步长为Δk；

在施加电压前期t₁时刻内的回路电流为：

施加电压分别为：

所以每个k值对应的位移电流

为：

将每个k值对应的位移电流值与回路电流的差值定义为E_a：

当存在E_f满足E_f-1＞E_f＜E_f+1，即

时，此时的E_f为E_a的最小值，k_f为E_f对应的k值，满足在施加电压前期t₁时刻内，回路电流与位移电流的差值最小；

所以场致发射电流值为：

2.根据权利要求1所述的获得场致发射电流的方法，其特征在于：若无法得到满足条件的E_f，修改k变化的范围，以及步长Δk，按照步骤S3.3的方法，再进行计算。

3.一种根据权利要求1或2所述的获得场致发射电流的方法的实验装置，其特征在于：包括电源(1)，电源(1)与调压器(2)电连接，调压器(2)与限流电阻(3)、隔离断路器(4)、真空灭弧室试品(5)和回路电流测量电阻(6)构成了串联回路，回路电流测量电阻(6)与稳压管(7)并联；回路电流测量电阻(6)用于与数字示波器并联。

4.一种根据权利要求3所述的获得场致发射电流的方法的实验装置，其特征在于：真空灭弧室试品(5)两端的电压由分压器测量。

5.一种根据权利要求3所述的获得场致发射电流的方法的实验装置，其特征在于：稳压管(7)为饱和击穿电压一定的双稳态稳压管，响应时间为ns级别，用于在真空间隙发生击穿情况下瞬间导通，以保护测量数字示波器。

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