高泰斯测试设备原理

1、8/20 s浪涌冲击测试设备专论 文章由深圳市硕凯电子提供文章由深圳市硕凯电子提供Page 28/20s8/20s冲击电流发生器冲击电流发生器8/20s冲击电流发生器n 8/20s冲击电流发生器广泛应用于SPD的性能测试中，IEC61643.1-2005 SPD测试标准中定义了用具有8/20s波形的冲击电流来测试压敏电阻，并规定: 波头、波尾时间误差波头、波尾时间误差10%，峰值误差峰值误差10%，反极性振荡，反极性振荡20%，但没有对发生器回路参，但没有对发生器回路参数、源阻抗等做出强制规定。数、源阻抗等做出强制规定。Page 3浪涌冲击平台各系统浪涌冲击平台各系统浪涌冲击平台电压采样电压采

2、样充电控制充电控制充电电容充电电容电流采样电流采样点火控制点火控制调波电阻调波电阻波形分析波形分析安全控制安全控制调波电感调波电感高压回路高压回路工控系统工控系统测量系统测量系统Page 4一、8/20s冲击电流发生回路理论基础n 冲击电流可由双指数函数模拟，工程中常用RLC构成主回路来实现冲击电流的产生，其原理图所示n 图中，C为理想电容器；L为放电回路总电感，包括间隙电感、接线电感、调波电感、负载电感；R是放电回路的总电阻，包括接线电阻、间隙电阻以及调波电阻等；K是控制开关。该电路因工作在欠阻尼状态。Page 5以能产生8/20s、20kA的发生回路为例 Page 6电容器的选择1 1、为

3、产生高电压大电流的、为产生高电压大电流的8/20s8/20s波形，电容器应使波形，电容器应使用专用的脉冲电容器，且用专用的脉冲电容器，且电容器的剩余电感应尽量电容器的剩余电感应尽量小，一般为几个纳亨。小，一般为几个纳亨。2 2、电容器的排列应尽量做、电容器的排列应尽量做到等距，以使得结构电感、到等距，以使得结构电感、电阻相同，为调波提供可电阻相同，为调波提供可计算的结构数据。计算的结构数据。Page 7试验变压器试验变压器 实验研究用的产生工频高电压的变压器称为试验变压器。因试验实验研究用的产生工频高电压的变压器称为试验变压器。因试验变压器是以得到高电压为目的，故与电力变压器有所不同，主要是变

4、变压器是以得到高电压为目的，故与电力变压器有所不同，主要是变比大、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、工控系统二、工控系统n 1 1、充电电压控制、充电电压控制（1）电容器的充电采用恒压充电方式，该充电方式结构简单，控制方便。（2）利用直流分压器监控充电电容器的两端电压，将其分压后，由电压比较电路将该电压值和预置电压值比较。一旦充电电压达到预定值时，该比较电路发出光电信号，使调压器置位。Page 9n 2 2、点火球隙、点火球隙在接地的球电极（阴极）开有5mm的孔，孔中插入聚四氟乙烯或玻璃绝缘管，管中穿进圆棒作为触发电极。给点火电极施加与对面的球电极极

5、性相反的点火脉冲时，点火电极和接地球之间先引起沿绝缘管表面的沿面放电，这将引起与对面球电极之间的电场分布畸变，从而使球间隙击穿。最近使用的冲击电压发生器是给定充电电压和加压次数后全部自动控制的。Page 10三、测量系统n 1 1、残压的测量电阻分压器 Page 11n分压器和测量仪器的连接用高频同轴电缆，该电缆的波阻抗以Z表示。为了在电缆两端不引起反射，需通过与Z相等的阻抗接地。在图示(b)所示的电阻分压器情况时，应满足以下条件：R2+R3=Z=R4+R5。这称为匹配（matching）。在匹配状态下等效电路如图（b），成为省掉电缆的电阻电路。因此，从示波器测得的V2求V1时，乘上分压器的倍

6、率m（m=1/,为分压比）即可。nPage 128/20us冲击下压敏电阻典型残压波Page 132 2、电流的测量、电流的测量罗氏线圈罗氏线圈 设电流垂直于纸面，则产生如箭头方向所示的磁通。在线圈中产生的感应电动势是磁通的时间微分，通过RC电路将感应电势进行积分后，可以测得正比于电流的cd端电压。 8/20s电流波，一般采用自积分式罗氏线圈来测量。Page 148/20s冲击典型波形Page 153 3、小结、小结 在冲击电流自动化测量系统中，冲击电流和冲击残压测试基准点与系统的参考接地点理论上应精确在一个参考点，但在实际中是不现实的，要保证测量精度，我们采用浮地法进行测量，但在冲击电流这样

7、的一个强脉冲电流电磁干扰的环境中，通过电源线、信号线及通信线势必会在测试单元侧耦合出一定的电磁干扰脉冲，这个干扰脉冲严重影响系统测试精度和测试单元，这个干扰脉冲严重影响系统的精度和系统的稳定性。需要采取有针对性的浪涌吸收电路，实现测量系统的电磁兼容。Page 16三、波形分析系统三、波形分析系统（1 1）数字储存示波器）数字储存示波器 数字储存示波器的应用不仅可使被测波形在屏幕上“锁住”，以使一次过程波便于被人们观测，而且可以通过其专用软盘把波形储存起来，或是连至计算机进行分析计算、打印和储存。数字储存示波器的方框原理图Page 17 （2 2）数字储存示波器波形纪录数字储存示波器波形纪录原理

8、原理 如图所示，假定内存的容量是1024，触发起着令B点之后“停写”的作用，把触发前后的一段A与B之间的信息保留下来。图中所示的触发电平和预置数可由操作人员实现在示波器面板上设定，从而确保将雷电冲击波的整个波形都记录下来。Page 18（3 3）计算机脉冲分析系统）计算机脉冲分析系统基于示波器采样板技术，通过通讯线缆，将信号传递至计算机，再由相关软件还原波形，做到实时自动测量，计算，储存的功能。Page 19四、不同源阻抗发生器在测试上的差异四、不同源阻抗发生器在测试上的差异 4.1 4.1 仿真研究仿真研究 （1 1）电容和源阻抗的关系电容和源阻抗的关系充电电容和源阻抗的关系表明：电容和源阻

9、抗呈非线性的反比例函数关系，即充电电容减小直接导致源阻抗增大，反之亦然。01020304001234Rp/C/F C.vs.RpPage 20（2 2）不同预期短路电流下试品残压的变化规律）不同预期短路电流下试品残压的变化规律012341.21.41.61.82.02.2VRES/kVRP/ 10kA 20kA 30kA1）冲击幅值不同，但三条残压曲线几乎平行；2）冲击电流源阻抗不同，得到的冲击残压也不一样，但在不同幅值的冲击下，各条曲线冲击残压差相差不大。10kA、20kA和30kA冲击电流下，不同源阻抗得到的冲击残压差分别为117.3V、114.7V和120.9V。3）可以用一个U来校准测

10、量值。Page 21(3)(3)相同预期短路电流下试品残压的变化规律相同预期短路电流下试品残压的变化规律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）发散趋势可以看出，在同一冲击电流幅值下不同通流能力的试品其冲击残压差异不同。因此计量设备时，不能用不同通流容量的试品来对比两种设备。2）对于通流容量小的试品，冲击残压变化趋于剧烈。3）在计量设备时，小通流的MOV“电压敏

11、感性”较大，适用小通流的试品来反映其最大误差，从上图中可见，B32K385在30kA下B32K385的变化曲线，冲击残压差达到120.9V。Page 22(4)(4)通流变化分析通流变化分析012345252627282930 IFT VRESRP/IFT/kA2.002.022.042.062.082.102.122.14VRES/kV在相同试品和预期短路电流下，随着源阻抗的变化，通过MOV的电流却发生了变化，因而导致冲击残压的变化，源阻抗对冲击残压有很大影响。因此可以将试品阻抗值预先计算在回路内来调波，这样能有效提高设备的带负载能力。Page 23(1)(1)不同源阻抗对试品的劣化影响不同

12、源阻抗对试品的劣化影响020406080100540560580600620640660680700720740U1mA/VNum U1mA of ICGS020406080100600620640660680700 U1mA/VNum U1mA of HaefelyICGSICGS系统下系统下U U1mA1mA变化规律变化规律 Haefely Haefely系统下系统下U U1mA1mA变化规律变化规律源阻抗：源阻抗：0.799源阻抗：源阻抗：0.4324.2 4.2 实验研究实验研究Page 24(2)U(2)U1mA1mA劣化程度与测试次数关系劣化程度与测试次数关系设备设备源阻抗源阻抗/

13、初始初始U1mA/V下降至下降至5%的次数的次数下降至下降至7%的的次数次数下降至下降至9%的的次数次数下降至下降至10%的次数的次数HaefelyICGS0.4320.7996776817940844488519052Page 25 (3)I(3)Ileakleak变化规律变化规律020406080100048121620 Ileak of Haefely Ileak of ICGSNumIleak/A 020406080100120140160180Ileak/A 漏电流随着测试次数的增加始终是呈现增加的趋势，当超过一定次数时，漏电流呈指数形式增加，劣化加剧。Page 26（4）相同试品的

14、残压规律）相同试品的残压规律 02040608010019502000205021002150220022502300Ures(V)/ICGS Ures of ICGS Ures of HaefelyAUres(V)/Haefely19502000205021002150220022502300 同一种试品，在不同源阻抗的设备上，残压有近100V差别。这可能是由于在放电开关导通，测试回路形成后，使得MOV从高阻态转向低阻导通态的是阶跃电压波，源阻抗越高，产生流过MOV具有相同幅值的电流需要的充电电压就越高，在MOV动作前du/dt决定其残压大小。 Page 27（5 5）流过）流过SPDSPD

15、的电流波的变化规律的电流波的变化规律 1） 按照IEC61643.1-2005对8/20s测试用脉冲电流的规定，可用电流波的峰值Im1、反峰振荡比Im2/ Im1、T2/T1等参数来表征。 设备源阻抗Im1/kA反峰振荡比Im2/ Im1T2/ T10.4320.520.79920.21-20.5919.60-20.020.35-20.46波形无反峰5.15%-4.4%29.9%-28.4%2.95-2.872.75-2.672.18-1.97电流参数分析 电流波不能表征MOV在多次冲击下老化劣化的程度。随着冲击测试次数的增加，MOV的通流能力并未显著降低，从Im1可以看出，通流能力基本保持稳

16、定的变化20kA0.5kA。在大电流区的V-I特性决定了MOV在该区域的保护性能，在MOV制造中，尽量降低晶粒电阻率，以扩展电压电流特性的平坦区范围，对提高SPD的保护性能是很重要的。 Page 282) T2/T1的变化规律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从右图中可以看出T2/ T1的变化随设备源阻抗的不同而呈现出差别。这个差别并不是试品所导致的，而是由于设备调波元件（R、L、C）

17、参数的不同、连接方式差异、以及电压电流采集系统差异所导致的。由文献9可知在大电流区，V-I特性成正比，主要由氧化锌晶粒的晶粒电阻决定，晶粒电阻是线性的，电压和电流成正比关系。Page 29 根据标准，T2/ T1的变化范围为：2.053.05，从上图中可以看出，源阻抗低的Haefely设备产生波形的T2/ T1偏向于允许范围上限（3.05），源阻抗较高的ICGS系统产生波形的T2/ T1偏向于允许范围下限（2.05），再对比分析T2、T1数据可以知道，ICGS系统产生通过SPD的电流波波尾（T2时间）相对Haefely系统产生的要短（约1.1s -1.5s），因此可以计算出ICGS系统在MOV上产生的比能量相对Haefely系统产生在试品上产生的要小些（约1.73kJ）；由文献可知MOV的残压和波头上升时间、峰值、陡度等密切相关，ICGS下90次的波头平均上升时间8.76s，Haefely下的波头平均上升时间8.50s，t=0.26s，波头上升时间上的差异较小；当在近似相同的波头上升时间内，由于源阻抗较大的设备所需的充电电压高，因此这种发生器在MOV动作前产生的du/dt要比源阻抗较小的发生器大接近2.2倍，因此可见MOV动作时的阶跃电压波陡度决定了其残压大小