專利名稱：金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統過電壓領域，具體涉及一種金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置。
背景技術：
試驗研究表明，氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)隔離開關操作會產生幅值高、陡度大的特快速瞬態過電壓(VFTO)，對GIS及其連接設備絕緣、外殼連接的二次設備運行有重要影響。目前，普遍采用東芝公司提出的GIS隔離開關帶阻尼電阻的方法抑制VFT0，在實際中得到了較好的應用，我國特高壓交流試驗示范工程的長治站和南陽站均采用了該方案。清華大學嘗試在GIS高壓導桿上安裝高頻磁環來抑制VFT0，進行了大量的實驗室研究，仍需通過現場應用驗證該措施的有效性。近年來，隨著金屬氧化物避雷器(以下簡稱避·雷器)性能提升，其對VFTO的抑制作用逐漸成為了研究關注的熱點。電力系統中安裝的避雷器主要用于限制雷電和操作過電壓，因VFTO波頭時間較短，可達數ns，振蕩頻率可能達到IOOMHz以上，高頻下的避雷器閥片響應性能有限，甚少考慮用避雷器限制VFT0。上世紀八十年代起，為了研制性能優異的避雷器，國內外對避雷器在陡沖擊波下的響應特性進行了探索。BBC公司建立了雙指數波和方波電流源對不同結構的金屬氧化物電阻片(下稱電阻片)進行了試驗研究，輸出電流波形的波頭時間范圍為O. 71 μ S。中國電力科學研究院研制了陡沖擊電流波裝置，產生了 O. 1/0. 2 μ S、O. 4/0. 8μ s、0. 8/3 μ S.4/10 μ S.8/20 μ s,30/60 μ S 的電流波形，最大電流幅值為 lkA，試驗研究了電阻片結構和物性等對避雷器響應特性的影響。可見，上述試驗研究受陡波試驗電源的限制，存在電流波頭時間較長或電流幅值較小的問題，均未得到電阻片在VFTO陡波下的伏安特性。因電阻片在陡波下的伏安特性是建立避雷器高頻模型的前提，亟需得到電阻片在波頭時間小于IOOns陡波下的伏安特性，進而仿真研究避雷器對VFTO的抑制作用和適用范圍。現有測試技術中，一般通過Marx發生器產生脈沖電壓施加于金屬氧化物試品，但這種實驗回路復雜，雜散參數大，難以產生很陡的電流上升沿。
發明內容
為了克服上述陡波試驗電源測量金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下的伏安特性存在的不足，本發明的目的在于提出一種金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置。一種金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置，該裝置包括陡波前沿電流脈沖產生裝置，與試品相連，用于產生陡波前沿電流波形；和測試儀器，與試品相連，用于測量試品的電流、電壓波形；所述陡波前沿電流脈沖產生裝置包括依次串聯的第一電容器、三電極開關和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器上均設有三個接線端，所述第一電容器與第二電容器的第二接線端分別通過1ΜΩ電阻連接至電源的正、負極，所述第一電容器與第二電容器的第三接線端之間通過三電極開關進行一體化連接，所述第一電容器與第二電容器的第一接線端分別通過銅帶與安裝在試品兩端的壓接件相連，構成放電回路。其中，所述第二電容器的第一接線端上安裝有螺桿，該螺桿的空閑端安裝有用于連接試品的銅帶和用于使放電回路接地的接地銅帶。其中，所述測試儀器包括套設于螺桿上的羅氏線圈、與試品兩端的壓接件相連接的高壓探頭、屏蔽電纜和示波器；所述羅氏線圈將陡波前沿電流脈沖產生裝置輸出的陡波前沿電流波形經屏蔽電纜傳至示波器；在所述陡波前沿電流波形下，所述高壓探頭測量出試品的電流、電壓波形，并經屏蔽電纜傳至示波器。
其中，所述一體化連接的具體結構為所述三電極開關包括干燥氣罐和封裝于干燥氣罐中的觸發電極以及位于觸發電極兩側的正、負高壓電極，所述正、負高壓電極的一側分別設有連接螺桿，所述第一電容器和第二電容器的第三接線端上分別設有與連接螺桿相匹配的螺孔，所述連接螺桿旋入螺孔中實現第一電容器、第二電容器與三電極開關的一體化連接；所述干燥氣罐中填充有絕緣氣體介質。其中，所述絕緣氣體介質為空氣、SF6氣體或其它惰性氣體。其中，所述壓接件采用導電材質制成的扁圓柱體結構。其中，所述第一接線端為第一電容器和第二電容器的低壓端；所述第二接線端和第三接線端是等電位的，均為第一電容器和第二電容器的高壓端。其中，所述第一電容器的第一接線端和第三接線端分別位于第一電容器的殼體相對兩側，所述第一電容器的第二接線端接通電源正極，其設在與第三接線端相鄰一側的第一電容器殼體上；所述第二電容器的第一接線端和第三高壓端位于第二電容器的殼體相對兩側，所述第二電容器的第二接線端接通電源負極，其設在與第三接線端相鄰一側的第二電容器殼體上。其中，所述連接第一電容器的第一接線端與試品一端的銅帶、連接第二電容器的第一接線端與試品另一端的銅帶、第一電容器和第二電容器的表面分別墊設有絕緣膠皮，且上述兩條銅帶分別纏繞于第一電容器和第二電容器的表面。本發明采用上述技術方案，具有的優點有采用電容與開關一體化同軸結構設計，陡波前沿電流脈沖產生裝置幾乎沒有電感，確保產生的電流波頭時間較短，滿足VFTO波形的要求；陡波前沿電流脈沖產生裝置的開關間隙可采用多種氣體絕緣介質，氣體壓力可調，并帶外觸發擊穿方式，使得開關間隙K擊穿電壓較高，產生的電流峰值較大、范圍較寬，可滿足不同性能電阻片的測量要求。
下面結合附圖對本發明進一步說明。圖I是本發明測試裝置中陡波前沿電流脈沖產生裝置的結構示意圖；圖2是本發明測試裝置的電路示意圖；圖3是實施例I中電阻片QA22在IOkA陡波前沿電流下的電壓和電流波形圖4是實施例I中電阻片QA22在陡波與雷電波下的閥片伏安特性比較圖；圖5是實施例2中電阻片RB41在4kA陡波前沿電流下的電壓和電流波形圖；圖6是實施例2中電阻片RB41在陡波與雷電波下的閥片伏安特性比較圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實例，進一步詳細闡述本發明金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置，為建立避雷器在陡波下的高頻仿真模型提供基礎數據。其中相同或相似的附圖標號表示相同或相似的器件。如圖1-2所示，該測試裝置包括陡波前沿電流脈沖產生裝置和測試儀器，其中，陡波前沿電流脈沖產生裝置包括一個三電極開關K和兩個電容器(即第一電容器Cl和第二電容器C2)，兩個電容器Cl、C2分別具有三個接線端(即第一接線端I、第二接線端2和第三接線端3)，第二接線端2和第三接線端3是等電位的，為兩個電容器的高壓端；第一接線端I是獨立的，為兩個電容器的低壓端。兩個電容器Cl、C2可采用薄膜油塑殼封裝結構，與氣體絕緣電容器相比，其在相同尺寸下的容量比后者大I倍，存儲、運輸和使用對環境的要求較寬松。為了提高該測試裝置的穩定和可靠性，第一電容器Cl的第二接線端2可以通過IM Ω的保護電阻器連接直流高壓電源的正極，第二電容器C2的第二接線端2可以通過IM Ω的保護電阻器連接直流高壓電源的負極。兩個電容器Cl、C2與三電極開關K安裝成緊湊型一體化結構，可放置在變壓器油中，提高開關間隙K的擊穿；電壓三電極開關K可采用三電極場畸變氣體開關，可采用外觸發擊穿或自擊穿，開關K的具體結構包括圓柱形干燥氣罐和封裝于干燥氣罐中的觸發電極以及位于觸發電極兩側的正、負高壓電極；正、負高壓電極的一側分別安裝有一個長
O.5cm的MlO連接螺桿，兩個電容器Cl、C2的第三接線端3上分別設有與連接螺桿相匹配的MlO螺孔，連接螺桿穿過干燥氣罐上的通孔并旋入螺孔中完成兩個電容器Cl、C2與三電極開關K的一體化連接，由于連接螺桿和螺孔直接旋合、接觸良好且無須引線連接，小型化和緊湊型的特點得到了最大的體現，能夠保證回路電感達到最小。三電極開關采用干燥氣罐作為外殼，具有很高的機械強度，能夠承受很高的氣壓，從而允許減小三電極開關長度，減小開關電感；干燥氣罐中還填充有絕緣氣體介質，該絕緣氣體介質可采用空氣、SF6氣體或其它惰性氣體，氣體壓力范圍在-O. IMPa O. IMPa，可連續調節，選用的絕緣介質和氣體壓力取決于測量的電流峰值。第二電容器C2上還安裝有MlO螺桿，螺桿的一端擰在第二電容器C2的第一接線端I上、其另一端連接有兩條銅帶，其中第一條用于使放電回路接地，第二條連接至金屬氧化物試品(簡稱MOA試品)一端的壓接件上，MOA試品另一端的壓接件通過第三條銅帶連接至第一電容器Cl的第一接線端I上，構成放電回路。上述第二、三條銅帶的走線原則是在保證電容器不發生沿面閃絡的條件下，銅帶盡量短；銅帶與兩個電容器Cl、C2的表面分別墊設有絕緣膠皮，銅帶包裹在兩個電容器Cl、C2表面，且盡量貼近，可保證整個回路最緊湊，電流前沿最陡峭。位于試品兩端壓接件為兩片紅銅制成的扁圓柱形，可以保證MOA試品受力均勻和接觸良好，且方便電壓測量接線。上述銅帶可采用短、寬銅條進行良好連接，減小電流振蕩。電壓電流測試儀器包括羅氏線圈、高壓探頭、示波器和若干根屏蔽電纜，羅氏線圈套設于接地銅帶附近的螺桿，并將陡波前沿電流脈沖產生裝置輸出的陡波前沿電流波形經屏蔽電纜傳輸至示波器；在陡波前沿電流波形下，通過與MOA試品兩端的壓接件相連接的高壓探頭測量出MOA試品的電流、電壓波形，并經屏蔽電纜傳至示波器，根據電流、電壓波形得到試品在陡波前沿電流波形下的響應特性。該測試裝置的具體操作方法如下在陡波前沿電流脈沖產生裝置構成的回路中接入MOA試品，用直流電源U對陡波前沿電流脈沖產生裝置的兩個電容器C1、C2充電使三電極開關K擊穿，產生波頭上升時間為5(Tl00ns、峰值為500A 50kA的陡波前沿電流波形，記錄MOA試品上的電流和電壓波形，讀取電壓波形中峰值后的平坦部分對應的數值為MOA試品殘壓。在相同幅值的電流波形下，波頭上升時間誤差為±5ns，重復3次測量MOA試品的電流和殘壓，每個MOA試品測量不少于5個個不同電流幅值下的殘壓，采用插值和擬合等方法對MOA試品伏安特性的測量結果進行數據處理，求取MOA試品在陡波前沿電流脈沖下的平均伏安特性。實施例I·本發明的一個實施例中所采用的MOA試品為MOA電阻片QA22，本例為測量電阻片QA22在陡波下的伏安特性，陡波前沿電流脈沖產生裝置的兩個電容器Cp C2的電容值均為40nF，選用填充SF6氣體的三電極開關K，間隙距離約4mm，氣體壓力為-O. IMPa^O. IMPa，直流電源U的充電電壓為10kV 100kV。陡波前沿電流脈沖產生裝置放置在空氣中，按圖I所示在回路中接入電阻片QA22，電阻片上的電流和電壓波形見圖3，電流為衰減振蕩波，周期約336ns，波頭上升時間為80ns。通過改變直流電源U的充電電壓，產生電流范圍為610A 10kA，測量了電阻片QA22在10個不同電流幅值下的電流和殘壓值，對每個電流幅值重復測量3次求取平均值，在電阻片QA22上測量到的電流峰值和殘壓列于表I。表I電阻片QA22的電流和殘壓值
Ifl電流峰值(kA)電阻片殘壓(kV)
~ οΓθ 8 2
~20 988 7
3~28 9
~^Λ8Οθ
5Τδ9735
65764θΓθ ~67049784
~8 Γδ10權利要求
1.一種金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置，其特征在于，該裝置包括 陡波前沿電流脈沖產生裝置，與試品相連，用于產生陡波前沿電流波形；和 測試儀器，與試品相連，用于測量試品的電流、電壓波形； 所述陡波前沿電流脈沖產生裝置包括依次串聯的第一電容器、三電極開關和第二電容器，所述第一電容器和第二電容器上均設有三個接線端，所述第一電容器與第二電容器的第二接線端分別通過1ΜΩ電阻連接至電源的正、負極，所述第一電容器與第二電容器的第三接線端之間通過三電極開關進行一體化連接，所述第一電容器與第二電容器的第一接線端分別通過銅帶與安裝在試品兩端的壓接件相連，構成放電回路。
2.根據權利要求I所述的測試裝置，其特征在于所述第二電容器的第一接線端上安裝有螺桿，該螺桿的空閑端安裝有用于連接試品的銅帶和用于使放電回路接地的接地銅帶。
3.根據權利要求2所述的測試裝置，其特征在于所述測試儀器包括套設于螺桿上的羅氏線圈、與試品兩端的壓接件相連接的高壓探頭、屏蔽電纜和示波器；所述羅氏線圈將陡波前沿電流脈沖產生裝置輸出的陡波前沿電流波形經屏蔽電纜傳至示波器；在所述陡波前沿電流波形下，所述高壓探頭測量出試品的電流、電壓波形，并經屏蔽電纜傳至示波器。
4.根據權利要求1-3任一所述的測試裝置，其特征在于，所述一體化連接的具體結構為 所述三電極開關包括干燥氣罐和封裝于干燥氣罐中的觸發電極以及位于觸發電極兩側的正、負高壓電極，所述正、負高壓電極的一側分別設有連接螺桿，所述第一電容器和第二電容器的第三接線端上分別設有與連接螺桿相匹配的螺孔，所述連接螺桿旋入螺孔中實現第一電容器、第二電容器與三電極開關的一體化連接；所述干燥氣罐中填充有絕緣氣體介質。
5.根據權利要求4所述的測試裝置，其特征在于所述絕緣氣體介質為空氣、SF6氣體或其它惰性氣體。
6.根據權利要求1-3任一所述的測試裝置，其特征在于所述壓接件采用導電材質制成的扁圓柱體結構。
7.根據權利要求1-3任一所述的測試裝置，其特征在于所述第一接線端為第一電容器和第二電容器的低壓端；所述第二接線端和第三接線端是等電位的，均為第一電容器和第二電容器的高壓端。
8.根據權利要求1-3任一所述的測試裝置，其特征在于所述第一電容器的第一接線端和第三接線端分別位于第一電容器的殼體相對兩側，所述第一電容器的第二接線端接通電源正極，其設在與第三接線端相鄰一側的第一電容器殼體上；所述第二電容器的第一接線端和第三高壓端位于第二電容器的殼體相對兩側，所述第二電容器的第二接線端接通電源負極，其設在與第三接線端相鄰一側的第二電容器殼體上。
9.根據權利要求1-3任一所述的測試裝置，其特征在于所述連接第一電容器的第一接線端與試品一端的銅帶、連接第二電容器的第一接線端與試品另一端的銅帶、第一電容器和第二電容器的表面分別墊設有絕緣膠皮，且上述兩條銅帶分別纏繞于第一電容器和第二電容器的表面。
全文摘要
本發明提出一種金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性測試裝置，包括陡波前沿電流脈沖產生裝置，用于產生陡波前沿電流波形；測試儀器，用于測量試品的電流、電壓波形；在陡波前沿電流脈沖產生裝置構成的回路中接入試品，通過直流電源對陡波前沿電流脈沖產生裝置中的兩個電容器充電使三電極開關擊穿，以測試金屬氧化物試品在陡前沿脈沖下響應特性。該測試裝置由于采用電容、開關一體化結構，減小了回路電感，由于采用銅帶緊湊包裹電容器的機構，是回路電感減小至最低，保證了足夠的電流幅值和陡峭的上升沿，隨著陡波前沿電流的增大，陡波下的閥片殘壓有明顯提高。
文檔編號G01R31/00GK102914708SQ201210365838
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者顏湘蓮, 陳維江, 張喬根, 李志兵, 劉軒東, 王浩, 李曉昂 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網公司, 西安交通大學