高泰斯测试设备原理

高泰斯测试设备原理8/20μs冲击电流发生器8/20μs冲击电流发生器8/20μs冲击电流发生器广泛应用于SPD的性能测试中，IEC61643.1-2005SPD测试标准中定义了用具有8/20μs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<10%，峰值误差<10%，反极性振荡<20%，但没有对发生器回路参数、源阻抗等做出强制规定。第2页,共28页，2024年2月25日，星期天浪涌冲击平台各系统浪涌冲击平台电压采样充电控制充电电容电流采样点火控制调波电阻波形分析安全控制调波电感高压回路工控系统测量系统第3页,共28页，2024年2月25日，星期天一、8/20μs冲击电流发生回路理论基础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。第4页,共28页，2024年2月25日，星期天以能产生8/20μs、20kA的发生回路为例

第5页,共28页，2024年2月25日，星期天电容器的选择1、为产生高电压大电流的8/20μs波形，电容器应使用专用的脉冲电容器，且电容器的剩余电感应尽量小，一般为几个纳亨。2、电容器的排列应尽量做到等距，以使得结构电感、电阻相同，为调波提供可计算的结构数据。第6页,共28页，2024年2月25日，星期天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。第7页,共28页，2024年2月25日，星期天二、工控系统1、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。第8页,共28页，2024年2月25日，星期天2、点火球隙

在接地的球电极（阴极）开有Φ5mm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。第9页,共28页，2024年2月25日，星期天三、测量系统1、残压的测量——电阻分压器第10页,共28页，2024年2月25日，星期天 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，乘上分压器的倍率m（m=1/ρ,ρ为分压比）即可。

第11页,共28页，2024年2月25日，星期天8/20us冲击下压敏电阻典型残压波第12页,共28页，2024年2月25日，星期天2、电流的测量——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。8/20μs电流波，一般采用自积分式罗氏线圈来测量。第13页,共28页，2024年2月25日，星期天8/20μs冲击典型波形第14页,共28页，2024年2月25日，星期天3、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。第15页,共28页，2024年2月25日，星期天三、波形分析系统（1）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第16页,共28页，2024年2月25日，星期天

（2）数字储存示波器波形纪录原理

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。第17页,共28页，2024年2月25日，星期天（3）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。第18页,共28页，2024年2月25日，星期天四、不同源阻抗发生器在测试上的差异

4.1仿真研究（1）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。第19页,共28页，2024年2月25日，星期天（2）不同预期短路电流下试品残压的变化规律1）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来校准测量值。第20页,共28页，2024年2月25日，星期天(3)相同预期短路电流下试品残压的变化规律1）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。第21页,共28页，2024年2月25日，星期天(4)通流变化分析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。第22页,共28页，2024年2月25日，星期天

(1)不同源阻抗对试品的劣化影响ICGS系统下U1mA变化规律 Haefely系统下U1mA变化规律源阻抗：0.799Ω源阻抗：0.432Ω4.2实验研究

第23页,共28页，2024年2月25日，星期天(2)U1mA劣化程度与测试次数关系设备源阻抗/Ω初始U1mA/V下降至5%的次数下降至7%的次数下降至9%的次数下降至10%的次数HaefelyICGS0.4320.7996776817940844488519052第24页,共28页，2024年2月25日，星期天

(3)Ileak变化规律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。第25页,共28页，2024年2月25日，星期天（4）相同试品的残压规律同一种试品，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。第26页,共28页，2024年2月25日，星期天（5）流过SPD的电流波的变化规律

1）按照IEC61643.1-2005对8/20μs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/T10.432Ω0.52Ω0.799Ω20.21-20.5919.60-20.020.35-20.46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定的变化20kA±0.5kA。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。第27页,共28页，2024年2月25