基于多层PCB罗氏线圈的精密冲击电流测量装置

为准确评估防雷设备性能,冲击电流测量装置的测量精度和响应特性至关重要,因此文中提出了高频性能好、抗干扰能力强、灵敏度足够大的多层印刷电路板(PCB)罗氏线圈设计方案。文中分析了雷电流波形的频率范围以及罗氏线圈的传变特性;依据罗氏线圈尺寸、匝数与线圈频率特性之间的关系曲线,确定了线圈的结构尺寸;设计了新型屏蔽和信号输出方式,增强抗干扰能力。通过增加线圈厚度和串联线圈的方法,增大输出电压灵敏度。根据标准要求,进行测量装置的动态特性、标准雷电流测量误差以及线性度试验研究。试验中测量装置响应时间小于90 ns,相对过冲小于10%;与标准Pearson线圈比对,峰值误差小于0.2%,时间参数测量误差小于0.3%;5~40 kA电流范围内,测量装置线性度约为0.3%。试验结果表明研制的冲击电流测量装置具有良好的高频电流信号测量能力。     

冲击电压测量软件的验证及其比对

冲击电压测量软件的计算准确度直接影响冲击电压测量系统的测量水平,笔者介绍了IEC标准对于叠加过冲振荡的雷电全波的计算方法的发展改进过程,简述了自主开发的冲击测量软件的基本功能以及关键问题的解决方法,并采用IEC 61083-2—2010的标准试验数据发生器(TDG)验证了软件的计算准确度。根据该软件对雷电全波(LI)29个典型波形的计算结果,其主要波形参数为峰值Up、波前时间T1、半峰值时间T2、部分相对过冲幅值β与标准值的最大偏差值分别为-0.07%、1.5%、-0.17%、1.0%,各参数的计算偏差都小于标准规定的最大允许偏差。总结采用新方法后各参数的变化趋势,笔者选择IEC 61083—1996 TDG软件规定的17种典型波形(LI),结果显示新方法计算的过冲低于旧标准值,因此拟合基准曲线峰值低于旧方法中的平均曲线的峰值;对于过冲频率f≥500 kHz时,由于计算滤波方法的不同,新方法得到的T1和Up分别低于、高于旧标准值。     

特高压冲击电压分压器线性度测量方法比较

线性度为冲击电压分压器的关键技术参数,随着额定电压的不能提高,对于不能在全部电压范围内进行比对校准的冲击分压器,必须进行单独的线性度试验。本文介绍了两种不同的测量高压冲击分压器线性度的方法：测量冲击电压发生器输出电压与充电电压的比值变化;使用球形电压测量仪来测量冲击分压器的线性度。研究充电电压测量准确度、充电时间、充电电压补偿以及充电电压不均匀程度等因素对冲击电压发生器输出电压的影响;球形电场测量仪的输出电压与被测电场成正比,在均匀场与非均匀场中都可以测量冲击电压波形,其线性度≤±1%,可通过改变测量仪的布置位置来扩大测量电压范围;使用上述两种方法测量同一台弱阻尼冲击电压分压器的线性度,测量结果一致性好,因此球形电场测量仪也可用于进行特高压冲击分压器线性度的现场校准。     

500kV集中式标准电容分压器的研制

研制了一种基于标准电容器的集中式电容分压器,该分压器的高低压臂电容电极采用同种金属极板材料并处于压缩SF6气体绝缘介质中,可以保证分压器高低压臂电容温度系数、电压系数等特性参数的一致性,进而保证电容分压器分压比的稳定性;采用理论计算及仿真分析相结合的方式确定了标准电容器各部分的尺寸。针对绝缘外筒表面上存在电压分布不均匀的情况,在分压器内部加设多层均压电极后改善了绝缘套管上的电场分布情况。经实际测试,标准电容分压器高压臂电容量及分压比实测值与理论计算值十分接近,其高压臂电容量电压系数为1.01×10-5。     

一种新型的电容分压器电场优化结构

标准电容器具有优良的电压系数和温度系数、介质损耗极小、电容量稳定等优良特性,被广泛的应用于高电压测量中作为参考标准或测量分压器的高压臂。平行平板电容器作为高压标准电容器的一种新型结构具有结构简单、可带有板蔽电极等特点;但其电位分布不均匀是其一个较大的缺点,容易造成绝缘筒沿面闪络,发生绝缘击穿事故。文中以1 200 kV平板电极标准电容分压器为例建立了高压标准电容分压器的计算模型,计算得到了高压标准电容分压器绝缘筒外部电位随高度的变化曲线,通过在电容分压器内部增加多层金属板,使得电容分压器绝缘筒外部电位分布曲线趋于线性,得到了进一步的优化。     

IEC60060-1Ed3.0中雷电波形处理方法的研究

依据新版IEC 60060-1 Ed.3.0中对带振荡雷电全波的处理要求,以Labview为开发平台设计了新的冲击测量数值处理程序,论述了该程序中确定雷电波上升起始点、曲线的拟合及采用序样本均值聚类思想确定雷电截断波的截断点的方法,测量结果表明该处理程序满足IEC61083-2的要求.依据测量结果对该计算处理程序测量冲击电压峰值时的测量不确定度进行了分析.该计算处理程序与示波器(采集卡)等配套使用可以保证冲击二次测量系统的的准确度,对于冲击电压计量和研究有重要意义.     

基于标准电容器的工频、冲击两用型分压器的研制

高压标准电容具有优良的线性度、温度系数以及不受外界环境影响等优点,也可测量冲击电压。为此介绍一种600 kV基于压缩SF6气体绝缘的正立式标准电容器的两用型分压器。使用有限元分析软件ANSOFT对高压套管进行仿真计算,对接地屏蔽及中间电位屏蔽的位置和尺寸进行优化设计。当中间电位屏蔽上的电压系数k=41.6%时,沿套管外壁电场强度2个峰值持平约0.5 kV/mm,套管利用率最佳。对于电极的设计,依据电场大小确定高压电极形状和尺寸,不断优化屏蔽电极的尺寸,尽可能均匀低压电极表面的电场强度。为了改善分压器的动态性能,设计时低压电极与外壳外壁的距离仅25 mm。利用回归分析,工频电压下电容器的电压系数5×10~(-5)。安装低压臂后,测量得到分压器的动态特性,上升时间41.6 ns。雷电全波下与标准冲击电阻分压器进行比对,2台分压器输出波形一致性非常好。     

100kA快响应精密冲击分流器研制及特性分析

冲击电流为暂态电流波形,持续时间短且波形不可重复,测量误差影响因素众多难以评估。研制快响应精密冲击分流器,采用同轴管式结构,分析分流器的测量原理及尺寸设计。研究分流器的瞬态响应过程,将输出信号焊接至电阻体外侧,消除趋肤效应的影响。分流器的稳态电阻测量值为0.9697mΩ,杂散电感为32nH,测量额定电流时,电阻温升小于36℃。研制方波电流源测量分流器的动态特性,阶跃响应时间小于4ns,并利用卷积积分的方法计算动态特性引起的峰值和时间参数测量误差。冲击电流波形8/20μs下,进行分流器线性度、稳定性等特性试验。研究冲击电流测量装置的不确定度评定方法,分析不确定度影响因素,峰值参数测量不确定度为0.4%(k=2),时间参数测量不确定度0.8%(k=2)。说明该测量装置可作为标准测量装置用于电流传感器的校准。     

10kV方波发生器的研制

针对电力系统中波前时间比标准雷电波(1.2μs)还要短的冲击过电压测量问题,以及为了提高试验标定冲击分压器时输出信号的信噪比,提出了电容放电型方波发生器的电路原理,以上升时间<5ns的气体间隙作为陡化开关,研制了上升时间为ns级的高压方波发生器。初步试验结果表明,陡化开关满足设计要求,重复性好,但波形受回路杂散参数的影响较大。在考虑杂散参数影响的条件下,通过ATP仿真分析了回路主要参数对输出波形的影响规律并确定了各参数的取值,改进后的试验回路能得到上升时间<5ns、脉宽>1μs、幅值约10kV的方波电压。该方波发生器可作为标定冲击分压器的方波源。     

板-板和球-球在CO_2气体内的放电特性

为了解CO2气体的绝缘特性,在相同的温度和湿度的条件下,对板-板电极和球-球电极在不同电极间距、不同压强下进行了工频耐压和雷电冲击试验。试验表明,体积分数99.99%的CO2气体绝缘强度随着电极间距和压强的增加而增加,符合经典气体的击穿曲线走势,证明了试验方法的正确性。在工频耐压试验中,当压强达到0.6MPa后,对CO2气体的绝缘特性有明显的改善。在雷电冲击试验中,0.5 MPa和0.6 MPa时气体的绝缘特性近似。此外,根据击穿曲线可知,均匀电场在雷电冲击试验中的极性效应不明显,而稍不均匀电场的极性效应非常明显;且负向冲击电压的击穿值远小于正向冲击电压击穿值,他们之间的击穿电压差随着间距的减小而减小。总结试验数据可推断,在110 k V设备中使用CO2气体作为绝缘气体时,其压强建议≥0.6 MPa。