氧化鋅避雷器測(cè)試儀阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)方法

馮 建 史小濤 許 峰 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

氧化鋅避雷器（MOA）具有保護(hù)特性好、通流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代了傳統(tǒng)碳化硅避雷器，成為電力系統(tǒng)中廣泛使用的重要過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備。MOA由氧化鋅壓敏電阻串聯(lián)而成，正常工作電壓下，壓敏電阻值很大，相當(dāng)于絕緣狀態(tài)。但在沖擊電壓作用下，壓敏電阻呈低阻狀態(tài)，且高電壓撤銷后，可恢復(fù)高阻狀態(tài)。由于MOA結(jié)構(gòu)上不再串有間隙，在無(wú)雷電過(guò)電壓時(shí)也會(huì)有電流流過(guò)閥片，長(zhǎng)期直接承受工頻電壓會(huì)使閥片產(chǎn)生老化現(xiàn)象，而內(nèi)部受潮、表面污穢、熱擊穿等也會(huì)影響其性能。為保證MOA的安全運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外廠家研制出的各種型號(hào)的MOA測(cè)試儀已在電力系統(tǒng)中大量使用，為保證MOA的預(yù)防性試驗(yàn)的可靠性，這些儀器也必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。迄今為止，國(guó)家還未出臺(tái)對(duì)應(yīng)于該儀器的校準(zhǔn)規(guī)范，基于阻容網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)方法具有簡(jiǎn)單直觀的優(yōu)點(diǎn)，已為國(guó)內(nèi)各校準(zhǔn)計(jì)量機(jī)構(gòu)普遍采用。

1 傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)方法

1.1 阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理

MOA的閥片等效電路如圖1（a）所示，正常運(yùn)行時(shí)，非線性電阻R很大，流過(guò)MOA的電流主要為容性電流IC，阻性電流IR只占很小一部分。當(dāng)閥片因老化、受潮等導(dǎo)致劣化時(shí)，非線性電阻R將明顯減小，MOA的阻性泄漏電流IR急劇增大，全泄漏電流IX也相應(yīng)增大[3-4]。圖1（b）為MOA的全泄漏電流、阻性泄漏電流及容性泄漏電流之間的向量關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)MOA的泄漏電流可以了解其性能狀況，所以測(cè)試儀通常具有測(cè)量參考電壓、全電流、阻性電流、容性電流、電壓電流相位角等功能，電流的測(cè)量范圍一般為0～20 mA，最大允許誤差為±2%。

目前，國(guó)內(nèi)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要采用傳統(tǒng)的阻容網(wǎng)絡(luò)法對(duì)上述MOA測(cè)試儀的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)[3,5-6]，其原理如圖2(a)所示?？梢钥闯?，在工頻參比電壓U激勵(lì)下，該方法通過(guò)調(diào)節(jié)阻容網(wǎng)絡(luò)的配置，產(chǎn)生校準(zhǔn)所需的電流信號(hào)，將被校MOA測(cè)試儀的阻性泄漏電流、容性泄漏電流、全電流的測(cè)量結(jié)果分別與標(biāo)準(zhǔn)電流表A1、A2、A3的測(cè)量值比較，即可對(duì)MOA測(cè)試儀的電流測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。

現(xiàn)實(shí)中的電阻器、電容器并非理想元器件。在交流電路中，電阻器的時(shí)間常數(shù)并非為零，電容器也存在一定的損耗因數(shù)。而且，受元器件生產(chǎn)廠家和國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)能力的限制，通常校準(zhǔn)裝置中所使用的電阻箱、電容箱各點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)及損耗因數(shù)未經(jīng)測(cè)量，這會(huì)給MOA測(cè)試儀毫安級(jí)小電流信號(hào)的校準(zhǔn)帶來(lái)一定的影響。在不考慮被測(cè)儀器和電流表輸入感抗的情況下，阻容校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖如圖2(b)所示。

圖1 氧化性避雷器

圖2 阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)

1.2 電阻支路

對(duì)于用集中參數(shù)等效的電阻支路，由于殘余電感LR、分布電容CR的影響，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電流表A1的電流與參考電壓相位已不相同，下文分析電阻器角差的影響。

電阻支路的阻抗ZR為

考慮到工頻電壓下，ω2LRCR<<1及(ωCRR)2<<1，可得

其容性電流分量 IA1′大小為

工頻條件下，當(dāng)參考電壓U=100 V時(shí)，容性電流分量IA1′隨電阻R及其時(shí)間常數(shù)τ的變化曲線如圖3所示，可見，電阻的時(shí)間常數(shù)τ增大時(shí)，容性電流也相應(yīng)增大。以10 kΩ電阻為例，阻性電流的理論值應(yīng)為10 mA。若電阻時(shí)間常數(shù)為50×10-6s，容性電流分量將達(dá)到0.15 mA。此時(shí)，若以電流表A1的讀數(shù)作為阻性電流的參考值，將帶來(lái)1.5%的誤差。

圖3 容性電流分量隨電阻器時(shí)間常數(shù)變化曲線

1.3 電容支路

如圖2（b）所示，忽略引線的分布電容等次要因素，實(shí)際電容器C存在并聯(lián)等效電阻RC。該支路的電流I2為

則阻性電流分量 IA2′的大小為

對(duì)于并聯(lián)等效電路，電容器的損耗因數(shù)為

圖4所示為參考電壓U=100 V時(shí)，阻性電流分量IA2′隨電容值及其損耗因數(shù)變化曲線。對(duì)于500 nF的電容，容性電流的理論值為15.708 mA。當(dāng)其損耗因數(shù)為500×10-5時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生0.08 mA左右的阻性電流分量。此時(shí)，以電流表A2的讀數(shù)作為容性電流的參考值會(huì)存在0.5%左右的誤差，對(duì)校準(zhǔn)裝置而言也是偏大的。

圖4 阻性電流分量隨電容器損耗因數(shù)變化曲線

另外，對(duì)于MOA測(cè)試儀的電壓電流相位角這一重要測(cè)量功能，傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)并不能直接進(jìn)行校準(zhǔn)。而且，電路中的標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容受環(huán)境條件影響較大。因此，傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)方法的校準(zhǔn)結(jié)果存在較大誤差。

2 相位差法探討

為克服上述傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法的不足，本文依據(jù)阻性電流、容性電流的定義，提出了一種新的校準(zhǔn)方法：結(jié)構(gòu)上保持阻容網(wǎng)絡(luò)電路不變，測(cè)量流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的電流與參考電壓U之間的相位差，根據(jù)圖1(b)所示向量關(guān)系，通過(guò)計(jì)算即可得到阻性電流和容性電流的參考值，校準(zhǔn)原理如圖5所示。該校準(zhǔn)方法更符合MOA測(cè)試儀的設(shè)計(jì)原理，可使電流的阻性和容性分量校準(zhǔn)值更為準(zhǔn)確，而且在不改變?cè)b置整體結(jié)構(gòu)的前提下，解決了傳統(tǒng)方法中相位角無(wú)法校準(zhǔn)的問(wèn)題，此外，校準(zhǔn)結(jié)果不受環(huán)境條件的影響。

圖5 基于阻容網(wǎng)絡(luò)的相位差校準(zhǔn)原理

由于阻性電流、容性電流的參考值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的測(cè)量值和電壓電流間的相位角計(jì)算而得，相位差的測(cè)量成為該校準(zhǔn)方法的關(guān)鍵。目前，除部分準(zhǔn)確度較高的功率測(cè)量?jī)x外，還沒有符合校準(zhǔn)要求的專用相位測(cè)量?jī)x。本文通過(guò)數(shù)字采樣的方法進(jìn)行相位測(cè)量[7-8]（如圖5所示），對(duì)流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的全電流信號(hào)和參考電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，兩個(gè)采樣器共用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，可保證采樣觸發(fā)時(shí)間的一致性。利用傅里葉算法對(duì)采樣值進(jìn)行分析，計(jì)算出電壓和電流信號(hào)間的相位角。設(shè)電壓信號(hào)U(t)、全泄漏電流信號(hào)I(t)分別為

式中：U0、I0分別為信號(hào)的直流分量；CU、CI分別為信號(hào)正弦分量的幅值；ω為角頻率；U、I分別為電壓和電流信號(hào)的相位。式（9）也可寫成

于是有

同理可得

電流與參考電壓間的相位差Δ 為

若每周期采樣n個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)于電壓信號(hào)，考慮到三角函數(shù)的正交性，利用梯形積分法可求得DFT的正弦、余弦分量分別為

將式（15）代入式（12），可求得U，同樣的方法可求得I，再根據(jù)式（14），即可求出電壓電流信號(hào)的相位差。

本文利用該采樣方法對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出信號(hào)的相角進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表1所示，與中國(guó)計(jì)量院的測(cè)量結(jié)果相比可知，該數(shù)字采樣方法具有較高的準(zhǔn)確度，可用于氧化鋅避雷器測(cè)試儀泄漏電流的校準(zhǔn)。

表1 數(shù)字采樣方法測(cè)量角度

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)氧化鋅避雷器測(cè)試儀傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)電路進(jìn)行分析，指出電阻器的時(shí)間常數(shù)可對(duì)阻性電流的測(cè)量準(zhǔn)確度帶來(lái)10-2量級(jí)的影響，而電容器的損耗因數(shù)對(duì)容性電流的測(cè)量準(zhǔn)確度的影響也可達(dá)10-3量級(jí)，使校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。依據(jù)阻性電流、容性電流的定義，提出了基于相位角測(cè)量的新的校準(zhǔn)方法，對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)相位差采用數(shù)字采樣測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，可用于氧化鋅避雷器測(cè)試儀的校準(zhǔn)。

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