本发明属于电力系统过电压领域，具体涉及一 种金属氧化物试品在陡前沿脉 冲下响应特性测试装置。 背景技术

试验研究表明， 气体绝缘金属封闭开关设备 (GIS)隔离开关操作会产生幅值 高、 陡度大的特快速瞬态过电压 (VFTO), 对 GIS及其连接设备绝缘、 外壳连接 的二次设备运行有重要影响。 目前， 普遍采用东芝公司提出的 GIS 隔离开关带 阻尼电阻的方法抑制 VFTO, 在实际中得到了较好的应用， 我国特高压交流试验 示范工程的长治站和南阳站均采用了该方案。 清华大学尝试在 GIS 高压导杆上 安装高频磁环来抑制 VFTO, 进行了大量的实验室研究， 仍需通过现场应用验证 该措施的有效性。 近年来， 随着金属氧化物避雷器 (以下简称避雷器)性能提升， 其对 VFTO的抑制作用逐渐成为了研究关注的热点。

电力系统中安装的避雷器主要用于限制雷电和 操作过电压，因 VFTO波头时 间较短， 可达数 ns， 振荡频率可能达到 100MHz 以上， 高频下的避雷器阀片响 应性能有限， 甚少考虑用避雷器限制 VFTO。 上世纪八十年代起， 为了研制性能 优异的避雷器， 国内外对避雷器在陡冲击波下的响应特性进行 了探索。 BBC 公 司建立了双指数波和方波电流源对不同结构的 金属氧化物电阻片 (下称电阻片) 进行了试验研究， 输出电流波形的波头时间范围为 0.7〜8μ ₈ 。 中国电力科学研究 院研制了陡冲击电流波装置，产生了 0.1/0.2μ8、0.4/0.8μ8、0.8/3μ8、4/10μ8、8/20μ8、 30/60μ ₈ 的电流波形， 最大电流幅值为 lkA， 试验研究了电阻片结构和物性等对 避雷器响应特性的影响。 可见， 上述试验研究受陡波试验电源的限制， 存在电流 波头时间较长或电流幅值较小的问题，均未得 到电阻片在 VFTO陡波下的伏安特 性。因电阻片在陡波下的伏安特性是建立避雷 器高频模型的前提， 亟需得到电阻 片在波头时间小于 100ns陡波下的伏安特性，进而仿真研究避雷器� �� VFTO的抑 制作用和适用范围。

现有测试技术中， 一般通过 Marx发生器产生脉冲电压施加于金属氧化物试 发明内容

为了克服上述陡波试验电源测量金属氧化物试 品在陡前沿脉冲下的伏安特 性存在的不足，本发明的目的在于提出一种金 属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应 特性测试装置。

一种金属氧化物试品在陡前沿脉冲下响应特性 测试装置， 该装置包括： 陡波 前沿电流脉冲产生装置，与试品相连，用于产 生陡波前沿电流波形；和测试仪器， 与试品相连， 用于测量试品的电流、 电压波形；

所述陡波前沿电流脉冲产生装置包括依次串联 的第一电容器、三电极开关和 第二电容器，所述第一电容器和第二电容器上 均设有三个接线端， 所述第一电容 器与第二电容器的第二接线端分别通过 1 ΜΩ电阻连接至电源的正、 负极， 所述 第一电容器与第二电容器的第三接线端之间通 过三电极开关进行一体化连接，所 述第一电容器与第二电容器的第一接线端分别 通过铜带与安装在试品两端的压 接件相连， 构成放电回路。

其中，所述第二电容器的第一接线端上安装有 螺杆， 该螺杆的空闲端安装有 用于连接试品的铜带和用于使放电回路接地的 接地铜带。

其中，所述测试仪器包括套设于螺杆上的罗氏 线圈、与试品两端的压接件相 连接的高压探头、屏蔽电缆和示波器； 所述罗氏线圈将陡波前沿电流脉冲产生装 置输出的陡波前沿电流波形经屏蔽电缆传至示 波器； 在所述陡波前沿电流波形 下， 所述高压探头测量出试品的电流、 电压波形， 并经屏蔽电缆传至示波器。

其中， 所述一体化连接的具体结构为：

所述三电极开关包括干燥气罐和封装于干燥气 罐中的触发电极以及位于触 发电极两侧的正、 负高压电极， 所述正、 负高压电极的一侧分别设有连接螺杆， 所述第一电容器和第二电容器的第三接线端上 分别设有与连接螺杆相匹配的螺 孔，所述连接螺杆旋入螺孔中实现第一电容器 、第二电容器与三电极开关的一体 化连接； 所述干燥气罐中填充有绝缘气体介质。

其中， 所述绝缘气体介质为空气、 SF ₆ 气体或其它惰性气体。

其中， 所述压接件采用导电材质制成的扁圆柱体结构 。 其中，所述第一接线端为第一电容器和第二电 容器的低压端； 所述第二接线 端和第三接线端是等电位的， 均为第一电容器和第二电容器的高压端。

其中，所述第一电容器的第一接线端和第三接 线端分别位于第一电容器的壳 体相对两侧，所述第一电容器的第二接线端接 通电源正极， 其设在与第三接线端 相邻一侧的第一电容器壳体上；所述第二电容 器的第一接线端和第三高压端位于 第二电容器的壳体相对两侧，所述第二电容器 的第二接线端接通电源负极， 其设 在与第三接线端相邻一侧的第二电容器壳体上 。

其中，所述连接第一电容器的第一接线端与试 品一端的铜带、连接第二电容 器的第一接线端与试品另一端的铜带、第一电 容器和第二电容器的表面分别垫设 有绝缘胶皮， 且上述两条铜带分别缠绕于第一电容器和第二 电容器的表面。

本发明采用上述技术方案， 具有的优点有：

采用电容与开关一体化同轴结构设计，陡波前 沿电流脉冲产生装置几乎没有 电感， 确保产生的电流波头时间较短， 满足 VFT0波形的要求；

陡波前沿电流脉冲产生装置的开关间隙可采用 多种气体绝缘介质，气体压力 可调， 并带外触发击穿方式， 使得开关间隙 K击穿电压较高， 产生的电流峰值 较大、 范围较宽， 可满足不同性能电阻片的测量要求。 附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图 1是本发明测试装置中陡波前沿电流脉冲产生� �置的结构示意图； 图 2是本发明测试装置的电路示意图；

图 3是实施例 1中电阻片 QA22在 10kA陡波前沿电流下的电压和电流波形 图；

图 4是实施例 1中电阻片 QA22在陡波与雷电波下的阀片伏安特性比较图� � 图 5是实施例 2中电阻片 RB41在 4kA陡波前沿电流下的电压和电流波形图； 图 6是实施例 2中电阻片 RB41在陡波与雷电波下的阀片伏安特性比较图� � 具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步详细阐述本 发明金属氧化物试品在陡前沿 脉冲下响应特性测试装置， 为建立避雷器在陡波下的高频仿真模型提供基 础数 据。 其中相同或相似的附图标号表示相同或相似的 器件。

如图 1-2所示， 该测试装置包括陡波前沿电流脉冲产生装置和 测试仪器， 其 中， 陡波前沿电流脉冲产生装置包括一个三电极开 关 K和两个电容器 （即第一 电容器 C1和第二电容器 C2)， 两个电容器 Cl C2分别具有三个接线端 （即第 一接线端 1、第二接线端 2和第三接线端 3 )， 第二接线端 2和第三接线端 3是等 电位的， 为两个电容器的高压端； 第一接线端 1是独立的， 为两个电容器的低压

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两个电容器 Cl C2可采用薄膜油塑壳封装结构， 与气体绝缘电容器相比， 其在相同尺寸下的容量比后者大 1倍， 存储、 运输和使用对环境的要求较宽松。 为了提高该测试装置的稳定和可靠性， 第一电容器 C1的第二接线端 2可以通过 1ΜΩ 的保护电阻器连接直流高压电源的正极， 第二电容器 C2 的第二接线端 2 可以通过 1ΜΩ的保护电阻器连接直流高压电源的负极。 两个电容器 Cl C2与 三电极开关 K安装成紧凑型一体化结构，可放置在变压器� �中，提高开关间隙 K 的击穿； 电压三电极开关 K可采用三电极场畸变气体开关， 可采用外触发击穿 或自击穿， 开关 K的具体结构包括圆柱形干燥气罐和封装于干� �气罐中的触发 电极以及位于触发电极两侧的正、 负高压电极； 正、 负高压电极的一侧分别安装 有一个长 0.5cm的 M10连接螺杆， 两个电容器 Cl C2的第三接线端 3上分别 设有与连接螺杆相匹配的 M10螺孔， 连接螺杆穿过干燥气罐上的通孔并旋入螺 孔中完成两个电容器 Cl C2与三电极开关 K的一体化连接， 由于连接螺杆和螺 孔直接旋合、接触良好且无须引线连接， 小型化和紧凑型的特点得到了最大的体 现， 能够保证回路电感达到最小。三电极开关采用 干燥气罐作为外壳， 具有很高 的机械强度， 能够承受很高的气压， 从而允许减小三电极开关长度， 减小开关电 感； 干燥气罐中还填充有绝缘气体介质， 该绝缘气体介质可采用空气、 SF6气体 或其它惰性气体， 气体压力范围在 -0.1MPa 0.1MPa， 可连续调节， 选用的绝缘 介质和气体压力取决于测量的电流峰值。

第二电容器 C2上还安装有 M10螺杆， 螺杆的一端拧在第二电容器 C2的第 一接线端 1上、其另一端连接有两条铜带， 其中第一条用于使放电回路接地， 第 二条连接至金属氧化物试品 （简称 MOA试品） 一端的压接件上， MOA试品另 一端的压接件通过第三条铜带连接至第一电容 器 CI的第一接线端 1上， 构成放 电回路。 上述第二、三条铜带的走线原则是： 在保证电容器不发生沿面闪络的条 件下， 铜带尽量短； 铜带与两个电容器 Cl、 C2的表面分别垫设有绝缘胶皮， 铜 带包裹在两个电容器 Cl、 C2表面， 且尽量贴近， 可保证整个回路最紧凑， 电流 前沿最陡峭。 位于试品两端压接件为两片红铜制成的扁圆柱 形， 可以保证 MOA 试品受力均匀和接触良好， 且方便电压测量接线。上述铜带可采用短、 宽铜条进 行良好连接， 减小电流振荡。

电压电流测试仪器包括罗氏线圈、 高压探头、示波器和若干根屏蔽电缆， 罗 氏线圈套设于接地铜带附近的螺杆，并将陡波 前沿电流脉冲产生装置输出的陡波 前沿电流波形经屏蔽电缆传输至示波器； 在陡波前沿电流波形下， 通过与 MOA 试品两端的压接件相连接的高压探头测量出 MOA试品的电流、 电压波形， 并经 屏蔽电缆传至示波器，根据电流、 电压波形得到试品在陡波前沿电流波形下的响 应特性。

该测试装置的具体操作方法如下：

在陡波前沿电流脉冲产生装置构成的回路中接 入 MOA试品，用直流电源 U 对陡波前沿电流脉冲产生装置的两个电容器 d、 C ₂ 充电使三电极开关 K击穿， 产生波头上升时间为 50〜100ns、 峰值为 500A〜50kA的陡波前沿电流波形， 记录 MOA试品上的电流和电压波形， 读取电压波形中峰值后的平坦部分对应的数值 为 MOA试品残压。 在相同幅值的电流波形下， 波头上升时间误差为 ±5ns， 重复 3次测量 MOA试品的电流和残压， 每个 MOA试品测量不少于 5个个不同电流 幅值下的残压，采用插值和拟合等方法对 MOA试品伏安特性的测量结果进行数 据处理， 求取 MOA试品在陡波前沿电流脉冲下的平均伏安特性 。

实施例 1

本发明的一个实施例中所采用的 MOA试品为 MOA电阻片 QA22, 本例为 测量电阻片 QA22在陡波下的伏安特性，陡波前沿电流脉冲� �生装置的两个电容 器 d、 C ₂ 的电容值均为 40nF， 选用填充 SF ₆ 气体的三电极开关 K， 间隙距离约 4mm, 气体压力为-O.lMPa O.lMPa， 直流电源 U的充电电压为 10kV〜100kV。 陡波前沿电流脉冲产生装置放置在空气中， 按图 1 所示在回路中接入电阻片 QA22, 电阻片上的电流和电压波形见图 3， 电流为衰减振荡波， 周期约 336ns， 波头上升时间为 80ns。

通过改变直流电源 U的充电电压， 产生电流范围为 610A〜10kA， 测量了电 阻片 QA22在 10个不同电流幅值下的电流和残压值， 对每个电流幅值重复测量 3次求取平均值， 在电阻片 QA22上测量到的电流峰值和残压列于表 1。

表 1 电阻片 QA22的电流和残压值

采用插值和拟合等数据处理方法对电阻片 QA22 在陡波下的伏安特性进行 数据处理， 与其在 8/20μ ₈ 标准雷电波下的伏安特性进行比较， 见图 4。 可见， 该 电阻片在陡波下的平均伏安特性与其在标准雷 电波下的伏安特性基本类似，随电 流增大， 电阻片残压稍有上翘， 陡波下的阀片残压提高了 20%以上。

实施例 2

本发明的另一个实施例中所采用的 ΜΟΑ试品为 ΜΟΑ电阻片 RB41 , 本例 为测量 ΜΟΑ电阻片 RB41在陡波下的伏安特性， 陡波前沿电流脉冲产生装置的 两个电容器 d、 C ₂ 的电容值均为 40nF， 选用填充空气的三电极开关 K， 间隙距 离约 lmm，气体压力为 -0.1MPa〜0.1MPa，直流电源 U的充电电压为 10kV〜50kV。 陡波前沿电流脉冲产生装置放置在空气中， 按图 1 所示在回路中接入电阻片 RB41 , 电阻片上的电流和电压波形见图 5， 电流为衰减振荡波， 周期约 283ns， 波头上升时间为 60ns。

通过改变直流电源 U的充电电压， 产生电流范围为 770A〜5.55kA， 测量了 电阻片 RB41在 10个不同电流幅值下的电流和残压值， 对每个电流幅值重复 量 3次求取平均值， 在电阻片 RB41上测量到的电流峰值和残压列于表 2。

表 2 电阻片 RB41的电流和残压

采用插值和拟合等数据处理方法对电阻片 RB41在陡波下的伏安特性进行数 据处理， 与该电阻片在其它波形下的伏安特性进行比较 ， 如图 6所示， 与雷电波 下的残压相比， 阀片残压升高了 15%左右。

最后应该说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 对其限 制， 结合上述实施例对本发明进行了详细说明， 所属领域的普通技术人员应当理 解到： 本领域技术人员依然可以对本发明的具体实施 方式进行修改或者等同替 换， 但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保 护范围之中。