氧化鋅避雷器測試儀阻容網絡校準方法

馮 建 史小濤 許 峰 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

氧化鋅避雷器（MOA）具有保護特性好、通流量大、結構簡單可靠等優點，已逐步取代了傳統碳化硅避雷器，成為電力系統中廣泛使用的重要過電壓保護設備。MOA由氧化鋅壓敏電阻串聯而成，正常工作電壓下，壓敏電阻值很大，相當于絕緣狀態。但在沖擊電壓作用下，壓敏電阻呈低阻狀態，且高電壓撤銷后，可恢復高阻狀態。由于MOA結構上不再串有間隙，在無雷電過電壓時也會有電流流過閥片，長期直接承受工頻電壓會使閥片產生老化現象，而內部受潮、表面污穢、熱擊穿等也會影響其性能。為保證MOA的安全運行，必須對其進行定期的檢測[1-2]。目前，國內外廠家研制出的各種型號的MOA測試儀已在電力系統中大量使用，為保證MOA的預防性試驗的可靠性，這些儀器也必須定期進行校準。迄今為止，國家還未出臺對應于該儀器的校準規范，基于阻容網絡的校準方法具有簡單直觀的優點，已為國內各校準計量機構普遍采用。

1 傳統阻容網絡方法

1.1 阻容網絡校準原理

MOA的閥片等效電路如圖1（a）所示，正常運行時，非線性電阻R很大，流過MOA的電流主要為容性電流IC，阻性電流IR只占很小一部分。當閥片因老化、受潮等導致劣化時，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系。通過檢測MOA的泄漏電流可以了解其性能狀況，所以測試儀通常具有測量參考電壓、全電流、阻性電流、容性電流、電壓電流相位角等功能，電流的測量范圍一般為0～20 mA，最大允許誤差為±2%。

目前，國內校準機構主要采用傳統的阻容網絡法對上述MOA測試儀的參數進行校準[3,5-6]，其原理如圖2(a)所示。可以看出，在工頻參比電壓U激勵下，該方法通過調節阻容網絡的配置，產生校準所需的電流信號，將被校MOA測試儀的阻性泄漏電流、容性泄漏電流、全電流的測量結果分別與標準電流表A1、A2、A3的測量值比較，即可對MOA測試儀的電流測量功能進行校準。

現實中的電阻器、電容器并非理想元器件。在交流電路中，電阻器的時間常數并非為零，電容器也存在一定的損耗因數。而且，受元器件生產廠家和國內檢測機構能力的限制，通常校準裝置中所使用的電阻箱、電容箱各點的時間常數及損耗因數未經測量，這會給MOA測試儀毫安級小電流信號的校準帶來一定的影響。在不考慮被測儀器和電流表輸入感抗的情況下，阻容校準網絡的等效電路圖如圖2(b)所示。

圖1 氧化性避雷器

圖2 阻容網絡校準

1.2 電阻支路

對于用集中參數等效的電阻支路，由于殘余電感LR、分布電容CR的影響，流經標準電流表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，當參考電壓U=100 V時，容性電流分量IA1′隨電阻R及其時間常數τ的變化曲線如圖3所示，可見，電阻的時間常數τ增大時，容性電流也相應增大。以10 kΩ電阻為例，阻性電流的理論值應為10 mA。若電阻時間常數為50×10-6s，容性電流分量將達到0.15 mA。此時，若以電流表A1的讀數作為阻性電流的參考值，將帶來1.5%的誤差。

圖3 容性電流分量隨電阻器時間常數變化曲線

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，實際電容器C存在并聯等效電阻RC。該支路的電流I2為

則阻性電流分量 IA2′的大小為

對于并聯等效電路，電容器的損耗因數為

圖4所示為參考電壓U=100 V時，阻性電流分量IA2′隨電容值及其損耗因數變化曲線。對于500 nF的電容，容性電流的理論值為15.708 mA。當其損耗因數為500×10-5時，將會產生0.08 mA左右的阻性電流分量。此時，以電流表A2的讀數作為容性電流的參考值會存在0.5%左右的誤差，對校準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變化曲線

另外，對于MOA測試儀的電壓電流相位角這一重要測量功能，傳統阻容網絡并不能直接進行校準。而且，電路中的標準電阻、標準電容受環境條件影響較大。因此，傳統阻容網絡方法的校準結果存在較大誤差。

2 相位差法探討

為克服上述傳統校準方法的不足，本文依據阻性電流、容性電流的定義，提出了一種新的校準方法：結構上保持阻容網絡電路不變，測量流過標準電流表A3的電流與參考電壓U之間的相位差，根據圖1(b)所示向量關系，通過計算即可得到阻性電流和容性電流的參考值，校準原理如圖5所示。該校準方法更符合MOA測試儀的設計原理，可使電流的阻性和容性分量校準值更為準確，而且在不改變原裝置整體結構的前提下，解決了傳統方法中相位角無法校準的問題，此外，校準結果不受環境條件的影響。

圖5 基于阻容網絡的相位差校準原理

由于阻性電流、容性電流的參考值是根據標準電流表A3的測量值和電壓電流間的相位角計算而得，相位差的測量成為該校準方法的關鍵。目前，除部分準確度較高的功率測量儀外，還沒有符合校準要求的專用相位測量儀。本文通過數字采樣的方法進行相位測量[7-8]（如圖5所示），對流過標準電流表A3的全電流信號和參考電壓信號進行采樣，兩個采樣器共用同一個時鐘信號，可保證采樣觸發時間的一致性。利用傅里葉算法對采樣值進行分析，計算出電壓和電流信號間的相位角。設電壓信號U(t)、全泄漏電流信號I(t)分別為

式中：U0、I0分別為信號的直流分量；CU、CI分別為信號正弦分量的幅值；ω為角頻率；U、I分別為電壓和電流信號的相位。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個數據，對于電壓信號，考慮到三角函數的正交性，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，再根據式（14），即可求出電壓電流信號的相位差。

本文利用該采樣方法對一標準信號源輸出信號的相角進行了測量，結果如表1所示，與中國計量院的測量結果相比可知，該數字采樣方法具有較高的準確度，可用于氧化鋅避雷器測試儀泄漏電流的校準。

表1 數字采樣方法測量角度

3 結語

本文對氧化鋅避雷器測試儀傳統阻容網絡校準電路進行分析，指出電阻器的時間常數可對阻性電流的測量準確度帶來10-2量級的影響，而電容器的損耗因數對容性電流的測量準確度的影響也可達10-3量級，使校準結果產生較大誤差。依據阻性電流、容性電流的定義，提出了基于相位角測量的新的校準方法，對其關鍵參數相位差采用數字采樣測量，通過實驗驗證了該方法具有較高的測量準確度，可用于氧化鋅避雷器測試儀的校準。

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