冲击电流发生及测量课件

1第第66章章冲击电流发生器冲击电流发生器第第66章章冲击电流发生器冲击电流发生器主要内容1.概述2.冲击电流发生器的基本原理2.冲击电流发生器的基本原理3.冲击电流发生器的结构4.冲击电流发生器的电流幅值和波形调节5.冲击电流方波发生器冲击电压发生器：检验电气设备在大气过电压及操作过电压下的绝缘性能。1概述冲击电流发生器：检验设备在冲击大电流流过时所伴随而来的热和力的破坏作用和承受能力。标准冲击电流波形指数波（模拟雷电流）方波（模拟操作冲击电流）z标准冲击电流（指数）波形1概述Tf/Tt（波前/半峰时间）①±1/20μs②±4/10μs③±8/20μs④±30/80μsz标准冲击电流（方波）波形1概述Td（峰值持续时间）①500μs②1000μs③2000μs④2000～3000μsTF（总持续时间）2冲击电流发生器的基本原理C：主电容；S：分流器；CRO：示波器；L、R：为线路上所有元件及回路连线电阻、电感；G：点火球隙；D：硅堆；r—保护电阻；T：充电变压器；O：试点；C1，C2：分压器；2原理：工作时先由整流装置向电容器组充电到所需电压，送一触2冲击电流发生器的基本原理发脉冲到点火球隙G，G击穿，于是电容器组C经L、R及被试品放电。根据充电电压的高低和回路参数的大小，可产生不同大小及波形的脉冲电流。当电容放电时，为一RLC串联回路，其电流有三种情况：振荡、临界振荡、非振荡。（根据α取值的不同，）LCR2=α2冲击电流发生器的基本原理)2(,1CLRα1、振荡波tC)1sin(1)(2)/(2LCteLCutiLCt⋅−−=−ααα电流波形：峰值时间：)1(1212ααα−−=−tgLCtm电流峰值：)/1(21)1/(2αααα−⋅=−−−tgeLCUIm2冲击电流发生器的基本原理)2(,1CLR==α2、临界振荡电流波形：峰值时间：电流峰值：LCtteLuti/)(−=LCtm=RUeLCuIm/736.01==−2冲击电流发生器的基本原理3、非振荡波)2(1CLRα电流波形：峰值时间：电流峰值：)1sinh(1)(2)/(2LCteLCutiLCt⋅−−=−ααα)1(arctan122ααα−−=hLCtm)/1(arctan2)1/(2αααα−=−−heLCUIm2冲击电流发生器的基本原理上述三种情况，都有统一表达式：CRfCUI)(=←=αα)(2ααfUI⋅=LfLUIm2)(=←=αα)(2ααfRIm①LCUIfRm/,1)(,0,0====αα②368.0)(,1==ααfR=0时可获得最大冲击电流；在U，C一定时，电感L越小，电流幅值越大。3冲击电流发生器的结构3.1冲击电流发生器结构的基本考虑因素①为增大Im，应尽量减小整个回路的电感。②放电回路仅一点接地。（因为的高频冲击大电流若流过②放电回路仅一点接地。（因为的高频冲击大电流若流过接地系统流归回路，将使地电位升高，引起安全事故和测量上的困难）。③电容器组对地绝缘，应有可靠的保护措施。④电容器组可分组串、并联，以提高电压。3回路电感组成及减小电感量措施：z电容器残余电感（选择小电感电容；多级并联）3.1冲击电流发生器结构的基本考虑因素z连线电感（连线短，减小互感）z球隙电感（缩小尺寸和火花长度）z试品电感z分流器电感3.2冲击电流发生器回路(a)并联放电(b)串联放电3.3冲击电流发生器主回路结构环形排列（圆环式、方框式）：电容电流同时到达试品，电流大；但不利于试品放置。母线式排列：电流不能同时到达试品；试区面积不受限制。(a)圆环式(b)方框式(c)母线式3.3冲击电流发生器主回路结构3.4冲击电流发生器电容器的保护3.4冲击电流发生器电容器的保护r：限流器43.4冲击电流发生器电容器的保护R1、R2、R3：充电电阻兼消能电阻限流器4冲击电流发生器的电流幅值和波形调节用公式计算冲击电流发生器相关参数比较繁杂，一般采用查表法计算。4冲击电流发生器的电流幅值和波形调节情形1：知波形(Tf,Tt)和电流幅值(Im)，求回路参数和充电电压/LCTTff=′③，，获得L和C。④再从图2找到相应于α的I’m。⑤LCRl==/2αLCTTmff=='①R已知，从图1中由Tt/Tf确定α和T’f值；②计算)//(/LCUIILCTTmmtt⋅=′=′定义中间变量lmL/=lmC=)/('lIIUmm⋅=4冲击电流发生器的电流幅值和波形调节情形2：知R、L、C和充电电压U，求产生电流的幅值及波形①计算α，从图1查找T’f和T’t值③再从图2找到相应于α的I’m。①计算α，从图1查找Tf和Tt值②计算'',ttffTLCTTLCT=='mmILCUI=④5冲击电流方波发生器产生冲击方波电流可由电缆或人工传输线构成，电缆，由于受充电电压，长度等的限制，所以一般采用人工传输线。冲击电流方波发生器电路(n个T形元件构成人工传输线)5冲击电流方波发生器若这根人工传输线代表长为l的电缆，则每单位长度的电感为,单位长度的电容为。波阻抗为：lnLL/'=lnCC/'=LCCLZ''/波阻抗为：波速度为：波在长度为上来回一次所时间：方波电流幅值（C上充电至U）：•若R=Z，则经过持续时间后，能量全部消耗在电阻上。•若R≠Z，则R上将会有反射波，但的持续时间仍为，之后I并不为0。LCCLZ==/''//()vlLClnLC==l2/2TlvnLC==/()/(/)IUZRULCR=+=+2TnLC=/(/)IULCR=+2TnLC=5本章要点z冲击电流功用及波形分类、定义；z电流发生器基本原理和波形振荡条件分析；z电流发生器的接线要求；z提高电流幅值的方法和措施；z电流发生器的布置形式和电容器保护措施；z电流幅值和波形调节。第第77章章冲击电流的测量冲击电流的测量第第77章章冲击电流的测量冲击电流的测量主要内容1.概述2.分流器2.分流器3.罗戈夫斯基线圈1概述冲击电流的幅值一般在几十kA~几百kA，波头长度为几μs（更陡的达ns级），所以测量十分困难。认可的测量系统精度：认可的测量系统精度：z幅值不确定度≤±3%；z时间测量参数不确定度≤±10%。标准测量系统精度：z幅值不确定度≤±1%；z时间测量参数不确定度≤±5%。测量方法：z分流器—示波器测量法；z罗戈夫斯基（Rogowski）线圈—示波器测量法。2分流器S为分流器（shunt）,它为一低欧姆值的电阻器，阻值：0.1mΩ~10mΩ之间。sRtuti/)()(=冲击电流为：冲击电流为一高频信号，在该频率范围，分流器的等效回路由电感和电阻串联形成。2分流器6z分流器为一纯电阻，电感尽可能小；z分流器阻值恒定；2.1分流器的基本要求z考虑集肤效应（厚度应小）和热效应（厚度应大）；z大电流的力效应不应使分流器发生破坏；z分流器测量的屏蔽应考虑完善。带状双股对折2.2分流器的形式分流器双股对折同轴管式辫状双股对折盘式2.2分流器的形式带状对折式分流器辫状对折式分流器2.2分流器的形式同轴管式分流器辫状对折式分流器z分流器尽可能为纯电阻，且在尽可能宽的频带范围阻值恒定；z分流器及测量回路的屏蔽良好；接地点应选在测量电缆外皮、分流器附近。否则，电缆2.3设计分流器需考虑的因素z接地点应选在测量电缆外皮、分流器附近。否则，电缆外皮将有很高的电位，影响CRO处的人身安全，若CRO接地，则又有较大的电流流过电缆外皮，增大测量干扰。z测量回路CRO处可有一点接地，但冲击电流发生器必须一点接地；z应考虑热效应、力效应。2.4冲击电流的测量回路匹配：R2+R3≈R3=R4=Z)2/(1243422niRnRRRiRu≈⋅+⋅=nRIus222==分流比：7Rogowski线圈：利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流的线圈称为Rogowski线圈。3罗戈夫斯基线圈特点：z被测电流并不流过测量线圈，所以无电流器测量时的热、力效应（可测量电流比分流器高得多）；z测量线路与放电回路绝缘，干扰减小。冲击电流i1(t)在线圈的磁感应强度：rtiBrπμ2)(1=3.1罗戈夫斯基线圈的原理感应电压：112()()()2rdBditditAnutnAMdtrdtdtμπ===mlAnrAnMμπμ==2线圈与主电流回路间的互感：1.采用LR积分器的Rogowski线圈利用线圈本身的电感L与线圈端口所接电阻R构成积分器的一种罗氏线圈称为自积分罗氏线圈。3.2罗戈夫斯基线圈的积分方式的一种罗氏线圈称为自积分罗氏线圈。因为：212//uMdidtLdidt=≈)(/22RsRidtLdi+所以：1221100()()/timRRuRitudtMdiMRitLLL=≈==∫∫21)/()(niRMLutim==得：2.采用RC积分器的Rogowski线圈利用线圈端口接RC积分器，构成外积分罗氏线圈。3.2罗戈夫斯基线圈的积分方式因为：所以：可得：)/(1CRωZLω112100()11timMituudtMdiRCRCRC===∫∫)/(/)(1μnARCluMRCutimmm≈=3.3罗戈夫斯基线圈的结构1、RogowskiCoil测量回路必须良好屏蔽。2、RogowskiCoil本身屏蔽盒必须开缝和开槽，以防止环流和磁旁路。3、RogowskiCoil应采取反绕，同一端出线，以利于减小外磁场干扰及线圈面不与磁场垂直引起的误差。本章要点z冲击电流测量要求和方法；z分流器的性能要求和集中结构形式；分流器的性能要求和集中结构形式；z罗氏线圈原理和两种积分形式及其条件；z罗氏线圈结构特点。