氧化锌避雷器测试仪阻容网络校准方法

冯 建 史小涛 许 峰 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

氧化锌避雷器（MOA）具有保护特性好、通流量大、结构简单可靠等优点，已逐步取代了传统碳化硅避雷器，成为电力系统中广泛使用的重要过电压保护设备。MOA由氧化锌压敏电阻串联而成，正常工作电压下，压敏电阻值很大，相当于绝缘状态。但在冲击电压作用下，压敏电阻呈低阻状态，且高电压撤销后，可恢复高阻状态。由于MOA结构上不再串有间隙，在无雷电过电压时也会有电流流过阀片，长期直接承受工频电压会使阀片产生老化现象，而内部受潮、表面污秽、热击穿等也会影响其性能。为保证MOA的安全运行，必须对其进行定期的检测[1-2]。目前，国内外厂家研制出的各种型号的MOA测试仪已在电力系统中大量使用，为保证MOA的预防性试验的可靠性，这些仪器也必须定期进行校准。迄今为止，国家还未出台对应于该仪器的校准规范，基于阻容网络的校准方法具有简单直观的优点，已为国内各校准计量机构普遍采用。

1 传统阻容网络方法

1.1 阻容网络校准原理

MOA的阀片等效电路如图1（a）所示，正常运行时，非线性电阻R很大，流过MOA的电流主要为容性电流IC，阻性电流IR只占很小一部分。当阀片因老化、受潮等导致劣化时，非线性电阻R将明显减小，MOA的阻性泄漏电流IR急剧增大，全泄漏电流IX也相应增大[3-4]。图1（b）为MOA的全泄漏电流、阻性泄漏电流及容性泄漏电流之间的向量关系。通过检测MOA的泄漏电流可以了解其性能状况，所以测试仪通常具有测量参考电压、全电流、阻性电流、容性电流、电压电流相位角等功能，电流的测量范围一般为0～20 mA，最大允许误差为±2%。

目前，国内校准机构主要采用传统的阻容网络法对上述MOA测试仪的参数进行校准[3,5-6]，其原理如图2(a)所示。可以看出，在工频参比电压U激励下，该方法通过调节阻容网络的配置，产生校准所需的电流信号，将被校MOA测试仪的阻性泄漏电流、容性泄漏电流、全电流的测量结果分别与标准电流表A1、A2、A3的测量值比较，即可对MOA测试仪的电流测量功能进行校准。

现实中的电阻器、电容器并非理想元器件。在交流电路中，电阻器的时间常数并非为零，电容器也存在一定的损耗因数。而且，受元器件生产厂家和国内检测机构能力的限制，通常校准装置中所使用的电阻箱、电容箱各点的时间常数及损耗因数未经测量，这会给MOA测试仪毫安级小电流信号的校准带来一定的影响。在不考虑被测仪器和电流表输入感抗的情况下，阻容校准网络的等效电路图如图2(b)所示。

图1 氧化性避雷器

图2 阻容网络校准

1.2 电阻支路

对于用集中参数等效的电阻支路，由于残余电感LR、分布电容CR的影响，流经标准电流表A1的电流与参考电压相位已不相同，下文分析电阻器角差的影响。

电阻支路的阻抗ZR为

考虑到工频电压下，ω2LRCR<<1及(ωCRR)2<<1，可得

其容性电流分量 IA1′大小为

工频条件下，当参考电压U=100 V时，容性电流分量IA1′随电阻R及其时间常数τ的变化曲线如图3所示，可见，电阻的时间常数τ增大时，容性电流也相应增大。以10 kΩ电阻为例，阻性电流的理论值应为10 mA。若电阻时间常数为50×10-6s，容性电流分量将达到0.15 mA。此时，若以电流表A1的读数作为阻性电流的参考值，将带来1.5%的误差。

图3 容性电流分量随电阻器时间常数变化曲线

1.3 电容支路

如图2（b）所示，忽略引线的分布电容等次要因素，实际电容器C存在并联等效电阻RC。该支路的电流I2为

则阻性电流分量 IA2′的大小为

对于并联等效电路，电容器的损耗因数为

图4所示为参考电压U=100 V时，阻性电流分量IA2′随电容值及其损耗因数变化曲线。对于500 nF的电容，容性电流的理论值为15.708 mA。当其损耗因数为500×10-5时，将会产生0.08 mA左右的阻性电流分量。此时，以电流表A2的读数作为容性电流的参考值会存在0.5%左右的误差，对校准装置而言也是偏大的。

图4 阻性电流分量随电容器损耗因数变化曲线

另外，对于MOA测试仪的电压电流相位角这一重要测量功能，传统阻容网络并不能直接进行校准。而且，电路中的标准电阻、标准电容受环境条件影响较大。因此，传统阻容网络方法的校准结果存在较大误差。

2 相位差法探讨

为克服上述传统校准方法的不足，本文依据阻性电流、容性电流的定义，提出了一种新的校准方法：结构上保持阻容网络电路不变，测量流过标准电流表A3的电流与参考电压U之间的相位差，根据图1(b)所示向量关系，通过计算即可得到阻性电流和容性电流的参考值，校准原理如图5所示。该校准方法更符合MOA测试仪的设计原理，可使电流的阻性和容性分量校准值更为准确，而且在不改变原装置整体结构的前提下，解决了传统方法中相位角无法校准的问题，此外，校准结果不受环境条件的影响。

图5 基于阻容网络的相位差校准原理

由于阻性电流、容性电流的参考值是根据标准电流表A3的测量值和电压电流间的相位角计算而得，相位差的测量成为该校准方法的关键。目前，除部分准确度较高的功率测量仪外，还没有符合校准要求的专用相位测量仪。本文通过数字采样的方法进行相位测量[7-8]（如图5所示），对流过标准电流表A3的全电流信号和参考电压信号进行采样，两个采样器共用同一个时钟信号，可保证采样触发时间的一致性。利用傅里叶算法对采样值进行分析，计算出电压和电流信号间的相位角。设电压信号U(t)、全泄漏电流信号I(t)分别为

式中：U0、I0分别为信号的直流分量；CU、CI分别为信号正弦分量的幅值；ω为角频率；U、I分别为电压和电流信号的相位。式（9）也可写成

于是有

同理可得

电流与参考电压间的相位差Δ 为

若每周期采样n个数据，对于电压信号，考虑到三角函数的正交性，利用梯形积分法可求得DFT的正弦、余弦分量分别为

将式（15）代入式（12），可求得U，同样的方法可求得I，再根据式（14），即可求出电压电流信号的相位差。

本文利用该采样方法对一标准信号源输出信号的相角进行了测量，结果如表1所示，与中国计量院的测量结果相比可知，该数字采样方法具有较高的准确度，可用于氧化锌避雷器测试仪泄漏电流的校准。

表1 数字采样方法测量角度

3 结语

本文对氧化锌避雷器测试仪传统阻容网络校准电路进行分析，指出电阻器的时间常数可对阻性电流的测量准确度带来10-2量级的影响，而电容器的损耗因数对容性电流的测量准确度的影响也可达10-3量级，使校准结果产生较大误差。依据阻性电流、容性电流的定义，提出了基于相位角测量的新的校准方法，对其关键参数相位差采用数字采样测量，通过实验验证了该方法具有较高的测量准确度，可用于氧化锌避雷器测试仪的校准。

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