一种高压浪涌保护装置测试设备的设计

1、 前言

多年来电力电子瞬态高压浪涌实践证明，瞬态高压浪涌(持续期短至微秒级的尖峰脉冲，见图1所示)可能会以下述三种形式串入用户供电系统中

1.1产生于配电线路上

*打在电网上的直击雷；

*感应雷透过感应方式耦合到电子设备的电源线、控制讯号线或通讯线上；

*高压线路的短路故障。

其冲击电流可高达200-300KA，脉宽0.1-0.2ms的高压尖峰脉冲，持续1—2秒。

1.2在用户的供电系统中产生的工作浪涌

*高压变压器的投入或切除；

*大型电动机及水泵的启、停；

*电焊机的运行；

*补偿调整电容系统的调节；

*重载可控硅负载的运行。

而其电流可高达100KA数量级，峰值电压最高达6000V。

1.3产生于内部末端负载间的瞬态浪涌

*复印机运行

*激光打印机开启

*继电器、开关、电磁阀、变频调速器引起的线路间干t

*末端负载过流短路故障

*静电放电

而其峰值电压可达5000V，冲击电流几百安培数量级。

2、瞬态浪涌电流、电压的危害

根据IEEE国际标准对浪涌可能对用户负载产生的危害，可分级为如下三种：

*会对用户的设备立即造成灾害性不可恢复的直接经济损失；

*整个系统停顿，如银行电脑服务停顿，移动电话通讯中止等间接经济损失。

2.2浪涌电压处于1.2KV-2.1KV数量级

*造成用户设备中的某些部件被损坏或致使其性能提前老化；

*电子设备的线路板及元件烧毁。

2.3浪涌电压达到700-800V数量级的浪涌过多过频出现

*传输或存储的讯号或数量错乱或丢失；

*服务器或电脑死机。

3、串并联系列瞬态抗浪涌抑制器在通信网络与能源动力新领域中的应用

随着经济技术的发展，TVSS应用不再局限于电力电器设备，而是进入到通信网络与能源动力新领域之中，如卫星、微波通信、网络伺服器及程控交换机等会出现瞬态高压浪涌之设备，见图2所示的ACV系列并联型系列瞬态抗浪涌抑制器ACV230111RKE与S系列并联型瞬态抗浪涌抑制器S230Y333及F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器。[p]

4、TVSS(瞬态电压浪涌抑制器)在串并联瞬态抗浪涌抑制器中的应用原理

在正常情况下，电流经线路供给负载，而TVSS处于高阻断状态。当有浪涌出现时，TVSS对其超过钳位电平的部分尖脉冲幅值予以短路，导通时间为纳秒(ns)级，见图3的并联型系列瞬态抗浪涌抑制器与图4所示的串联型系列瞬态抗浪涌抑制器原理图。

4.1 ACV与S系列并联型瞬态抗浪涌抑制器

图3中，钳位电压值为一般电子设备可承受有最大瞬间电压，TVSS与负载并联， 当浪涌被吸收后，重新处于高阻断状态。在工作过程中，相线-相线，相线-中线，相线-地线，中线-地线都具有浪涌抑制模块全方位位进行保护。其S系列产品为大型瞬态抗浪涌抑制器100KA- 400KA；而ACV系列小型瞬态抗浪涌抑制器40KA-80KA。

4.2 F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器

图4(a)为实际较普遍的F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器原理是采用低通串联混合技术，它由并联的TVSS模块和串联的环波滤波及正弦波跟踪电路共同组合而成，在图4中所。经并联的TVSS部分能吸收大于钳位电平的高压浪涌，串联的低通滤波器用于消除出现于相线-中线间的高频差模干扰，输出给负载平滑的正弦波，具体功能为：

*MOV(金属电氧化物压敏电阻)阵列是TVSS的一种，特点是快速反应 吸收高压浪涌见图4(b)；

*电路分流元件。跟踪正弦波，吸收尖脉冲，见图4(c)；

*串联模块电感，平滑波形正弦波跟踪滤波器，消除环波干扰见图4(c)。

其F系列产品为灵敏跟踪电流露波器：瞬恋浪涌抑制电流，100KA-400KA；负载电流为30A-4000A。

5、瞬态抗浪涌抑制器独一无二的技术优势

5.1快速响应时间：

* 响应时间是指将尖峰浪涌电压抑制到钳位电压的时间；

* 时间越短，通过负载的高电压越小，如艾默生抗浪涌设备响应时间可达0.5ns，同类产品之中能很为先进。

5.2内置保险丝专利技术：

*每一个MOV(金属电氧化物压敏电阻)抑制模块均配有使其置全运行的内置独立保险丝，允许额定的冲击电流通过保险丝而不动作；

*砂封装、高度隔离、吸收因浪涌产生的大量热量；

*每个保险丝的 熔断特性设计较MOV小，遇到高浪涌串入，99％纯银保险丝气化，MOV以开路形式 消除电弧短路而产生冒烟或犀炸的可能，达到安全目的。

5.3 MOV(金属电氧化物压敏电阻)浪涌抑制模块的匹配

从见图5所示可见：

*并联MOV模块V-I特性精度为1%；

*每一个MOV模块均经过出厂前测试；

*每组模块采用坚硬的环氧金属外壳，即使发生个别模块故障也不会对负载产生任何影响；

*内部MOV模块之间采用特殊高频连接方法兼且各路阻抗均等，减少电感特性而引起的Ldi/dtt残压。

5.4先进的便于使用的诊断

*在所有保护方式中，所有抑制部件都有在线系统实刚监视和统计，为改善供电质量提供了可靠的数据；

*每个抑制模块可在不影响负载供电的晴况下即时更换，从而延长系统的MTBF平均无故障工作时间；

*声响报警器(可备选)；

*C型干接点远程报警讯号(可备选)；

*远程报警监视板(可备选)-通过于接点，把故障状态通知远端监控中心；

*双7位浪涌计数器(备选)-对电网宽超过100us，峰值超过700V钳位电平的差模于扰及在正弦波包路线上，幅值超过125V的共模干扰分别计数。

5.5 全面保护

见图6所示可见：

*全方位L-N、L-G、N-G；

*各种保护模式，共模干扰和差模干扰都得到有效抑制。[p]

5.6具有 EMI/RFI抗电磁/射频干扰滤波器

*滤除100KHz-100MHz。

6、以ACV系列并联型瞬态抗浪涌抑制器为例(艾默生产的抗浪涌设备)介绍参数。

抑制能力：40A-80KA，与外形见图7(a)。所示：

其K-带缺相，低压断担忧保护失效等报警记录，其E-带EMI／RRI滤波器。

*环氧树脂材料外壳，坚固耐磨损，适合室外各种环境

*挂墙式安装。也可直接安装于配电柜内，电源软线插头见图7(b)。

7、新型高压浪涌保护装置的测试设备的设计方案

为什么要开发高压浪涌保护装置的测试设备，即开发一种基于PXI的高精度测量系统？主要目的是为应用在高架配电系统和铁路电力系统的中压与高压浪涌保护装置中的金属氧化物变阻器的性能作出检定。这关系到整个电力配电系统的安全与运行的可靠性。

7.1问题的提出-金属氧化物变阻器出现与测试技术上的新要求：

为满足国内外能源工业日益增长的对可靠性的要求，属高压浪涌保护装置的空气与气体绝缘浪涌保护装置，能有效地保护中、高压网络不受闪电或闭合断路器所产生的过高压损害。这些浪涌保护装置可以承受高达528KV的连续操作电压，以及波形变换高达4/10ms、电流强度高达100KA的冲击电流。在这些极端的操作条件下，对这些浪涌保护装置及其内部金属氧化物变阻器的测试提出了一个特殊的新要求。

当前各种金属氧化物变阻器，直径从38mm到108mm，电压级别从100V到6KV最大连续操作电压。为制造中压或高压浪涌保护装置，将若干个变阻器进行串联并将其装入绝缘材料制成的箱子里。不测试整个装配好的变阻器，而是分别测试每个变阻器，从而将电压要求降低到更加可操作的水平。

7.2解决方案：

开发一种基于PXI的高精度测量系统，采用了14位100MS/S数字化仪PXI-5122进行高精度的幅值测量，并应用MIX—3光纤连接技术解决测试中电气隔离，确保人身安全在开发与标准适应性类型测试过程中，使用脉冲电流发生器，可向变阻器注入高达200KA的双指数电流脉冲。该测试系统可产生模拟闪电打击或断路器闭合条件的波形脉冲电流，并测量金属氧化物变阻器两端的剩余电压以及通过该变阻器的电流。剩余电压表示在电流脉冲期间两端出现的电压峰值。该系统还计算输入金属氧化物变阻器的瞬间功率和能量。

7.21以适用于更高精度的高分辨率测量

为将电压和电流降到一个可以直接测试的水平，将使用一个含有电容器和大阻值电阻的分压器和一个用于快速瞬间脉冲的特别的极低阻值脉冲电流分路器，将两个PXI-5122 14位100MS/s数字化仪与分压器进行连接，分路测量测试过程中产生的瞬间电压和电流。由于需要测量信号的瞬间特征，因此必需具备PXI-5122数字化仪的14位垂直分辨率和高采样率。原先的测试系统基于10位数字化仪，而PXI-5122数字化仪则将测量精度增大了14倍，使能更好地检定变阻器的性能。然后我们再使用LabVIEW内置的分析能力来测定峰值、上升时间与半峰时间值。此外，还使用电压和电流数据来计算瞬间输入功率、瞬间电阻以及完全转换的能量。

7.22 MXI-3光纤连接提供高数据吞吐量与隔离：

通过使用基于PXI的系统，如今可以在基于GPIB的老式系统仅能传输数千字节的时间内，传输数以兆计字节的数据。由于能以更快的速度收集数据，能够通过以PCI-DIO-24数字I/O板卡和继电器模块替换功率断路器而快速对测试系统进行重新配置。通过提高数据处理速度，可以在IEC 60099-4标准规定的浪涌保护装置测试时间内对变阻器进行强电流动作负载测试，效果比以前提高很多。

上升时间为4µS的100KA电流冲击会形成极强的电磁场，有可能损坏电脑主机并伤害操作人员。为提高系统的安全性并将设备的风险降到最低，在两个PXI-1002四槽机箱内各安装了一个PXI-5122数字化仪。将机箱以 “菊花链” 方式链接，然后使用MXI-3远程光纤将其与电脑主机进行连接。以此在两个数字化仪与电脑主机之间提供光耦合，从而排除了电脑与脉冲发生器之间的电路连接。由于测量电压和电流的数字化仪分别处于相互绝缘的机箱内，可以避免由电路产生大的感应涡流。如果在强磁场环境中形成此种涡流，就会产生大的感应电压干扰测量结果。

7.3设计方案的实施

该高压浪涌保护装置测试装置的设计方案可用于能源动力领域之中新通过在测试系统中使用LabVIEW 7Express、MXI-3远程光缆和PXI-5122数字化仪，提高了测试结果，同时还提高了测试系统的安全性。此外，由于PXI具有的高处理能力，现在可以在IEC 60099-4标准要求的时间内完成所有测试。

8、结束语

由上可知，F、ACV、S系列串并联型的瞬态抗浪涌抑制器，瞬态抗浪涌抑制器，它们各有特点，应根据现埸技术要求作出选用，无论意怎样必须掌握其技术参数的特征，做到恰如其分。