高压测试仪跳闸电流和短路电流的测量

高压测试仪跳闸电流和短路电流的测量
摘 要
跳闸电流和短路电流是高电压测试仪的两个重要性能指标，在实验室认可评审阶段，根据相关测试标准的规定经常需要被验证。

然而，由于过载保护的存在，很难用直接测量的方法来验证短路电流。

这篇文章介绍了一种间接测量短路电流的方法。

关键词：高电压测试仪；跳闸电流；短路电流；验证
1.简介
根据2001年的IEC60335-1标准第13.3条，用于试验的高压电源在输出电压调整到相应的试验电压之后，必须能够在输出端子之间提供一个短路电流S I 。

电路的过载保护装置对低于跳闸电流r I 的电流均不动作。

不同高压电源的S I 和r I 值如表1所示。

表1 高压电源的特性
在实验室认可评审活动中，经常要求实验室提供用于测试的高压电源能够输出200mA 短路电流的证明性文件。

许多实验者对此感到困惑，因为当电流达到跳闸电流时，高压测试仪的过载保护装置会动作，所以很难直接测量短路电流。

2.理论分析
2.1常用耐压测试仪的典型结构
图1给出了一个常用高压测试仪的方框图,型号为TOS5050 （ 日本KIKUSI 公司制造）。

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作者：Xu Zhezhun Wang Keqin 出处：
它由六部分组成：继电器，电压调整器，高压变压器，输出端，检流器和控制电路。

图1 TOS5050方框图
2.2高压电源的等效模型
电压调整器输出电压经过高压变压器升压后输出高压试验电源。

高压变压器的等效电路如图2所示，其中L 和H 分别是低压端和高压端，H V '、H I '是折合到低压端的高压端输出电压和电流。

由等效电路可以得到，高压电源的输出功率为：
H H H H out I V I V P ⋅='⋅'= （1）
其中，H V 、H I 是高压端的实际输出电压和电流。

在高压端短路的情况下，输出电流如下：
221H
)1(Z Z Z Z V I m
L
'
+'
+⋅=' （2）
其中，L V 是高压变压器低压端的输入电压，即电压调整器的输出电压。

1Z 是高压变压器一
次绕组的泄漏阻抗，而2
Z '是高压变压器折合到一次绕组侧的二次绕组的泄漏阻抗，m Z 是高压变压器的磁场励磁阻抗，且有：
m
m m jX r Z jX r Z Z k Z jX r Z +=+=⋅='+=22222
2111 （3）
k 是高压变压器的比例系数，典型值是251和501 。

因为变压器的泄漏阻抗远远小于磁场的励磁阻抗，即m Z Z 〈〈2，因此：
m Z Z k Z 〈〈⋅='222
短路电流的计算公式可以简化为：
2
1Z Z V I L
H
'+≈' （4） H
H I k I '⋅= （5） 图3给出了在输出端短路条件下的简化等效电路。

图2 高压变压器的等效电路 图3 简化的等效电路
2.3跳闸电流r I 和短路电流S I
方程（1）表明，高压电源的输出功率out P 是输出电压H V 和输出电流H I 的乘积。

在给定输出电压H V 的情况下，输出电流H I 的大小取决于高压变压器的输出功率out P 。

因此，在规定试验电压的条件下，高压电源的跳闸电流取决于高压变压器的最大输出功率。

对于一个有合适输出测试电压的高压测试仪，规定跳闸电流是对高压电源容量的要求，举例来说，规定耐压测试仪在5kV 试验电压下跳闸电流不小于100mA ，就要求耐压测试仪高压变压器容量不小于500VA 。

与方程（4）不同，在电压调整器输出电压L V 给定得情况下，高压端短路输出电流H
I '与高压变压器一次和二次绕组的泄漏阻抗21Z Z '+值成反比。

21Z Z '+阻抗值越大，电流H I '越小。

因此，对输出短路电流H I '的规定就是对高压变压器一次和二次绕组的泄漏阻抗提出要求。

假定折合到一次绕组侧被测设备的等效阻抗是d Z '，高压端的输出电压可由图2得到：
L d m
d d
H
V Z Z Z Z Z Z Z V ⋅'+'+'+'+⋅'='2
2
1)1( (6)
由上式可以看出，在电压调整器的输出电压L V 给定的情况下，高压端之间的输出测试
电压H V '与被测设备的等效阻抗d
Z '，磁场励磁阻抗m Z 和高压变压器一次和二次绕组的泄漏
阻抗1Z 和2
Z '相关。

对于理想的变压器，021='=Z Z ，L H V V ='。

也就是折合到一次绕组侧的输出测试电压等于电压调整器的输出电压。

然而，对于一般变压器，按照参数1Z ，2Z '，m Z 以及d
Z '，折合到一次绕组侧的输出测试电压与电压调整器的输出电压不同。

图4给出了L H
V V '随d Z Z '1的变化曲线 (假设m Z Z Z %121='=)。

图4 输出测试电压随高压变压器泄漏阻抗变化曲线
由曲线可以看出，L H
V V '随d Z Z '1的增加而减小。

在给定电压调整器输出电压L V 和被测设备的等效阻抗d
Z '的情况下，输出测试电压H V '随泄漏阻抗1Z 和2Z '的增加而减小。

由曲线给出两个计算实例：
——当05.01='d
Z Z 时90.0='L H V V ，当变压器绕组的泄漏阻抗1Z 达到被测设备阻抗的5%时，折合到一次绕组侧的输出测试电压下降到电压调整器输出电压的90%。

——在输出测试电压是5kV ，通过被测设备的输出电流是100mA 的测试条件下，要保证输出测试电压下降在3%的范围内，折合到一次绕组侧的高压变压器一次和二次绕组的泄漏阻抗不应超过0.8Ω，高压变压器典型的变比k=1:25.
3.短路电流的验证方法
一般情况下，高压测试仪具有过载电流保护功能。

当输出电流值达到跳闸电流r I 时，电路中的过流保护装置会动作。

为了能够直接测量短路输出电流，需要将保护电路旁路，但这一做法可能会对仪器造成损害。

因此，直接测量测试仪的短路电流存在一定的困难。

作为替代，这里介绍一种短路电流的间接测量方法。

它可以从方程（6）推导出：
d m
d L
H
Z Z Z Z Z Z V I '+'+'+'+⋅='2
2
1)1( (7)
方程（7）表明，对于给定的被测设备阻抗d
Z '，短路电路H I '取决于电压调整器的电压L V ,以及变压器的阻抗参数1Z 、2
Z '、m Z 。

一般来说21Z Z '≈。

在已经确定L V 值的条件下，如果获得的两个输出电流的测量值H
I '与被测设备已知的阻抗d Z '不同，在0='d Z 的条件下折合到一次绕组侧的短路电流S
I '就很容易计算出来。

在实际操作中，一般可以选择H V 为耐压测试仪所使用的最小输出测试电压，例如500 V 。

如果耐压测试仪在该电压下能输出满足要求的短路电流，那么在高于该电压值的其他任何输出试验电压下，都能输出满足要求的短路电流。

选择一个有着合适阻值和足够功率的可变电阻作为负载阻抗d Z ，例如一个最大阻值不少于10k Ω，在200mA 测定电流下最小功率100W 。

选择合适的两个阻抗d Z 测量相应的电流H I 。

高压变压器的变比k 参考仪器的用户手册。

通过以下的转换：
d d H H
H
L Z k Z I k I V k V ⋅='⋅='⋅=21
（H V 为开路电压） 折合到一侧绕组侧的短路电流S I '可以计算得出，实际短路电流如下： S S I k I '⋅=
实例：
表2给出了高压变压器变比251=k 的TOS5051型高压测试仪在不同负载阻抗条件下的五组测量数据。

选取五组数据中的两组来计算方程（7），结果是：
Ω
=Ω='=1.8889.221m Z Z Z
当0='d
Z 时，计算结果是mA I S 136=。

测量和计算结果表明，选中的仪器在最低测试电压500V 的条件下输出一个136mA 的短路电流。

如果需要的短路电流为200mA ，最低输出测试电压应不少于734V 。

表2 TOS5051型高压测试仪在不同负载条件下的输出电流
4.结论
跳闸电流和短路电流是高电压测试仪的两个重要性能指标，相关的试验标准分别对其有不同的规定。

跳闸电流取决于高压测试仪中高压变压器的容量，短路电流则由试验电压和高压变压器的阻抗参数决定。

对于一台高压变压器容量为500VA的高压测试仪，如果其输出测试电压的范围是0～5kV，则其最大输出电流为100mA。

跳闸电流或者是高压变压器的容量往往在高压测试仪的技术参数表中给出，否则，它也可以通过直接测量得到验证。

但是，由于常用测试仪过载保护功能的存在，很难直接测量短路电流。

作为替代，本文介绍了一种间接测量短路电流的方法。