耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量

漂亮蓝影

在电器产品安全检测中，通常通过耐压试验检查电气绝缘的介电强度。标准IEC 60335-1:2001《家用及类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》第13章，对耐压试验装置的高压电源进行了规定 ：用于试验的高压电源在其输出电压调整到相应试验电压后，应能在输出端子之间提供一个短路电流。电路的过载释放器对低于跳闸电流Ir的任何电流均不动作。不同高压电源的Is和Ir值见表1。
耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量.jpg

在实验室认可评审活动中，经常要求实验室提供耐压仪能够输出200mA短路电流的证明性文件，而实验室为此遇到困难。
一、 理论分析
1．常用耐压仪典型结构
图1为目前电气安全检测室较为常用的日本菊水TOS5050型耐压仪的结构框图，主要包括继电器、电压调节器、高压变压器、电流检测器、控制电路等5部分，其试验电压由网电经电压调节器调节和高压变压器升压后输出。

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量1.jpg

2． 高压电源等效模型
电压调整器输出电压经高压变压器升压后输出高压试验电源。升压变压器等效电路如图2所示，其中L、H分别为变压器的低压端和高压端，V’H和I ’H为折合到低压端的高压端输出电压和电流。

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量2.jpg

由等效电路可以得到，高压变压器输出电源功率是：
Pout=V’H·I’H=VH·IH （1）
在高压端短路情况下，可得输出电流：I’H= VL （2）
Z1·(1+Z’2)+Z’2

其中，VL为高压变压器低压端输入电压，即电压调整器输出电压，Z1为高压变压器原边绕组漏阻抗，Z’ 2为折合到原边的副边绕组漏阻抗，Zm为高压变压器的激磁阻抗，且有：
Z1=r1+jX1
Z’2=k2·Z2 (3)
Z2=r2+jX2
Zm=rm+jXm
式中k为高压变压器原副边变比，典型值1/25为或1/50。由于变压器漏阻抗远远小于激磁阻抗，即Z2<<Zm，因此：
Z’2=k2·Z2<<Zm
由此可得简化的短路输出电流计算公式： （4）


（5）
图3为相应的等效电路。

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量3.jpg

3 . 跳闸电流Ir和短路输出电流Is
由式（1）可知，高压变压器的输出电源功率Pout为输出电压I’H和V’H输出电流I’H的乘积。在给定的输出电压V’H情况下，输出电流I’H的大小取决于变压器的输出功率Pout。因此，在规定试验电压的情况下，耐压仪正常工作条件下的跳闸电流取决于高压变压器的最大输出功率，即规定跳闸电流是对高压变压器的容量规定要求。例如，规定耐压仪在4000V试验电压下跳闸电流不小于100mA，就要求耐压仪高压变压器的输出容量不小于400VA。
由式（4）可以看出，在电压调整器输出电压VL给定的情况下，高压端短路输出电流I’H与高压变压器原、副边漏阻抗Z1+Z’2值成反比。Z1+Z’2阻抗值越大，短路电流越小。因此，对耐压仪输出端的短路电流进行规定，就是对高压变压器原、副边的漏阻抗提出要求。从图2等效电路可以得到，当折合到原边的被试件的等效阻抗为Z’d时，高压端输出电压为：

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量4.jpg

由上式可以看出，在电压调整器输出电压给定情况下，输出端试验电压V’H与被试件等效阻抗Z’d和高压变压器原、副边漏阻抗Z1、Z‘2有关。对于理想变压器，Z1、Z‘2为零，V’H=VL，即折合到原边的输出端试验电压等于电压调整器输出电压。假定变压器漏阻抗Z1=Z‘2=1%Zm，图4给出了输出端试验电压V’H／VL随变压器漏阻抗Z1/Z‘d变化曲线。

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量5.jpg

从曲线中可以看到，V’H／VL随Z1/Z‘d值的增大而减小，即在给定的电压调整器输出电压VL和被试件等效阻抗Z‘d情况下，输出端试验电压V’H随着漏阻抗Z1、Z‘2的增大而减小。当Z1/Z‘d＝0.05时，V’H／VL＝0.90，折合到原边的输出端试验电压跌落到电压调整器输出电压的90%。另外，从曲线中可以得出，在输出端试验电压为5000V和输出到被试件的电流为100mA的条件下，要保证输出端试验电压的跌落不超过3%，折合到原边的高压变压器的原、副边的漏阻抗不应大于0.8Ω（给定变压器变比为1：25）。
二、 短路电流验证方法
一般情况下，耐压仪具有输出电流过载保护功能，当输出电流超过跳闸电流时，过流保护装置就会动作。要直接测量耐压仪的短路输出电流，必须将耐压仪过流保护装置旁路，但这种做法可能危及仪器安全。因此，直接测量耐压仪的短路输出电流，具有一定的困难。
这里介绍一种耐压仪短路输出电流的间接测量方法。由式（5）可以得到：

耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量6.jpg

从式中可以看到，对于给定的负载阻抗Z ‘d，输出电流I’H与电压调整器输出电压VL和高压变压器阻抗参数Z1、Z‘2、Zm，一般情况下，Z1≈Z2。因此，在固定的VL值下，给出不同的两个Z ‘d值，分别测量相应的输出电流I‘H，便可计算得到Z ‘d = 0时折合到原边的短路输出电流I‘S 。
在实际操作中，一般可以选择VH为耐压仪所使用的最小输出试验电压（如500V），如果耐压仪在该电压下能输出满足要求的短路电流，则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。然后选择一个可调电阻用作负载阻抗Z d ，可调电阻的选择要保证足够的功率。如果要求的短路电流为200mA，则可调电阻的功率最好不小于100W，最大阻值不小于10kΩ。选择合适的两个电阻值，测量相应的输出电流I H。从耐压仪使用手册中查出高压变压器变比k，将电压、电流、阻抗值进行如下转换后：
VL=k·VH
I’H= k1·IH
Z’d=k2·Zd
计算出Z’d = 0时折合到原边的短路输出电流I’s，再换算出短路输出电流I’s=k·I’s。
测量实例：表2为TOS5051耐压仪在不同负载阻抗下测得的一组数据（高压变压器变比k=1/25），选取其中的两组数据，由式（6）计算得出Z1、Z’2、Zm分别为Z1=Z’2=2.89Ω、Zm=88.1Ω，当Z’d=0时，可计算得到短路输出电流Is=136mA。对于该耐压仪，输出200mA短路电流对应的输出端试验电压至少为734V。
耐压仪跳闸电流和短路输出电流的测量7.jpg
三、 结论
跳闸电流和短路输出电流是耐压仪的两项主要性能指标，相关试验标准分别对其有不同的规定。跳闸电流取决于耐压仪高压变压器的容量，短路输出电流取决于试验电压和耐压仪高压变压器阻抗参数。对于一台变压器容量为500VA的耐压仪，如果其输出端试验电压范围为0～5kV，则其最大输出电流为100mA。跳闸电流或变压器容量往往在耐压仪技术参数表中给出，也可通过直接测量得到验证。对于短路输出电流，由于耐压仪过流保护功能的存在，很难通过直接测量得到验证，本文推荐了一种通过测量输出端电流间接测量短路输出电流的方法。