孙涌¹；杜志航²；李洪阳¹

（1.北京市雷闪防雷设施检测服务中心，北京 102299，中国；2.上海电力设计院有限公司，上海，210025，中国）

（收稿日期：2020.4.11，发表日期：电力电容器与无功补偿（1.341）,2021（03）：75-79+117）

摘 要：为研究多级石墨间隙型中均压电容C_E( Grading capacitor) 对其在1.2/50 μs冲击电压波作用下的击穿特性，将电容器的等效电路在时域和频域进行理论计算，对均压电容C_E的不同取值结果的冲击电压的耦合能力进行试验验证；并将取值结果应用于多级石墨间隙的冲击电压波击穿特征试验，得到均压电容C_E的电容量应大于1nF取值最为合理；以残压和整体击穿时间为表征，电容量相对低的试品在低冲击电压的幅值下表现出残压下降40%，整体击穿时间缩短90%，相反在高冲击电压的幅值下表现更好。通过试验研究，建议针对多级石墨间隙均压电容取值在1nF至12nF之间。

关键词：多级石墨间隙；均压电容C_E；1.2/50 μs冲击电压；耦合效率

Study on the Effect of Grading Capacitance on the Breakdown Characteristics of Graphite Multi-Gap

SUN Yong¹，DU Zhihang²,  LI Hongyang³

(1. Beijing Leishan Testing Service Center of Lightning Protection Facilities, Beijing,102299, China; 

2. ShangHai Electric Power Design Institute CO., LTD, Shanghai, 210025, China)

Abstract: In order to study the breakdown characteristics of the grading capacitor C_E (grading capacitor) in the graphite multi-gap under 1.2/50 μs impulse voltage, the equivalent circuit of capacitor is calculated theoretically in time and frequency domain, The coupling ability of impulse voltage with different values of C_E are studied. The results are applied to the breakdown characteristic experiment of impulse voltage wave. It is found that the capacitance of C_E should be greater than 1nF, which is the most reasonable value. The samples with relatively low capacitance show a 40% drop in residual voltage and the overall breakdown time shorten 90% under the amplitude of low impulse voltage, characterized by residual voltage and breakdown time On the contrary, it is better under the amplitude of high impulse voltage. Based on the experimental study, it is suggested that the capacitance of C_E in the graphite multi-gap  should be between 1nF and 12nF.

Key words：graphite multi-gap; grading capacitance C_E; 1.2/50μs impulse voltage; coupling efficiency

 0  引言

在开关型电涌保护器的研究发展中，传统电极开关型具有响应时间长、续流遮断能力差的缺点^[1][2]。非金属石墨材料电极制作的产品已经开始替代其他传统材料产品，孙伟等针对于间隙性电极材料的研究中得出石墨片可以达到钨铜相等的特性^[3]；产品通过多种试验得出多级石墨间隙的应用表现出优化电压保护水平、提高响应速度以及切断续流的能力^[4][5]。国内外研究了将用于多级石墨间隙级间启动的辅助装置，其中均压电容C_E起到各间隙放电的均压和传递作用^[4-7]，至此针对C_E的选择问题，国内外还停留在依靠经验确定以及简单电路分压计算的阶段，且需通过大量的试验归纳总结。

本文重在对均压电容C_E在时域频域中的等效电路变换，对冲击电压耦合响应特性进行计算，推导出电容量取值的理论范围，并通过试验进行理论结果验证。通过分析均压电容C_E的工作原理，每一级电容的冲击电压耦合效率是取值的前提条件，使用虚拟阻抗为40 Ω的GIV/40型1.2/50 μs冲击电压发生器^[8,9]，制作8组分压比为100:1的精密电阻分压器^[10]，可以同时对每各间隙进行放电波形采样，利用两台TEK DPO 3034示波器共8通道波形数据还原，将8组间隙的放电波形同时序绘制，多间隙的击穿顺序与特征直观分析。

试验按照理论计算的取值范围，改变电容量得出不同电容量的电压耦合能力，可以确定电容量取值下限为1nF；再通过不同的冲击幅值，研究均压电容C_E对多间隙击穿特征的影响，根据残压和泄放时间两个关键性能参数，给出电容选型的最优化范围为1nF至12nF。

1  石墨多间隙的均压电容

1.1  纯石墨间隙的击穿电压

常规设计的石墨间隙如图1所示：1.正电极端，2.负电极端，3.聚四氟乙烯绝缘环厚0.4mm，4.石墨板厚度2.15mm，G₀为首间隙，G_1-8为多级间隙，C_P(Parallel capacitance of the gap)为石墨片间分布电容，C_E为均压电容，组成10片石墨9层间隙排列的形式。

图1 多级石墨间隙物理模型

Fig. 1 Arrangement of multistage graphite gap

首先研究每一级单间隙的击穿电压，发生器从300 V步进提高冲击电压幅值，当冲击电压达到700 V时，石墨间隙达到了完全的击穿，并形成低阻放电通道放电^[11]，多次试验保持基本稳定，波形如图2所示残压为650 V。

 图2 单石墨间隙冲击动作特性

Fig. 2 The action characteristics of single graphite gap

根据公式推导结果^[12]，在一个大气压，均匀电场内空气的击穿电压近似为式（1），

通过试验和公式计算得出老炼后的石墨单间隙击穿电压为600 V-800 V，按照文献^[4,7]的多级石墨间隙击穿原理，冲击电压峰值在650 V以上就可以通过击穿**级间隙后，依靠每一只均压电容，将冲击电压耦合在每一层石墨片上，通过石墨片自身的分布电容C_P与均压电容形成倍压电路，与CVT电容电压互感器反向应用相似，将多级石墨依次击穿。式中：d为间隙距离，单位m；b为击穿电压的系数。直接引用间隙放电模型中系数b=0.25^[12]，可以推算出当间隙距离为0.4 mm时，计算间隙的击穿电压为637.5 V。

1.2  电容量的确定

级联电路一般使用贴片电容或小型瓷片电容，以电路板载的形式安装在石墨间隙组件上。按照上一节的试验结论，多级石墨间隙是逐级点火，冲击电压首先施加在首间隙G₁上，在G₁间隙上形成的等效电路为图3。由于分布电容C_P远小于C_E，等效电路中的C约等于C_E1。 

图3 首间隙等效电路转化

Fig. 3 The first gap equivalent circuit conversion

每个间隙的单只均压电容的耦合电压应大于间隙的击穿电压值，按照此要求对不同电容量的电容器进行冲击电压耦合效率在电压时域的对比试验，结果如表1所示。

表1 不同电容量电容的冲击电压耦合效率

Tab. 1 coupling efficiency of impulse voltage with different capacitance

由试验结果可以看出，电容器的电容量增加到1 nF时，对1.2/50 μs冲击电压波的耦合作用达到了90 %以上，电容值越大容抗越小，高频导通特性越强，耦合到石墨片的电压越高。

从性能方面分析，按照标准1.5 kV是被保护设备绝缘耐压承受范围，按照单级间隙650 V的最低击穿电压要求，每级电容的耦合效率η公式为（2）：

式中：U为线路上的冲击过电压，U₈为末级间隙的最小脉冲击穿电压。根据计算结果，电容的耦合效率η至少为90.1%，才可以保证末级间隙放电，所以对应试验结果，电容量取值应不小于1.1 nF。

在电压频域响应中，按照耦合电容器的击穿等效模型^[13]和电容器串并联网络的分布参数模型^[14,15]可知，电容元件击穿点的电阻为R_c，电容器的等效电路为图4所示。

 图4电容器的等效电路^[16]

Fig. 4 The equivalent circuit of capacitor

等效电容和等效容抗计算公式为：

式中，C_e为电容元件的等效电容，R_c为电容的固有电阻，L_n为电容器的固有电容，C为电容的测试电容值。当电容没有被击穿时，介质损耗很小，即R_c→∞，则式（3）可以简化为：

通过计算可得，1.2/50μs冲击电压波的波形频率f约为3kHz，角频率ω为1.884×10⁴rad/s^[17]，在此频域下进行等效电容的容抗分析耦合电容的

表2 不同电容器频域下的等效电容和等效阻抗

Tab.2 Equivalent capacitance and equivalent impedance of different capacitors in frequency domain

由频域的分析计算可以得出，电容耦合效率的是由等效容抗决定。

2 不同冲击电压下的多间隙开启特性

按照电容量取值结果，制作两组试品，分别采用TDK1808 1 nF贴片电容和103 10 nF瓷片电容制成样品A、B。

试验用8组100:1电阻分压器，按照高精度无感电阻和贴片式电阻构成的电阻式分压器设计理论^[18]，有效降低了杂散电容和电阻电感，8组分压器分别采集每一层间隙对地的放电电压波形，在示波器8个通道同时序显示，分析波形每层采样点的放电顺序，放电过程以及放电幅值。

图5 试品A冲击电压3 kV下的动作特性

Fig. 5 The characteristics of sample A under impulse voltage of 3 kV

通过对试品A施加一次3 kV的1.2/50 μs冲击电压波，采集到的各间隙对地的残压^[19]，经过分压比校准与不确定度评定度评定修正^[20]后，绘制波形如图5，可以得到以下结论:

1）波形从左向右，每一级间隙在上一级间隙击穿后，间隙电压才开始爬升，形成了多级间隙依次击穿，全部间隙击穿放电的**峰值在同一时刻。

2）G₁至G₇ 呈向下包含的趋势，直至G₈只有单独一个尖峰。G₁可以代表全部间隙导通波形。

3）每级间隙放电后持续电平高度与启动顺序一致。当间隙导通后泄放整个浪涌时，每一级间隙保持着相应的电势差。

4）全部间隙的导通时间随冲击电压的上升而缩短，说明间隙开启动作的响应时间长短与冲击电压波的斜率有关。

继续提高波前放电电压的幅值，分别进行6 kV和10 kV^[19]的冲击，试验电路保持不变，得到以下残压U_res和多级石墨片整体击穿时间t_d，见表3，采集的残压波形见图6、7。

表3  不同冲击电压的幅值下试品A的残压值

Tab. 3 Residual voltage and action time of sample A under different amplitude of impulse voltage

 图6 试品A冲击电压6 kV下的动作特性

Fig. 6 The characteristics of sample A under impulse voltage of 6 kV 

图7 试品A冲击电压10 kV下的动作特性

Fig. 7 The characteristics of sample A under impulse voltage of 10 kV

由图6，7可以看出：

1）增加波前放电电压幅值，多级间隙的开启顺序和基本特性没有改变。

2）施加波前放电电压幅值越高，各间隙导通的同步率越高，波形约呈现为同一时刻的一个尖峰。

3）波前放电电压的高低，基本不影响多级间隙开启后的残压，即残压在各冲击幅值下保持稳定。

3 不同级间电容值的多间隙开启特性

试验选取10nF瓷片电容制作的10片9层石墨间隙试品B，与试品A的测试波形进行对比试验。

 图8 试品B冲击电压3 kV下的动作特性

Fig. 8 The characteristics of sample B under impulse voltage of 3 kV

对试品B施加3 kV的1.2/50 μs冲击电压波，采集到的各间隙对地的残压波形如图8所示可以得到以下结论：

1）在同等幅值的波前放电电压波作用下，样品B的间隙动作特点样品A基本一致。

2）均压电容量越高，级间击穿特性越明显，各级尖峰动作更清晰。

3）样品B动作时间比样品A更长。

4）由于均压电容量的增加，冲击电压频响更快，电压耦合更高，在同等幅值的波前放电电压波作用下，样品B的残压比样品A的更高。

5）样品B各级间隙上升沿斜率比样品A更大。

对样品B同样施加3 kV，6 kV，10 kV的1.2/50 μs冲击电压波，残压结果见表4。

表4不同冲击电压的幅值下试品的残压与动作时间

Tab. 4 Residual voltage and action time under different amplitude of impulse voltage

图9试品B冲击电压6 kV下的动作特性

Fig. 9 The characteristics of sample B under impulse voltage of 6 kV

图10试品B冲击电压10 kV下的动作特性

Fig. 10 The characteristics of sample B under impulse voltage of 10 kV

从表4和波形图9、10可以得到：

1）均压电容量越高，间隙启动越不稳定，最终的残压值变化越大。

2）在施加3 kV波前放电电压时，均压电容量越高，间隙启动电压越高，残压值越大。

3）当冲击电压大于等于6 kV时，级间电容值越高，表现出更低的残压和快的响应速度。

4 小结

从以上试验分析可以得出：按照电容器对冲击电压在时域和频域中的耦合效率进行理论计算，电容量应取1 nF以上；在满足最低耦合效率和频率响应要求的情况下，均压电容的电容量越高对多级石墨间隙的辅助启动效果越好，在保护大幅值冲击电压时的性能越好，表现为残压更低；在小幅值冲击电压的保护效果方面，均压电容量反而越低越好。从工程应用方面分析，综合考虑推荐在1-12 nF中选值，能达到各方面性能均衡；贴片电容相比瓷片电容虽然有电容值和耐压值的劣势，但是从耦合性能、材料成本和自动化生产效率上都是最优的选择。

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作者简介：

孙  涌（1983-  ），男，高级工程师，主要研究方向为防雷装置检测与试验用各类传感器研发。

杜志航（1988-  ），男，高级工程师，主要研究方向为新能源发电系统集成、高电压绝缘技术、电力线路设计等。

李洪阳（1993-  ），男，助理工程师，主要研究方向为防雷装置检测。