阀控密封铅酸蓄电池漏液现象分析通用版.docx

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阀控密封铅酸蓄电池漏液现象分析通用版

解决方案编号：

YTO-FS-PD371

阀控密封铅酸蓄电池漏液现象分析通用版

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阀控密封铅酸蓄电池漏液现象分析通用版

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　　摘要：

文章针对阀控密封铅酸蓄电池在使用过程中普遍存在的漏液现象，从工作原理及应用现状方面进行分析和探讨，并提出了提高电池密封性能的改进意见和方法。

　　关键词：

阀控密封铅酸蓄电池；漏液；电池槽盖；安全阀；极柱端子

　　1引言 

　　阀控密封铅酸蓄电池是70年代末开发的一种新型蓄电池，在通信和电力等行业被广泛用作备用电源，在我国已有十多年的历史，由于具有少维护，无腐蚀、无污染等优点，受到越来越多客户青睐，现已基本取代了防酸隔爆和镍镉固定型电池。

但在使用过程中也暴露出一些问题，如个别蓄电池寿命偏短、浮充电压低和漏液等，特别是漏液现象很普遍。

　　2蓄电池组成及工作原理

　　2.1组成

　　阀控密封铅酸蓄电池主要由正负极极群、电解液、隔板、电池槽盖、安全阀和极柱端子等零部件组成。

　　2.2工作原理

　　由于正负极放电产物都是硫酸铅，因此又称为双极硫酸盐理论。

在充电后期还存在水电解反应，有一定量的气体产生。

在普通铅酸电池中由于有气体产生无法密封，因此要想实现密封必须抑制或消除H2和O2。

通过在负极极板材料中加入钙金属提高了H2析出的电位，使电池在正常充电下不产生H2。

同时采用贫液紧装配技术，使正极O2很容易到达负极,发生如下反应O2得到消除：

　　3电池漏液现象分析

　　3.1电池漏液与电解液量的关系

　　密封电池设计的一个基本原理就是采用贫液技术，使正极产生的O2通过电池内循环在负极上得到最大程度的复合吸收，以此完成电池内部气体的再化合，维护电解液中水的平衡，从而使得电池得以密封。

如果电解液量过多，会使内部气体再化合通道受阻，电池内部气体增多，压力增加，容易在电池密封处的缺陷部位产生漏液。

因此电池的加酸量一定要适量。

就密封电池10h放电率放电而言，一般控制电解液密度为1.10，放电前电解液密度为1.30，根据电池反应可以计算出每Ah电池最少用酸量。

放电前所需的纯H2SO4量为：

W（H2SO4）=V·d·m，纯H2O量为：

W（H2O）=V·d（1-m），放电后所需的纯H2SO4量为：

W（H2SO4）=V·d·n-3.36。

　　注：

每放出1Ah电量，消耗纯H2SO43.66g、生产水0.67g。

　　式中d——放电开始时电解液密度，为1.30；

　　m——放电开始重量百分比浓度，为38%；

　　n——放电后重量百分比浓度，为16%；

　　V——用d浓度的硫酸体积。

　　要想做到贫液就要保证所需电解液必须完全吸附在隔板中，并且还有部分气体通道，一般每Ah加入玻璃纤维隔板17g，每g隔板饱和吸酸量为0.8ml。

因此最大吸酸量为13.6ml，保证密封隔板吸酸量最大不能超过95%，一般为92%，即最大加酸量为12.5ml，加酸量应控制在10.9～12.5ml之间。

　　3.2电池易漏部位分析

　　通过长期使用观察，发现电池易漏部位主要在电池槽盖之间密封处、安全阀处、极柱端子密封处。

各部位产生漏液原因各不相同，应进行全面分析后采取相应措施解决。

　　3.3电池槽盖密封方法

　　电池槽盖密封一般采用环氧胶粘密封和热熔密封2种方法。

相对而言，热熔密封效果较好，方法是通过加热使电池槽盖塑料（ABS或PP）热熔后加压熔合在一起。

如果热熔温度和时间控制好，并且密封处干净无污物，密封是可靠的。

对热熔密封漏液电池解剖观察，密封处存热熔层，有蜂窝状沙眼，不是很致密，由于电池内部存在O2，在一定气压下，O2带着酸雾沿沙眼通道产生漏液。

环氧胶粘接密封漏液较多，特别是卧放电池。

如果环氧胶配方和固化条件控制好，可以实现密封。

经过对漏液电池解剖发现，密封胶与壳体粘接是界面粘接，结合力不大，容易脱落，漏液处有缺胶孔或龟裂。

由于环氧胶流动性较差（特别是低温固化）易造成密封槽某些局部没有填满胶，产生漏液通道，龟裂（细小裂纹）主要发生在架柜卧放电池中，由于重力作用，架柜变形使电池密封胶层受力，环氧胶固化又很脆，在外力作用下，容易产生龟裂造成漏液。

　　3.4安全阀漏液原因分析

　　安全阀在一定压力下起密封作用，超过规定压力（开启压力）时安全阀自动打开放气，保证电池安全，造成安全阀漏液主要原因如下。

　　a.加酸量过多，电池处于富液状态，致使O2再化的气体通道受阻，O2增多，内部压力增大，超过开启压力，安全阀开启，O2带着酸雾放出，多次开启，酸雾在安全阀周围结成酸液。

　　b.安全阀耐老化性差，使用一段时间后，安全阀的橡胶受O2和H2SO4腐蚀而老化，安全阀弹性下降，开启压力下降，甚至长期处于开启状态，造成酸雾，产生漏液。

　　3.5极柱端子漏液原因分析

　　极柱端子密封的普遍方法是：

先将极柱同电池盖上的铅套管焊接在一起，再灌上一层环氧密封胶密封。

电池在安装使用1a以上就有个别电池极柱端子产生漏液，使用3～5a端子漏液就较多了，并且正极比负极严重，这是目前国内密封电池普遍存在的问题。

通过解剖发现极柱端子已被腐蚀，H2SO4沿着腐蚀通道在内部气压作用下，流到端子表面产生漏液，也叫爬酸或渗漏，端子腐蚀原因是在酸性条件下O2腐蚀所致：

　　正极：

Pb+O2+4H+→PbO+H2O

　　负极：

Pb+O2+H2SO4→PbSO4+H2O

　　腐蚀产生的PbO和PbSO4都是多孔状，H2SO4在内部气压作用下，沿着腐蚀孔爬到外面而漏液。

相对而言，腐蚀速度比较缓慢，因此要在使用较长一段时间才产生漏液，同时正极腐蚀速度大于负极，因此正极漏液严重。

由于焊接一般采用的是乙炔氧气气体焊接，焊时极柱表面形成一层PbO，PbO很容易同H2SO4反应更加快了腐蚀速度，缩短了漏液时间。

架柜卧放硬连接安装方式的电池更容易产生漏液，由于电池重力作用架柜横梁变形，硬连接会使端子受力，密封胶层易脱离，更易漏液。

　　4电池漏液解决措施

　　4.1电池槽盖漏液解决措施

　　a.对于热熔密封电池要严格控制热熔温度和时间，并保持热熔表面干净整洁。

　　b.将热熔和胶粘剂密封相结合，先采用热熔密封，再用密封胶密封。

　　c.对于环氧胶密封，应建立高温固化室，使环氧胶更好地固化。

　　d.选用溶解类的密封胶进行密封，如ABS塑料电池槽盖采用丙烯脂类密封胶，使电池槽盖溶为一体，密封更加可靠。

　　4.2安全阀漏液解决措施

　　a.采用耐老化的橡胶（如氟橡胶）制作安全阀，延长耐老化时间。

　　b.定期更换安全阀，保证安全阀的可靠性，一般3a更换一次较为适宜。

　　c.改变安全阀结构，使其开启压力可调。

目前柱式安全阀是较为完美的结构，柱式安全阀使用的橡胶较多，耐老化性能好，同时压力可调，发现老化（开启压力下降）可适当调整，增加开启压力，保证其密封性。

　　4.3极柱端子漏液解决措施

　　a.采用惰性气体保护性焊接（如氩弧焊）使焊接面不被氧化，延缓腐蚀速度。

　　b.加高极柱端子，延长密封胶层高度，延长腐蚀漏液时间。

　　c.取消焊接密封方式，采用橡胶压紧密封，阻断O2通道，延缓腐蚀速度。

如果极柱端子密封高度设计合理，在电池使用寿命期可以实现不漏液。

　　基本概念

　　波在介质中传播时不断向前推进，故称行波。

　　行波测距式距离保护原理

　　1引言

　　高压输电线路是电力系统的命脉。

线路发生故障后能快速地切除故障线路并及时找到故障点加以修复，是继电保护工作者孜孜以求的目的。

　　然而迄今为止，输电线路保护无论是利用工频分量还是暂态高频分量，都只能判断出故障发生的区域，只能达到切除故障的目的。

微机距离保护虽然能给出故障距离，但因精度不高不能满足生产需要，要及时找到故障点对线路加以修复仍需要配备专门的故障测距装置，两个装置有很多相似的功能模块，使得线路投资增加，装置的作用得不到充分发挥。

　　行波距离保护由于采用输电线路故障后的行波，使得保护装置具有超高速动作的特性；而且利用行波折反射的特点可以精确地计算出故障距离，并同时兼作保护动作判别量和测距输出结果，即集保护和测距为一体，有效解决了以上问题，因而行波距离保护装置的研究极具实用价值。

　　利用行波进行故障测距［1］的方法早在20世纪50年代就已被提出，并在实际中得到应用。

70年代末，G．W．Swift等指出了行波频率与故障距离之间的关系［2］。

1983年,P.A.Crossly等人提出了利用相关算法计算行波传播时间进而求得故障距离，通过对故障距离和被保护线路长度的比较决定保护是否动作的行波距离保护方案［3］。

1989年，我国学者根据输电线路故障行波的特征，提出了行波特征鉴别式距离保护［4］，该保护首先利用行波的特征，判断出故障发生的区间，若判断为正方向区内故障，再进一行波特征鉴别式距离保护。

来源:

　　早期行波测距式距离保护的主要不足之处在于：

①没有指出正方向区外故障时保护误动的问题；②采用相关算法提取与初始正向行波对应的反向行波误差较大，距离计算精度不高；③由于相关算法的实质是比较两波形的相似性，因而受线路参数的影响较大，当线路为有损或接地电阻较大时，V－、V＋波形的相关性降低；④灵敏度不高，要求V－和V＋信号有足够的能量，以保证能被正确检测。

其后的研究者对行波测距式距离保护方案存在的问题提出了解决的方法［5］，并对这一原理的实现做了进一步的补充［6］，但因其结果不能满足实际要求，最终没有在实际系统中得到应用。

　　近年来，国内学者将现代电子技术和新兴数学工具用于行波测距，使得测距精度大大提高［7，8］。

行波测距装置的成功应用无疑为进一步研制行波测距式距离保护打下了良好的基础。

　　小波变换是近年来大量应用于工程计算的一种新的数学工具。

实际工作表明［7，9，10］：

利用小波变换提取行波信号中的故障信息不仅可以使保护的灵敏度和抗干扰能力大大提高，而且可使其不受工频分量和线路参数等的影响。

同时，随着现代电子技术的飞速发展，高速数据采样和处理的应用也为行波测距式距离保护的计算精度提供了保证。

　　2行波测距式距离保护的基本原理

　　行波测距式距离保护是根据A型故障测距原理［1］实现的。

如图1所示，当输电线路F点故障时，故障点会产生向线路两端传播的行波。

设故障点的故障附加电压为uf，当行波沿输电线路传播到达M点时（设故障发生在0时刻），向母线方向运动的反向行波为

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　　式中τm为行波在检测母线M和故障点F之间的传播时间。

由于阻抗不连续，行波在M点发生折反射现象。

设其电压反射系数为kfm，则其向着故障点方向运动的正向行波为

　　同理，在故障点处行波将再次发生折反射，到达M端的反射波为

　　式中kff为电压行波在故障点处的反射系数。

因此若在检测点能够检测到初始正向行波和故障点反射行波，则其时间差2τm与故障距离d满足

　　式中v为行波的传播速度。

用网格图可以更清楚地看到这一关系。

　　设线路全长为L，当d＞L时，判断为外部故障；当d＜L时，判断为内部故障，这就是行波测距式距离保护的基本原理。

　　3行波测距式距离保护的动作特性分析

　　行波传播受对端母线、背侧相邻母线的影响，因而行波测距式距离保护在正方向区内、区外及反方向故障时的动作情况不尽相同。

仍以图1所示线路为例，设在线路MN的M端装设行波距离保护，首先对区内故障的动作情况进行分析。

（1）区内故障

　　1）故障距离d＜L/2

　　当故障距离小于L/2时，若不考虑相邻母线的影响，则如式

（1）～（4）所示，保护应测得实际故障距离，装置正确动作。

　　2）故障距离d＝L/2

　　设故障点产生的向对端母线运动的反向行波为un1

　　－＝uf（t－τn）（τn为行波在故障点F和对端母线N之间的传输时间），对端母线的反射系数为kfn。

当故障点位于线路中点时，故障点二次反射波与对端母线反射波将同时到达检测点（τm＝τn），若两者极性相反则实际装置中将有可能因为两者的互相抵消而造成故障点二次反射波信号减弱，甚至可能引起保护动作失效。

　　3）故障距离d＞L/2

　　故障距离大于L/2时，由于对端母线的反射波先于故障点二次反射波到达，故实际测得NF的距离。

　　对上述三种情况，考虑背侧相邻母线的影响，在不用方向行波的条件下，当相邻线路长度（Lxl）小于故障距离（d）时，保护实际测得相邻线路长度；当Lxl＞d时相邻线路对保护不造成影响。

　　2）区外正方向故障

　　以图2进行分析。

对线路KM的K端保护1而言，当正方向区外F点发生故障时，其初始波头在到达M母线处时发生折射，设其电压折射系数为kzm，则K母线检测到的初始和二次反向行波为

　　式中τmk为行波在线路MK上的传输时间。

　　由式（5）（6）可知，保护1计算出的故障距离亦满足式（4），即所测出的故障距离为故障点到对端母线之间的距离MF。

当MF的距离小于MK线路长度时，保护1会因把区外故障判断为区内故障而误动作。

　　（3）区外反方向故障

　　与区外正方向故障相同，在不用方向行波的条件下，当图2中保护2的反向F点发生故障时，保护2实际测得NF距离，测距失败；同样，当NF距离小于NP时，保护2也会误动作。

　　综上所述，为保证在反方向故障时能正确动作，应利用方向行波实现行波测距式距离保护。

　　4行波测距式距离保护存在的主要问题

　　从上述分析可以看出，对行波距离保护来说，要做到集保护和测距为一体需要解决的关键问题是：

　　1）消除对端和相邻母线的影响，找出与初始波头对应的故障点二次反射波头，保证测距结果的正确性；

　　2）正确区分区内外故障，特别是正方向区内外故障。

　　另外，当故障出现在正方向出口时，受采样率的限制，采集到的故障行波初始波头和后续的故障点反射波头相互叠加，由于不能正确识别故障点二次反射波，使得计算结果不正确，这说明行波距离保护在线路出口存在死区。

由于这一问题不难用其它方法克服，故在此不过多讨论。

　　5方向行波测距式距离保护

　　正向模量行波的表达式如下：

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　　式中V0＋，Vα＋，Vβ＋为正向模量方向行波；u0，uα，uβ为模量行波电压；i0，iα，iβ为模量行波电流；Z0，Zα，Zβ为各模波阻抗。

　　同理三相输电线路的反向模量行波表达式为

　　式中V0－，Vα－，Vβ－分别为各模的反向行波分量。

　　方向行波距离保护的优点如下：

　　1）利用正反向行波到达的先后顺序判断出故障方向，保证反方向故障时保护正确不动作。

正方向故障时，反向行波或与正向行波同时到达检测点，或先于正向行波到达（后者发生在母线上仅有两条出线时）；而反方向故障时，初始行波中只有正向行波而无反向行波，即正向行波先于反向行波到达检测点，据此可以判断出故障方向。

　　2）正向故障时，背侧相邻母线的反射波中由于只含正向行波，故不会对测距和判断结果造成影响。

　　3）根据正向行波和其后续反向行波的极性关系，可以正确提取故障点二次反射波，保证其不受对端母线反射波的影响。

　　如图2所示，考虑两端母线上均有三条出线的情况。

当F点发生故障时，由于在同一点电压反射系数与电流反射系数大小相等、符号相反，故检测点的初始正向行波为

　　式（13）（14）说明初始正向行波与故障点二次反射波的极性相反，而与对端母线反射波极性相同，据此可以区分故障点和对端母线的反射波，保证测距和保护结果的正确性。

　　此外，方向行波距离保护仍存在如何区分正方向区内外故障的问题。

这一问题可考虑用零模分量解决。

众所周知，零模分量的传播速度与线模是不同的，因而初始波头中线模和零模到达检测点的时间也就不同，它们的时间与速度存在关系：

t0＝d/v0，tα＝d/vα，其中d为故障距离。

用t0、v0、tα、vα表示d得到：

　　式（15）表明，只用初始波头中线模和零模的行波信息就可以求出故障距离。

这种方法虽然可行，但仍有其局限性：

　　1）零模分量在实际传输中衰减很快且速度随频率的变化会发生变化，因而只适用于较短的线路。

　　2）由于两相短路故障时没有零模分量出现，因而这一方法只适用于接地故障。

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　　综上所述，对于方向行波测距式距离保护来说，如何正确区分正向区内和区外故障仍是一个有待解决的重要问题。

不借助通信手段，利用单端量所测得的行波信息来区分区内、外故障是一个很值得深入研究的课题。

　　6小波变换在行波距离保护中的应用

　　上面已经提及，与相关算法相比较小波变换具有良好的消噪功能和分频特性；特别地，由于它具有良好的时频局部化性能，因而能准确捕捉到各次行波到达的时刻，比起相关算法来说其可靠性更高。

　　6.1利用分频特性提取行波信息

　　由多分辨分析理论［12］可知，随着尺度参数a的二进膨胀，信号被逐渐地分解到每一个小波空间；同时小波的时频局部化性质说明，当a增大时，对应的中心频率会逐渐降低，这说明尺度较小时对应的小波空间的频带较高，随尺度的增大，对应小波空间的频带逐步降低。

当采用二进小波变换时，尺度参数以2的倍数增大，所以频带以2的倍数降低。

因此小波变换可以把一个信号分解成为若干个互不重叠的频带的信号。

这样在对某一尺度的小波变换结果进行分析时，就相当于对其它频率进行了完全滤波，这样既可以避免为提取行波信号而造成的装置和算法的复杂性，又可以保证行波保护不受工频分量的影响。

　　6.2利用奇异性检测定位行波波头

　　行波距离保护利用波头到达时刻计算故障距离，而小波变换的模极大值与信号的奇异点对应，如图3所示。

因而利用小波变换可以对行波波头进行准确定位，从而保证测距结果的精度。

　　根据分析［7］，本文采用三阶B样条小波作为小波函数，采用二进小波变换对信号进行分析。

　　7实例仿真

　　如图4所示，对在MN线路两侧装设的方向行波距离保护进行仿真分析。

大量仿真结果表明，在内部故障时保护能正确动作，反方向故障时可靠不动作。

部分仿真结果如表1所示。

　　来源:

输配电设备网

　　图5给出了MN线路上距M侧10km处发生单相接地故障时M侧保护的正反向行波信号及其小波变换结果。

图6给出了利用零模和线模的速度差实现的判断结果，故障点距M侧140km，根据式（9）得到测距结果为138．6km。

此时M端保护准确判为正向区外故障，保护不误动。

仿真结果表明了方向行波测距式距离保护的可行性和利用零模测距的理论正确性。

　　8结论

　　本文对行波测距式距离保护的原理、动作特性等进行了详细的分析，并对方向行波测距式距离保护进行了分析和仿真，结果表明：

　　1）内部故障时，能够保证测距结果准确，保护正确动作。

　　2）方向行波距离保护具有方向性，可以保证反向故障时，保护不误动；正向故障时，测距结果不受相邻母线的影响。

　　3）行波距离保护存在的最主要的问题是：

正方向区外故障时，保护由于测得对端母线到故障点的距离而误动作。

本文虽然用零模分量对该问题进行了解决，但由于零模分量的不稳定性，在实际中还需采用其它更为有效的方法加以解决。

　　电缆行波故障测距方法

　　　0引言

　　电力电缆具有安全、可靠，布线有利于美化城市与优化厂矿布局等优点。

随着我国经济的飞速发展，城市规模不断扩大。

由于土地资源紧张，同时为了美化环境，电力线路必须由以往占地多的明线方式改为埋地的电缆方式。

因此，电力电缆获得了越来越广泛的应用。

但由于各种因素的影响，在运行中，电力电缆也会发生故障。

快速切除故障并排除故障对提高电力系统供电可靠性和稳定性具有决定性作用。

　　从电力电缆故障测距原理上分析，阻抗法由于只用到线路一侧或两侧的故障信息，且多数是测量故障后的工频量，所用设备少，比较简单可靠，经济性好；而行波法由于要求高的采样率，所用设备较多，对设备要求也较高，经济性稍差。

就准确性而言，阻抗法受故障类型、故障电阻和线路对端负荷阻抗的影响较大，误差一般较大；而行波法受故障类型和故障电阻的影响少，不受线路对端运行状态的影响，在保证硬件要求的条件下，误差较小。

就所需采样时间而言，行波法大大少于阻抗法。

就采样信息处理而言，阻抗法要从复杂的暂态行波中提取所需信息，需增加滤波算法的难度，故行波法较优越。

更重要的是，由于电力电缆自身故障的特点，高阻故障和闪络故障用阻抗法根本无法实现，而行波法在此处就显示出优越性。

综上所述，目前选择行波法进行电力电缆的故障定位是一种较好的方法。

　　1行波测距方法原理与分类

　　行波法的测距方法，即利用测量行波的传播时间以确定故障位置。

根据是否离线的需要，行波法可分为离线测距法和在线测距法。

根据产生行波的种类和测量方式的不同，基于行波法的测距方法可分为A、B、C型三种，以及利用由重合闸产生的暂态行波在测量点与故障点之间传播时间和由测量点感受到的故障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延实现单端输电线路故障测距的新方法。

其中后两种方法是近几年随着国内外学者对行波法研究的深入而产生的。

离线行波测距法又可分为脉冲法和闪络法。

　　2几种行波测距方法分析

　　2．1A型测距法

　　A型测距原理为：

利用故障点产生的行波，根据行波在测量点和故障点之间往返一次的时间和行波波速确定故障点的距离。

A型测距法原理简单，所用装置少，同时不受过渡电阻及对端负荷阻抗的影响，理论上可以达到较高精度。

但长期以来，由于对故障点产生的行波特性及在三相线路上的传播特性认识不够，对信号采样、确定行波到达时间要求较高，所以未获得广泛应用。

近年来，国内外许多学者就此展开了大量的研究。

其中有利用暂态电流行波的测距方法，也有利用电压行波的测距方法。

相比较而言，采用暂态电流行波测距法的占多数，其原因是：

（1）暂态电压信号不易获得；

（2）波阻抗不易准确获得；（3）当母线上出线较多时，暂态电压信号较弱，而暂态电流信号却很强。

　　目前，A型法最大的问题是如何区分是故障点反射来的行波还是从端母线反射来的行波。

有的判别方法是比较故障线路暂态电流与参考线路暂态电流形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性，来识别有用行波浪涌，有的判别方法是基于同一根线上不同点反射行波的极性来区分。

前者的前提显然是母线上除了接有故障线路外还接有其它线路。

由于不同的故障类型会在三相线路中产生不同类型的行波，有效地区分故障类型，再利用最合适的方法来故障测距非常有用。

利用此方法，也可判断线路闪络位置。

　　目前A型测距法用得最多。

实现电缆离线故障测距有两种方法：

脉冲电压法和脉冲电流法。

（1）脉冲电压法

　　该方法又称闪测法。

它首先利用直流高压或脉冲高压信号的作用把电缆故障点击穿，然后通过测定放电电压脉冲在观察点与故障之间往返一次时间来测距。

它适用于高阻和闪络性故障。

其优点是不必将高阻与闪络性故障击穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快。

其缺点是：

（1）安全性差。

仪器通过一电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪器