高電壓和大電流的測量

高電壓和大電流的測量1第一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二第6章高電壓和大電流的測量高電壓、大電流測量的特點：被測電壓高，需專門的高壓到低壓轉(zhuǎn)換裝置信號傳輸過程的畸變信號變化快，要求測量系統(tǒng)的動態(tài)特性好要充分考慮寄生參數(shù)的影響不確定度高，<3％測量系統(tǒng)內(nèi)部可能放電，電磁干擾復(fù)雜第二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.1交流高壓的測量轉(zhuǎn)換測量法電力系統(tǒng)中，常用（PT＋低壓測量儀表）監(jiān)視運行電壓。在高壓實驗室中，試驗用電壓很高，電網(wǎng)用的PT不再適用。定制PT造價高，且體積、重量也大，所以一般不用。試驗室高壓測量的常用方法：直接測量法球隙法靜電電壓表電壓互感器(PT)分壓器（電容式、電阻式）電流計算法（高壓電容器配合整流回路）第三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.1.1球隙法由一對直徑相同的金屬球構(gòu)成，測量誤差約2％～3％球隙構(gòu)成第四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二球隙法測量依據(jù)稍不均勻電場中，氣體擊穿電壓與間隙距離有穩(wěn)定的關(guān)系。電壓校正：取10次的平均值，并保證標(biāo)準(zhǔn)偏差<1%平均值。最后再進行大氣環(huán)境的修正。球隙放電電壓是被測電壓的峰值第五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓通過多年研究，已經(jīng)制訂了標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓表格。一定的球直徑和球隙距離有一對應(yīng)的放電電壓。第六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二球隙的優(yōu)點擊穿時延小，具有比較穩(wěn)定的放電電壓值和

較高的測量精度;50%沖擊放電電壓與靜態(tài)（交流或直流）放

電電壓的幅值幾乎相等。不必對濕度進行校正。用球隙測量工頻電壓時，應(yīng)取連續(xù)三次放電電壓的平均值，相鄰兩次放電的時間間隔一般不小于30秒，以便在每次放電后讓氣隙充分電離，各次擊穿電壓與平均值之間的偏差不應(yīng)大于3％。第七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二球隙的另一個主要用途保護

將球隙距離加大到試驗電壓的1.1-1.15倍對應(yīng)的距離。第八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二球隙的布置A—放電點與大地之間的距離B—放電點與周圍物體之間的距離圖中A、B值第九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量方法：固定球距固定電壓校正曲線：10第十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二使用球隙法應(yīng)注意：周圍物體的影響照射規(guī)定：當(dāng)被測電壓<50kV時或者D<12.5cm時，均須γ射線或紫外線照射。保護電阻保護電阻一般取100k－1M球表面要光滑，表面曲率半徑足夠大。其表面要潔凈，無灰塵。第十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量球隙第十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.1.2靜電電壓表第十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量原理：靜電引力。14第十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二靜電電壓表測量方法特點：由于電容很小，一般為5－50pF，電極間靠大氣絕緣，因此吸收功率很小?？捎糜谥绷?、工頻，用于高頻時，需考慮功率吸收?？潭确蔷€性。第十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二靜電電壓表第十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二為了盡可能減少極間距離和儀表體積，極間應(yīng)采用均勻電場，所以高壓靜電電壓表的電極均采用消除了邊緣效應(yīng)的平板電極。17第十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.1.3電容分壓器18第十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二高阻抗電壓表第十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二分壓比：N分壓器上所加總電壓與低壓臂輸出電壓之比。只要C1<<C2，那么U2<<U1，僅有小部分電壓降在C2上，就可以實現(xiàn)用低壓儀器測量高壓的目的。20第二十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二對于分壓器，要求它的分壓比N是常數(shù)，即不應(yīng)隨被測波形、頻率、電壓大小、周圍大氣條件和安裝地點而變化，或者變化很小以滿足規(guī)定的測量準(zhǔn)確度的要求。21第二十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二高阻抗電阻式分壓器兩種分壓器都需考慮消除高壓端的電暈。寄生電容的影響顯著；電阻上的發(fā)熱，引起阻值變化，測量電壓范圍受到限制第二十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器1.高壓電極2.低壓電極3.保護電極4.絕緣筒5.低壓引線6.底座電極7.高壓屏蔽罩第二十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.1.4峰值測量半橋整流：全橋整流：要求：電容C1、電流Ipin和頻率f測量準(zhǔn)確，頻率不發(fā)生變化；第二十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二半波平均電流回路公式推導(dǎo)第二十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二二、通過測量整流后的電壓確定峰值第二十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.2直流高壓的測量

注意：直流中含脈動分量U，脈動系數(shù)S<3%。

U=(Umax-Umin)/2

測量儀器：標(biāo)準(zhǔn)“棒－棒”間隙靜電電壓表高阻分壓器旋轉(zhuǎn)電位計(已很少使用)第二十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.2.1標(biāo)準(zhǔn)“棒－棒”間隙棒－棒類似于球間隙。球間隙的問題：

測量直流高壓時，球隙放電的分散性較大，其不確定度超過了±3％，達到±5％。用棒－棒間隙取代球間隙測量直流高壓。第二十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.2.2靜電電壓表表示的是瞬時值的平方的平均值，因此在直流紋波較大時，讀數(shù)不是平均值。第二十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)紋波較小時，二者的差別很小。根據(jù)上式，當(dāng)直流電壓的紋波系數(shù)不大于20%時（實際上符合規(guī)定的試驗用高壓的紋波系數(shù)應(yīng)不大于3%），可認為有效值和平均值相等，即認為靜電電壓表所測得的值即為直流電壓的平均值。30第三十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.2.3高阻分壓器31第三十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二電阻分壓器的高壓臂R1實際上是高阻值的電阻，一般按1～2M/kV配置。因為單個電阻的耐受電壓能力和電阻值有限，這個高壓臂電阻由許多阻值較小的電阻元件串聯(lián)組成。32第三十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二由于測量直流高壓時不需要考慮寄生電容的影響，所以高壓電阻可以不采取屏蔽

第三十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.2.4直流高壓紋波的測量紋波分量的計算如果

則第三十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二紋波的測量第三十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.3沖擊高壓的測量沖擊電壓的特點：持續(xù)時間短，波形變化快，幅值高要求沖擊電壓測量系統(tǒng)具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

國標(biāo)規(guī)定，沖擊電壓測量系統(tǒng)的不確定度為：幅值<3%；波形時間±10%。對于雷電沖擊截波,如果截斷時間在0.5~2s,那么允許幅值測量的不確定度為<5%；第三十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.3.1球隙法標(biāo)準(zhǔn)球隙測量沖擊電壓的峰值；測量沖擊電壓時，與球隙串聯(lián)的電阻<500，寄生電感<30H，避免在保護電阻上產(chǎn)生大的壓降。37第三十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二由于在沖擊電壓作用下球隙放電有分散性，球隙放電電壓表所列的是球隙的50%放電電壓U50％。確定球隙U50％的一種常用方法是10次加壓法，即要求調(diào)節(jié)到對球隙加上10次同樣的沖擊電壓中，有4~6次使球隙放電。此時根據(jù)球隙距離查表并對大氣條件進行換算后所得到的電壓值就是50%放電電壓值。38第三十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二用多級法確定U50％，可以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。采用多級法測量時，固定球隙距離，逐級調(diào)整加在球隙上的沖擊電壓。通常由小往大調(diào)整，每級的調(diào)整量為預(yù)計的U50％的1%。每級電壓加壓次數(shù)不少于10次，記錄放電次數(shù)。39第三十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二截波的概念(補充知識)第四十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.3.2沖擊峰值電壓表圖6-9測量峰值電壓的整流回路41第四十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.3.3沖擊分壓器測量系統(tǒng)一、沖擊分壓器測量系統(tǒng)的構(gòu)成組成測量回路一般需要同時測量峰值與波形將高幅值的沖擊電壓轉(zhuǎn)換為低幅值的沖擊電壓第四十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二二、測量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測量誤差誤差原因：由于存在對地雜散電容、線路電感,在測量沖擊電壓時存在峰值測量誤差和波形形狀變化的問題。第四十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測量誤差在高壓測量系統(tǒng)中，用系統(tǒng)的方波響應(yīng)作為衡量系統(tǒng)性能的依據(jù)tU0第四十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二單位方波響應(yīng)g(t)45第四十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二單位方波與g(t)之間所夾的全部面積對應(yīng)的時間為測量系統(tǒng)的“響應(yīng)時間”，以T表示。T越小，分壓器的響應(yīng)特性越好。46第四十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量系統(tǒng)的測量誤差計算設(shè)系統(tǒng)輸入電壓為Ua(t),方波響應(yīng)為U*b(t)，由Duhamel積分可得輸出電壓第四十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)的測量誤差48第四十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二評價分壓器的性能用響應(yīng)時間T來衡量第四十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)單位方波響應(yīng)為振蕩波總響應(yīng)時間為第五十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二例如：

有時為了補償分壓器的對地電容Ce，在分壓器的高壓端安裝一個園傘形屏蔽環(huán)。然而由于此屏蔽環(huán)的存在，也增加了高壓端的對地電容Ce，它會與高壓引線的電感形成振蕩。即使在導(dǎo)線首端加上阻尼電阻，振蕩仍難以避免。 此時測量系統(tǒng)的振蕩型階躍響應(yīng)g（t）如圖所示。振蕩型階躍響應(yīng)帶屏蔽環(huán)的電阻分壓器第五十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二單位方波響應(yīng)張仁豫、陳昌漁等，高電壓實驗技術(shù),2003年5月第二版,北京：清華大學(xué)出版社,

p146-149具體推導(dǎo)過程見文獻第五十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二電阻分壓器的方波響應(yīng)g（t）及T舉例：

一臺測量雷電沖擊波的電阻分壓器，高壓臂電阻R1為2×104歐，對地總雜散電容Ce為50pF，求g（t）及T。

解：τ＝RCe/π2≈0.101μs

代入g(t)的計算式得實際計算g（t）時，k取到4就足夠了畫出g（t）的圖形如圖所示第五十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二電阻分壓器的方波響應(yīng)g（t）及T

響應(yīng)時間： 剖面部分為階躍響應(yīng)時間T T＝RCe/6＝0.167μs

響應(yīng)時間要求：

T≤0.2μs即可滿足測量1.2/50μs全波或波尾截斷波的要求

結(jié)論：這臺分壓器基本上符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第五十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二三、沖擊分壓器測量沖擊電壓的分壓器有電阻分壓器、電容分壓器、阻容分壓器等多種形式。第五十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二電阻分壓器電阻分壓器的高、低壓臂均為電阻。與穩(wěn)態(tài)測量用電阻分壓器相比，其電阻值小得多。電阻分壓器一般由若干電阻元件串聯(lián)而成。這些元件均有一定的固有電感，各元件之間還存在著縱向電容，各元件對地也有雜散電容。56第五十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二57第五十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二電容分壓器理想分壓比為(C1+C2)/C1分為兩種：串聯(lián)電容式、集中電容式測量電壓可達數(shù)MV。因為連接線的電感與電容器中的寄生電感與電容器之間發(fā)生振蕩，因此適用與持續(xù)時間比較長的操作沖擊波第五十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二阻容分壓器阻容分壓器（并聯(lián)阻容分壓器）阻尼電容分壓器（串聯(lián)阻容分壓器）并聯(lián)阻容分壓器容易引起高頻振蕩，因此發(fā)展了串聯(lián)式阻容分壓器，R1約為幾個，可阻尼雜散振蕩。首端引入匹配電阻Rd，與導(dǎo)線波阻抗相等，約300－400。如果在串聯(lián)阻容分壓器的基礎(chǔ)上，再加上高值的并聯(lián)電阻，即構(gòu)成“通用分壓器”。阻尼電阻Rd第五十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二四、分壓器低壓臂阻抗和信號的輸出匹配電阻：屏蔽：測量儀器的電源要通過濾波器和帶靜電屏蔽的隔離變壓器，傳輸電纜要采用雙層屏蔽電纜，外屏蔽層與屏蔽室相連，而內(nèi)屏蔽層與測量儀器的接地端連接。阻尼電阻第六十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二分壓比第六十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二測量方法總結(jié)工頻直流沖擊各種測量方法分別能夠測量哪種電壓？62第六十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二6.4沖擊電流的測量特點：持續(xù)時間短、變化快。用相應(yīng)時間來表示其特性。目前常用兩類測量系統(tǒng)：分流器測量系統(tǒng)；電流互感器（CT）測量系統(tǒng)第六十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二一分流器測量系統(tǒng)第六十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二Rs＋R1≈Z，Rs＋RK遠小于R1＋R2，R1≈R2

被測沖擊電流

測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間主要取決于分流器，分流器的響應(yīng)時間為

電阻R2上的電流為

電阻R2上的電壓為

因此分流比為

d-圓筒形電極的厚度-電阻率第六十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期二分流器分流器是將被測電流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)幅值電壓的一種裝置，它具有很大的電流容量，能夠耐受大電流產(chǎn)生的電動力，分流器的電阻應(yīng)該很小，其電阻溫度系數(shù)