第12講 高電壓和大電流的測量

1、高電壓工程系高電壓工程系 第第6 6章章 高電壓和大電流的測量高電壓和大電流的測量高電壓、大電流測量的特點(diǎn)：高電壓、大電流測量的特點(diǎn)：u被測電壓高，需專門的高壓到低壓被測電壓高，需專門的高壓到低壓轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換裝置u信號傳輸過程的信號傳輸過程的畸變畸變u信號變化快，要求測量系統(tǒng)的信號變化快，要求測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性好好u要充分考慮要充分考慮寄生參數(shù)寄生參數(shù)的影響的影響u不確定不確定度高，度高，3u測量系統(tǒng)內(nèi)部可能放電，測量系統(tǒng)內(nèi)部可能放電，電磁干擾電磁干擾復(fù)雜復(fù)雜6.6.1 1 交流高壓的測量交流高壓的測量轉(zhuǎn)換測量法n電力系統(tǒng)中，常用（電力系統(tǒng)中，常用（PT低壓測量儀表）監(jiān)視運(yùn)行電壓。低壓

2、測量儀表）監(jiān)視運(yùn)行電壓。n在高壓實(shí)驗(yàn)室中，試驗(yàn)用電壓很高，電網(wǎng)用的PT不再適用。定制PT造價(jià)高，且體積、重量也大，所以一般不用。試驗(yàn)室高壓測量的常用方法：試驗(yàn)室高壓測量的常用方法：直接測量法球隙法球隙法靜電電壓表靜電電壓表電壓互感器電壓互感器(PT)分壓器（電容式、電阻式）分壓器（電容式、電阻式）6.6.1 1.1 .1 球隙法球隙法由一對直徑相同的金屬球構(gòu)成，測量誤差約23 球隙構(gòu)成球隙法測量球隙法測量 稍不均勻電場中，氣體擊穿電壓與間隙距離有稍不均勻電場中，氣體擊穿電壓與間隙距離有穩(wěn)定的關(guān)系。穩(wěn)定的關(guān)系。：取10次的平均值，并保證標(biāo)準(zhǔn)偏差1%平均值。最后再進(jìn)行大氣環(huán)境的修正。球隙放電電壓是

3、被測電壓的峰值球隙放電電壓是被測電壓的峰值標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓u通過多年研究，已經(jīng)制訂了標(biāo)準(zhǔn)球通過多年研究，已經(jīng)制訂了標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓表格。隙放電電壓表格。u一定的球直徑和球隙距離有一對應(yīng)一定的球直徑和球隙距離有一對應(yīng)的放電電壓。的放電電壓。5 . 0 球直徑球隙距離使用要求：球隙的優(yōu)點(diǎn)球隙的優(yōu)點(diǎn) 擊穿時(shí)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(jìn)行校正。 用球隙測量工頻電壓時(shí)，應(yīng)取連續(xù)三次放電電壓用球隙測量工頻電壓時(shí)，應(yīng)取連續(xù)三次放電電壓的平均值，相鄰兩次放電的時(shí)間間隔一般不小于的平均值，相鄰兩

4、次放電的時(shí)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)大于擊穿電壓與平均值之間的偏差不應(yīng)大于3。球隙的另一個(gè)主要用途球隙的另一個(gè)主要用途u保護(hù)保護(hù) 將將球隙距離加大到試驗(yàn)電壓球隙距離加大到試驗(yàn)電壓的的1.1-1.151.1-1.15倍對應(yīng)的距離。倍對應(yīng)的距離。球隙的布置球隙的布置A放電點(diǎn)與大地之間的距離B放電點(diǎn)與周圍物體之間的距離圖中A、B值u測量方法：u固定球距u固定電壓u校正曲線：10使用球隙法應(yīng)注意：使用球隙法應(yīng)注意：u 周圍物體的影響周圍物體的影響u 照射照射 規(guī)定：當(dāng)被測電壓規(guī)定：當(dāng)被測電壓5050

5、kVkV時(shí)或者時(shí)或者D12.5cmD12.5cm時(shí)，均須時(shí)，均須射線或紫外線照射。射線或紫外線照射。u 保護(hù)電阻保護(hù)電阻 保護(hù)電阻一般取保護(hù)電阻一般取100100k k 1 1M M u 球表面要光滑球表面要光滑，表面曲率半徑足夠大。其表，表面曲率半徑足夠大。其表面要潔凈，無灰塵。面要潔凈，無灰塵。測量球隙6.6.1 1.2 .2 靜電電壓表靜電電壓表14lACFklAFlUUlAdlCUddldWF00220222)21(測量原理測量原理：靜電引力。靜電電壓表測量方法靜電電壓表測量方法特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 由于電容很小，一般為550pF，電極間靠大氣絕緣，因此吸收功率很小。2.2. 可用于直流、

6、工頻可用于直流、工頻，用于高頻時(shí)，需考慮功率吸收。3. 刻度非線性。靜電電壓表靜電電壓表u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。17186.6.1 1. .3 3 電容分壓器電容分壓器21211UCCCU高阻抗電壓表CR1 必須滿足條件u分壓比：N分壓器上所加總電壓與低壓臂輸出電壓之比。20121NCCC只要C1C2，那么U2U1，僅有小部分電壓降在C2上，就可以實(shí)現(xiàn)用低壓儀器測量高壓的目的。u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(diǎn)而變化，或者變化很小以滿足規(guī)定的測量準(zhǔn)

7、確度的要求。21高阻抗電阻式分壓器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。兩種分壓器都需考慮消除高壓端的電暈。1RV1R1R1R1r2r3r1nrnr2Rr：屏蔽用分壓電阻R1：分壓器高壓臂電阻R2：分壓器低壓臂電阻22211URRRU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高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器1.高壓電極2.低壓電極3.保護(hù)電極4.絕緣筒5.低壓引線6.底座電極7.高壓屏蔽罩6.6.1 1. .4 4 峰值測量峰值測量半橋整流：全橋整流：fCIUpinm12fCIUpinm14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；半

8、波平均電流回路公式推導(dǎo)半波平均電流回路公式推導(dǎo)fCIUUTCdTCdtCTdtiTIpinmUUmmTTpinm1112012022u dtdu 1 1所以，二、通過測量整流后的電壓確定峰值二、通過測量整流后的電壓確定峰值6.6.2 2 直流高壓的測量直流高壓的測量 注意：直流中含脈動(dòng)分量U，脈動(dòng)系數(shù)S3%。 U=(Umax-Umin)/2 測量儀器：u標(biāo)準(zhǔn)“棒棒”間隙u靜電電壓表u高阻分壓器u旋轉(zhuǎn)電位計(jì)(已很少使用)6.6.2 2. .1 1 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)“棒棒棒棒”間隙間隙棒棒類似于球間隙。球間隙的問題： 測量直流高壓時(shí)，球隙放電測量直流高壓時(shí)，球隙放電的分散性較大，其不確定度的分散性較大，其

9、不確定度超過了超過了3，達(dá)到，達(dá)到5。用棒棒間隙取代球間隙測量直流高壓。(kV) 534. 02dUb6.6.2 2. .2 2 靜電電壓表靜電電壓表表示的是瞬時(shí)值的平方的平均值，因此在直流紋波較大時(shí)，讀數(shù)不是平均值。222UUUaVu當(dāng)紋波較小時(shí)，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(shí)（實(shí)際上符合規(guī)定的試驗(yàn)用高壓的紋波系數(shù)應(yīng)不大于3%），可認(rèn)為有效值和平均值相等，即認(rèn)為靜電電壓表所測得的值即為直流電壓的平均值。30316.6.2 2. .3 3 高阻分壓器高阻分壓器u電阻分壓器的高壓臂R1實(shí)際上是高阻值的電阻，一般按12M/kV配置。因?yàn)閱蝹€(gè)電阻的耐受電壓能力和電阻值有

10、限，這個(gè)高壓臂電阻由許多阻值較小的電阻元件串聯(lián)組成。32由于測量直流高壓時(shí)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 6.6.2 2. .4 4 直流高壓紋波的測量直流高壓紋波的測量紋波分量的計(jì)算rrUfCRjfCRjfCjRRUU21221如果 12fCR則rUU 紋波的測量紋波的測量6.6.3 3 沖擊高壓的測量沖擊高壓的測量u沖擊電壓的特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)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(shí)間 10%。 對于雷電沖擊截波,如果截?cái)鄷r(shí)間在0.52 s,那么允許幅值測量的不確定度為5%；6.6.3

11、3.1 .1 球隙法球隙法 標(biāo)準(zhǔn)球隙測量沖擊電壓的峰值； 測量沖擊電壓時(shí)，與球隙串聯(lián)的電阻500 ，寄生電感30 H，避免在保護(hù)電阻上產(chǎn)避免在保護(hù)電阻上產(chǎn)生大的壓降。生大的壓降。37u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。u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46次使球隙放電。此時(shí)根據(jù)球隙距離查表并對大氣條件進(jìn)行換算后所得到的電壓值就是50%放電電壓值。38u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(shí)，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

12、量為預(yù)計(jì)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截波的概念截波的概念( (補(bǔ)充知識(shí)補(bǔ)充知識(shí)) )6.3.2 6.3.2 沖擊峰值電壓表沖擊峰值電壓表41圖6-9 測量峰值電壓的整流回路6.6.3 3. .3 3 沖擊分壓器測量系統(tǒng)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(shí)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二、測量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測量誤差二、測量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測量誤差誤差原因誤差原因：由于存在對地雜散電容、線路由于存在對地雜散電容、線路電感電感, ,在測量沖擊電壓時(shí)存在在測量沖擊電壓時(shí)存在峰值測量誤差和波形形狀變化峰值測

13、量誤差和波形形狀變化的問題。的問題。測量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測量誤差測量系統(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)波響應(yīng)作為衡量系統(tǒng)性能的依據(jù)tU0單位方波響應(yīng)單位方波響應(yīng)45g(t)u單位方波與g(t)之間所夾的全部面積對應(yīng)的時(shí)間為測量系統(tǒng)的“響應(yīng)時(shí)間”，以T表示。T越小，分壓器的響應(yīng)特性越好。460)(1dgT測量系統(tǒng)的測量誤差計(jì)算測量系統(tǒng)的測量誤差計(jì)算設(shè)系統(tǒng)輸入電壓為設(shè)系統(tǒng)輸入電壓為U Ua a(t),(t),方波響應(yīng)為方波響應(yīng)為U U* *b b(t)(t)，由，由DuhamelDuhamel積分可得輸出電壓積分可得輸出電壓

14、dgtUNdUtUtUtabtab0/*0/)()(1 )()()(t0bad )g( N1(t)U t (t) U t時(shí)即當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)的斜角波的誤差作為衡通常用求輸入為系統(tǒng)的測量誤差系統(tǒng)的測量誤差48t0t0b)dg( )dg(a(t)NU-ataatu以斜角波為例評價(jià)分壓器的性能評價(jià)分壓器的性能用響應(yīng)時(shí)間用響應(yīng)時(shí)間T來衡量來衡量越大，相對誤差越大可見，TdgT0)(1 54321TTTTTT例如：例如：有時(shí)為了補(bǔ)償分壓器有時(shí)為了補(bǔ)償分壓器的對地電容的對地電容CeCe，在分，在分壓器的高壓端安裝一壓器的高壓端安裝一個(gè)園傘形屏蔽環(huán)。然個(gè)園傘形屏蔽環(huán)。然而由于此屏蔽環(huán)的存而由于此屏蔽環(huán)的存在，也增加

15、了高壓端在，也增加了高壓端的對地電容的對地電容CeCe，它會(huì)，它會(huì)與高壓引線的電感形與高壓引線的電感形成振蕩。即使在導(dǎo)線成振蕩。即使在導(dǎo)線首端加上阻尼電阻，首端加上阻尼電阻，振蕩仍難以避免。振蕩仍難以避免。此時(shí)測量系統(tǒng)的振蕩此時(shí)測量系統(tǒng)的振蕩型階躍響應(yīng)型階躍響應(yīng)g g（t t）如）如圖所示。圖所示。振蕩型階躍響應(yīng) 帶屏蔽環(huán)的電阻分壓器單位方波響應(yīng)單位方波響應(yīng)eRCtkkkketg221) 1(21)(張仁豫、陳昌漁等，高電壓實(shí)驗(yàn)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(xiàn)具體推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)電阻分壓器的方波響應(yīng)g（t）及T舉例：舉例：一臺(tái)測量雷電沖擊波

16、的電阻分壓器，高壓臂電阻一臺(tái)測量雷電沖擊波的電阻分壓器，高壓臂電阻R R1 1為為2 210104 4歐，對地總雜散電容歐，對地總雜散電容CeCe為為50pF50pF，求，求g g（t t）及）及T T。解：解： RCe/RCe/2 20.101s0.101s代入代入g(t)g(t)的計(jì)算式得的計(jì)算式得)101. 0/exp() 1(21)(21tktgkkk實(shí)際計(jì)算實(shí)際計(jì)算g g（t t）時(shí)，）時(shí)，k k取取到到4 4就足夠了就足夠了畫出畫出g g（t t）的圖形如圖）的圖形如圖所示所示電阻分壓器的方波響應(yīng)g（t）及T響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：剖面部分為階躍響應(yīng)時(shí)間剖面部分為階躍響應(yīng)時(shí)間T TT

17、TRCe/6RCe/60.167s0.167s響應(yīng)時(shí)間要求：響應(yīng)時(shí)間要求：T0.2sT0.2s即可滿足測量即可滿足測量1.2/50s1.2/50s全波或波尾截?cái)嗳ɑ虿ㄎ步財(cái)嗖ǖ囊蟛ǖ囊蠼Y(jié)論：結(jié)論：這臺(tái)分壓器基本上這臺(tái)分壓器基本上符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 三、三、 沖擊分壓器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。電阻分壓器電阻分壓器u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。5657電容分壓器電容分壓

18、器u理想分壓比為(C1+C2)/C1u分為兩種： 串聯(lián)電容式、集中電容式u測量電壓可達(dá)數(shù)MV。u因?yàn)檫B接線的電感與電容因?yàn)檫B接線的電感與電容器中的寄生電感與電容器器中的寄生電感與電容器之間發(fā)生振蕩，因此適用之間發(fā)生振蕩，因此適用與持續(xù)時(shí)間比較長的操作與持續(xù)時(shí)間比較長的操作沖擊波沖擊波C1C2u1u1u2u2阻容分壓器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(gè) ，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300400 。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

19、用分壓器”。阻尼電阻Rd四、分壓器低壓臂阻抗和信號的輸出四、分壓器低壓臂阻抗和信號的輸出匹配電阻：ZZRRR電纜波阻抗為電纜的電阻為,R ,k324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 。阻尼電阻分壓比分壓比42214321434322143214324321)()(K )()()( )/()/()(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRKdkdkkdkdkkd，因此由于測量方法總結(jié)測量方法總結(jié)u工頻u直流u沖擊u各種測量方法分別能夠測量哪種電壓？626.

20、6.4 4 沖擊電流的測量沖擊電流的測量特點(diǎn)：特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短、變化快。用相應(yīng)時(shí)間來表示其特性。目前常用兩類測量系統(tǒng)：u分流器測量系統(tǒng)；u電流互感器（CT）測量系統(tǒng)dtTU(t)-1 0一一 分流器測量系統(tǒng)分流器測量系統(tǒng)RsR1Z，RsRK遠(yuǎn)小于R1R2，R1R2 imUI被測沖擊電流 測量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間主要取決于分流器，分流器的響應(yīng)時(shí)間為 620106dT電阻R2上的電流為 212RRRRRiikssR電阻R2上的電壓為 222RiURR因此分流比為 ssKsRiRRRRRRRUim22212d-圓筒形電極的厚度-電阻率分流器分流器 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，1)它具有很大的電流容量，2)能夠耐受大電流產(chǎn)生的電動(dòng)力，3)分流器的電阻應(yīng)該很小，其電阻溫度系數(shù)也要非常小，電阻材料采用錳銅、鎳銅等非磁性材料。4)分流器的電感值要遠(yuǎn)小于電阻值 .絞線式折帶式同軸園管式電阻管式電流互感器電流互感