高電壓和大電流的測(cè)量

高電壓和大電流的測(cè)量1第一頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第6章高電壓和大電流的測(cè)量高電壓、大電流測(cè)量的特點(diǎn)：被測(cè)電壓高，需專(zhuān)門(mén)的高壓到低壓轉(zhuǎn)換裝置信號(hào)傳輸過(guò)程的畸變信號(hào)變化快，要求測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部可能放電，電磁干擾復(fù)雜第二頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1交流高壓的測(cè)量轉(zhuǎn)換測(cè)量法電力系統(tǒng)中，常用（PT＋低壓測(cè)量?jī)x表）監(jiān)視運(yùn)行電壓。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(cè)量的常用方法：直接測(cè)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(jì)算法（高壓電容器配合整流回路）第三頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1.1球隙法由一對(duì)直徑相同的金屬球構(gòu)成，測(cè)量誤差約2％～3％球隙構(gòu)成第四頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二球隙法測(cè)量依據(jù)稍不均勻電場(chǎng)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(jìn)行大氣環(huán)境的修正。球隙放電電壓是被測(cè)電壓的峰值第五頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二標(biāo)準(zhǔn)球隙放電電壓通過(guò)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(duì)應(yīng)的放電電壓。第六頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二球隙的優(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(cè)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(duì)濕度進(jìn)行校正。用球隙測(cè)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二球隙的另一個(gè)主要用途保護(hù)

將球隙距離加大到試驗(yàn)電壓的1.1-1.15倍對(duì)應(yīng)的距離。第八頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二球隙的布置A—放電點(diǎn)與大地之間的距離B—放電點(diǎn)與周?chē)矬w之間的距離圖中A、B值第九頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量方法：固定球距固定電壓校正曲線：10第十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二使用球隙法應(yīng)注意：周?chē)矬w的影響照射規(guī)定：當(dāng)被測(cè)電壓<50kV時(shí)或者D<12.5cm時(shí)，均須γ射線或紫外線照射。保護(hù)電阻保護(hù)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(wú)灰塵。第十一頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量球隙第十二頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1.2靜電電壓表第十三頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量原理：靜電引力。14第十四頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二靜電電壓表測(cè)量方法特點(diǎn)：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(shí)，需考慮功率吸收。刻度非線性。第十五頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二靜電電壓表第十六頁(yè)，共七十頁(yè)，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(chǎng)，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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1.3電容分壓器18第十八頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二高阻抗電壓表第十九頁(yè)，共七十頁(yè)，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(shí)現(xiàn)用低壓儀器測(cè)量高壓的目的。20第二十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)于分壓器，要求它的分壓比N是常數(shù)，即不應(yīng)隨被測(cè)波形、頻率、電壓大小、周?chē)髿鈼l件和安裝地點(diǎn)而變化，或者變化很小以滿足規(guī)定的測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。21第二十一頁(yè)，共七十頁(yè)，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(cè)量電壓范圍受到限制第二十二頁(yè)，共七十頁(yè)，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(hù)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.1.4峰值測(cè)量半橋整流：全橋整流：要求：電容C1、電流Ipin和頻率f測(cè)量準(zhǔn)確，頻率不發(fā)生變化；第二十四頁(yè)，共七十頁(yè)，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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、通過(guò)測(cè)量整流后的電壓確定峰值第二十六頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2直流高壓的測(cè)量

注意：直流中含脈動(dòng)分量U，脈動(dòng)系數(shù)S<3%。

U=(Umax-Umin)/2

測(cè)量?jī)x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(jì)(已很少使用)第二十七頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2.1標(biāo)準(zhǔn)“棒－棒”間隙棒－棒類(lèi)似于球間隙。球間隙的問(wèn)題：

測(cè)量直流高壓時(shí)，球隙放電的分散性較大，其不確定度超過(guò)了±3％，達(dá)到±5％。用棒－棒間隙取代球間隙測(cè)量直流高壓。第二十八頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2.2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。第二十九頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(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(cè)得的值即為直流電壓的平均值。30第三十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2.3高阻分壓器31第三十一頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二電阻分壓器的高壓臂R1實(shí)際上是高阻值的電阻，一般按1～2M/kV配置。因?yàn)閱蝹€(gè)電阻的耐受電壓能力和電阻值有限，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第三十二頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二由于測(cè)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

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

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

國(guó)標(biāo)規(guī)定，沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)的不確定度為：幅值<3%；波形時(shí)間±10%。對(duì)于雷電沖擊截波,如果截?cái)鄷r(shí)間在0.5~2s,那么允許幅值測(cè)量的不確定度為<5%；第三十六頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3.1球隙法標(biāo)準(zhǔn)球隙測(cè)量沖擊電壓的峰值；測(cè)量沖擊電壓時(shí)，與球隙串聯(lián)的電阻<500，寄生電感<30H，避免在保護(hù)電阻上產(chǎn)生大的壓降。37第三十七頁(yè)，共七十頁(yè)，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(duì)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(shí)根據(jù)球隙距離查表并對(duì)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。38第三十八頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二用多級(jí)法確定U50％，可以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。采用多級(jí)法測(cè)量時(shí)，固定球隙距離，逐級(jí)調(diào)整加在球隙上的沖擊電壓。通常由小往大調(diào)整，每級(jí)的調(diào)整量為預(yù)計(jì)的U50％的1%。每級(jí)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二截波的概念(補(bǔ)充知識(shí))第四十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3.2沖擊峰值電壓表圖6-9測(cè)量峰值電壓的整流回路41第四十一頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3.3沖擊分壓器測(cè)量系統(tǒng)一、沖擊分壓器測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成組成測(cè)量回路一般需要同時(shí)測(cè)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、測(cè)量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測(cè)量誤差誤差原因：由于存在對(duì)地雜散電容、線路電感,在測(cè)量沖擊電壓時(shí)存在峰值測(cè)量誤差和波形形狀變化的問(wèn)題。第四十三頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量系統(tǒng)的方波響應(yīng)和測(cè)量誤差在高壓測(cè)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二單位方波響應(yīng)g(t)45第四十五頁(yè)，共七十頁(yè)，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(duì)應(yīng)的時(shí)間為測(cè)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。46第四十六頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差計(jì)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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二系統(tǒng)的測(cè)量誤差48第四十八頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二評(píng)價(jià)分壓器的性能用響應(yīng)時(shí)間T來(lái)衡量第四十九頁(yè)，共七十頁(yè)，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(shí)間為第五十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二例如：

有時(shí)為了補(bǔ)償分壓器的對(duì)地電容Ce，在分壓器的高壓端安裝一個(gè)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(duì)地電容Ce，它會(huì)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(shí)測(cè)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(yè)，共七十頁(yè)，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(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(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)第五十二頁(yè)，共七十頁(yè)，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(tái)測(cè)量雷電沖擊波的電阻分壓器，高壓臂電阻R1為2×104歐，對(duì)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(jì)算式得實(shí)際計(jì)算g（t）時(shí)，k取到4就足夠了畫(huà)出g（t）的圖形如圖所示第五十三頁(yè)，共七十頁(yè)，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(shí)間： 剖面部分為階躍響應(yīng)時(shí)間T T＝RCe/6＝0.167μs

響應(yīng)時(shí)間要求：

T≤0.2μs即可滿足測(cè)量1.2/50μs全波或波尾截?cái)嗖ǖ囊?/p>

結(jié)論：這臺(tái)分壓器基本上符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第五十四頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、沖擊分壓器測(cè)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(yè)，共七十頁(yè)，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(cè)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(duì)地也有雜散電容。56第五十六頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二57第五十七頁(yè)，共七十頁(yè)，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(cè)量電壓可達(dá)數(shù)MV。因?yàn)檫B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(shí)間比較長(zhǎng)的操作沖擊波第五十八頁(yè)，共七十頁(yè)，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(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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、分壓器低壓臂阻抗和信號(hào)的輸出匹配電阻：屏蔽：測(cè)量?jī)x器的電源要通過(guò)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(cè)量?jī)x器的接地端連接。阻尼電阻第六十頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二分壓比第六十一頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量方法總結(jié)工頻直流沖擊各種測(cè)量方法分別能夠測(cè)量哪種電壓？62第六十二頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.4沖擊電流的測(cè)量特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短、變化快。用相應(yīng)時(shí)間來(lái)表示其特性。目前常用兩類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)：分流器測(cè)量系統(tǒng)；電流互感器（CT）測(cè)量系統(tǒng)第六十三頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二一分流器測(cè)量系統(tǒng)第六十四頁(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二Rs＋R1≈Z，Rs＋RK遠(yuǎn)小于R1＋R2，R1≈R2

被測(cè)沖擊電流

測(cè)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

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(yè)，共七十頁(yè)，編輯于2023年，星期二分流器分流器是將被測(cè)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(dòng)力，分流器的電阻應(yīng)該很小，其電阻溫度系數(shù)