第六章-高電壓大電流測(cè)量技術(shù)

1、2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,1,第六章 高電壓大電流測(cè)量技術(shù),高電壓的直接測(cè)量 高電壓、大電流的衰減測(cè)量 采用霍爾傳感器的高壓大電流測(cè)量 任意波形的測(cè)量,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,2,一.高電壓的直接測(cè)量,1. 球隙測(cè)量,球隙可用于交流、直流和沖擊電壓幅值的測(cè)量。 球隙擊穿電壓按照國(guó)際電工委員會(huì)的球隙放電電壓表來(lái)確定。球隙連接回路有兩種：對(duì)稱(chēng)回路和不對(duì)稱(chēng)回路。,空氣間隙的擊穿決定于施加電壓的幅值，所以測(cè)量火花間隙就能夠測(cè)量電壓的幅值。 任何形式的電極之間空氣間隙的長(zhǎng)度都可以用來(lái)量度引起間隙擊穿的電壓。,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué)

2、 電氣工程學(xué)院,3,在球隙對(duì)稱(chēng)連接的情況下，對(duì)于所有的電壓形式和極性，擊穿電壓都是一樣的 不對(duì)稱(chēng)連接時(shí)，極性效應(yīng)發(fā)揮作用，但只對(duì)沖擊電壓需要考慮，而直流電壓下，由于測(cè)量誤差大，擊穿電壓的分散性超過(guò)了極性效應(yīng)引起的差別，因此不考慮。,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,4,在測(cè)50Hz及直流電壓時(shí)，球隙要串接一個(gè)保護(hù)電阻R，以限制放電時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過(guò)電壓和短路電流，并防止球表面被電弧燒壞。電阻值為110歐/伏。 用球隙測(cè)量50Hz和直流電壓的缺點(diǎn)：不能在測(cè)試中對(duì)電壓的變化進(jìn)行觀(guān)察。并且在每次擊穿之后都必須切斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備。所以在這種情況下，球隙主要用來(lái)繪制高壓設(shè)備的校正曲線(xiàn)，以及在淋

3、雨實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量電壓。 擊穿電壓服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在幾次測(cè)量同一個(gè)電壓時(shí)，所得的結(jié)果有分散性。因?yàn)檫@個(gè)緣故，測(cè)量不應(yīng)少于三次，剔除偶然很大的偏差，取讀數(shù)的算術(shù)平均值作為被測(cè)值。,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,5,電極在電場(chǎng)力作用下移動(dòng)的儀表稱(chēng)為靜電儀表。由電工理論知道，處于電位差下的兩個(gè)電極相互作用的機(jī)械力一般由下式確定：,2. 高壓靜電電壓表,由上式可知，如果電容C可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算，力fx可以準(zhǔn)確地測(cè)量，則直流電壓或交流電壓的有效值就可以測(cè)量。 滿(mǎn)足上述前提條件的電壓表稱(chēng)為絕對(duì)型靜電電壓表。,fx:在方向上作用的力,C:電極間的電容,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué)

4、電氣工程學(xué)院,6,絕對(duì)型靜電電壓表,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,7,絕對(duì)型靜電電壓表是一種在電壓測(cè)量之前被平衡的天平。在接地平衡桿的端懸掛著平板電極（圓盤(pán)）2。由于靜電力fx的相互作用，這個(gè)圓盤(pán)被處于被測(cè)電壓U下的不動(dòng)圓盤(pán)所吸引。由于有保護(hù)環(huán)包圍著圓盤(pán)，從而消除了其周?chē)叺倪吘壭?yīng)，所以圓盤(pán)和之間的電場(chǎng)是嚴(yán)格均勻的，電極間的電容可按公式準(zhǔn)確計(jì)算。 用小砝碼使天平平衡，由此就確定了力fx。平衡位置由接點(diǎn)系統(tǒng)及小燈泡和來(lái)監(jiān)視。絕對(duì)型靜電電壓表用來(lái)測(cè)量300400kV的電壓，為了減小尺寸，通常把它們放在高氣壓的容器里。電壓表的測(cè)量誤差為0.010.4%。,2020/9/4,

5、電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,8,3. 高壓電子示波器,電子示波器是研究高壓回路中穩(wěn)定和過(guò)渡過(guò)程時(shí)不可缺少的儀器。當(dāng)研究過(guò)電壓和游離現(xiàn)象、在沖擊試驗(yàn)時(shí)，都廣泛使用了電子示波器。采用周期性的激勵(lì)，就可以在這種示波器的熒光屏上得到所研究的靜止的掃描波形。 沖擊電壓的示波是相當(dāng)復(fù)雜的一項(xiàng)工作，因?yàn)檫@時(shí)必須保證在電子射線(xiàn)沿示波器屏單次和非常快的移動(dòng)時(shí)把過(guò)程記錄下來(lái)，并且必須使示波器的所有單元與被研究的現(xiàn)象同步動(dòng)作。,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,9,示波器的方框圖,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,10,二、高電壓、大電流的衰減測(cè)量,采用電阻、電感、電

6、容的高電壓衰減測(cè)量方法 采用采樣電阻（分流器）的大電流衰減測(cè)量方法 采用交流互感器的電壓、電流衰減測(cè)量方法 采用LEM傳感器的衰減測(cè)量方法,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,11,1. 采用電阻、電感、電容的電壓衰減測(cè)量方案,電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)點(diǎn)：可以不失真地測(cè)量電壓 缺點(diǎn)：分壓網(wǎng)絡(luò)存在功耗 電感分壓網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)不同的頻率具有選擇作用、功耗較小 缺點(diǎn)：波形失真幅值、相位 電容分壓網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)不同的頻率具有選擇作用、功耗較小 缺點(diǎn)：波形失真幅值、相位,測(cè)量電路無(wú)法與被測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,12,2. 采用采樣電阻（分流器）

7、的大電流衰減方法,優(yōu)點(diǎn)：可以不失真地測(cè)量電流 需要解決的問(wèn)題： 采樣電阻的溫度系數(shù)要小、且穩(wěn)定 采樣基準(zhǔn)電位的選擇 分流器的參數(shù)選擇25100mV輸出 缺點(diǎn)：測(cè)量電路無(wú)法與被測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,13,分流器,即電流比率儀器，有時(shí)也指電流電壓轉(zhuǎn)換器。 實(shí)際上是一個(gè)阻值已知的電阻，串聯(lián)在待測(cè)電流的回路中，將電流轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電壓信號(hào)。 主要參數(shù)是電阻值，通常也以額定電流及輸出電壓表示，例如：1000A/75mV,shunt,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,14,電阻分壓、分流方案在功率測(cè)量中的應(yīng)用 電能表（瓦特表）的原理

8、,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,15,3. 采用交流互感器的電壓、電流衰減方法, 電流互感器CT 用途：工業(yè)用電領(lǐng)域交流大電流的測(cè)量，例如 400A : 5A 特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度較高 結(jié)構(gòu)：與普通變壓器相似，原副邊兩組繞組，但原邊匝數(shù)很少且串聯(lián)在回路中,在理想情況下，如果忽略激磁電流，則原副繞組的磁通勢(shì)是平衡的，即： I1W1=I2W2 所以根據(jù)副邊電路儀表的讀便可以確定原邊電流,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,16,擴(kuò)大儀表量程 隔離 測(cè)量?jī)x表與被測(cè)電路沒(méi)有電的直接聯(lián)系，保證人員安全,在現(xiàn)代磁性材料和工藝條件下，可以制作誤差不超過(guò)10-4的電

9、流互感器,交流電流互感器的作用,副繞組一端必須接地，以防止原、副邊之間擊穿而引起事故 在使用時(shí)決不允許副邊開(kāi)路，否則副邊電流為零而失去“去磁”作用，導(dǎo)致鐵心中的激勵(lì)磁通很大，在副繞組兩端感應(yīng)出危及人生安全的高電壓,注意事項(xiàng),2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,17,電流互感器的外觀(guān),2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,18, 電壓互感器PT,原理：變壓器的原理，例如：10kV100V 使用注意事項(xiàng): 副邊繞組不允許短路,電流、電壓互感器只適用于特定頻率的電流、電壓測(cè)量,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,19,2020/9/4,電子測(cè)量北京

10、交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,20,三. 采用LEM傳感器的測(cè)量方案 任意波形的高壓大電流測(cè)量,霍爾效應(yīng) 如圖所示，在一個(gè)N型半導(dǎo)體薄片（霍爾元件）相對(duì)兩側(cè)面通以控制電流I，在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)B，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I 和磁場(chǎng)B乘積成正比的電勢(shì)UH。即,這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，UH稱(chēng)為做霍爾電勢(shì)，KH 稱(chēng)為靈敏度系數(shù)。,當(dāng)I 一定時(shí)，UH正比于B。,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,21,1. 開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的原理,被測(cè)電流經(jīng)由原邊線(xiàn)圈及聚磁環(huán)而產(chǎn)生磁場(chǎng)B 霍爾元件通過(guò)恒定的已知電流IC 由B和IC產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH 當(dāng)B正比于被測(cè)電流IP時(shí)， UH將正

11、比于被測(cè)電流IP 對(duì)于電壓傳感器，需要先將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為電流,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,22,開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的局限性,幾個(gè)問(wèn)題 磁路會(huì)不會(huì)飽和？ 測(cè)量范圍問(wèn)題 磁路是否線(xiàn)性？ 線(xiàn)性度問(wèn)題 恒流源的精度如何？能否實(shí)現(xiàn)？ 精度問(wèn)題 外界因素有無(wú)影響？能否消除？ 溫度、外磁場(chǎng)影響,結(jié)論：該測(cè)量方案存在一定的局限性,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,23,一、結(jié)構(gòu)組成 1原邊線(xiàn)圈 次邊線(xiàn)圈 2聚磁環(huán) 3霍爾元件 4恒流源 5電壓放大器 PI調(diào)節(jié)器 6推挽輸出級(jí),2. 閉環(huán)式霍爾電流傳感器的原理,改動(dòng)不大呀！ 怎么能解決前面所說(shuō)的所有的技術(shù)難點(diǎn)呢？,

12、2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,24,電路結(jié)構(gòu),2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,25,二、工作原理,霍爾器件的輸出電壓,考慮次邊電流的負(fù)反饋控制后，工作流程可表示為,如果次邊電流是獨(dú)立的，就不能解決任何問(wèn)題 ！ 那么，次邊電流是如何控制的呢？,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,26,二、工作原理（續(xù)）,上述控制流程也可以用控制框圖表示,這是一個(gè)帶有PI調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋系統(tǒng) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最后結(jié)果是PI調(diào)節(jié)器的輸入等于0，也就是霍爾元件的輸出電壓等于0,所以，,測(cè)量采樣電阻RM兩端的電壓UO 可求出IS，再求IP,問(wèn)題解決了！,2020/

13、9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,27,三、幾點(diǎn)分析,被測(cè)電流所在的系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有電路的直接連接 電氣上隔離 PI調(diào)節(jié)完成時(shí)，磁路中的磁通很?。ń茷?），所以即使磁路的尺寸很小也不易飽和 磁平衡式電流傳感器 一般能保證工作在磁路的線(xiàn)性區(qū) 即使磁路非線(xiàn)性，其影響也不大 原邊線(xiàn)圈、次邊線(xiàn)圈都經(jīng)過(guò)相同的磁路，因而溫度、磁路的變化的影響能夠相互抵消 抗非測(cè)量因素影響能力強(qiáng) 恒流源的輸出電流對(duì)原、副邊的影響是相同的，因此對(duì)該電流源的精度要求不高 抗非測(cè)量因素影響能力強(qiáng),這個(gè)傳感器方案太好啦！,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,28,四、特點(diǎn),原、副邊電氣隔離 線(xiàn)性好、

14、精度高 動(dòng)態(tài)性能好，可測(cè)任意波形的電流（DC幾 kHz） 穩(wěn)態(tài)時(shí)，磁通=0，因而不會(huì)發(fā)生磁路飽和 體積小，價(jià)格較低 外界因素對(duì)其性能的影響很小,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,29,五、 霍爾式電壓傳感器的工作原理,基本思路：把待測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為待測(cè)電流，然后采用霍爾電流傳感器的方法測(cè)出該電流，換算出電壓。,理解了霍爾電流電流傳感器的原理，霍爾電壓傳感器的原理就很好理解了。,如何轉(zhuǎn)換呢？,用電阻！,問(wèn)題是不是解決了？ 是不是不用研制霍爾電壓傳感器，直接用霍爾電流傳感器代替就可以了？,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,30,霍爾電壓傳感器特殊點(diǎn),簡(jiǎn)單地用霍爾

15、電流傳感器測(cè)電壓的方案行不通 因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅魇菫榱藴y(cè)量很大的電流而設(shè)計(jì)的，因此它的原邊線(xiàn)圈匝數(shù)很小，甚至是單匝線(xiàn)圈；要是直接用霍爾電流傳感器測(cè)電壓，勢(shì)必也要在原邊產(chǎn)生很大的電流才行。 這顯然是不經(jīng)濟(jì)的，功耗太大 必須設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的霍爾電壓傳感器 在設(shè)計(jì)霍爾電壓傳感器時(shí)，希望原邊只輸入很小的電流。為保持很高的靈敏度系數(shù)，采用增加原邊線(xiàn)圈匝數(shù)的辦法。 特點(diǎn)：時(shí)間延遲比較大，幾十100微秒,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,31,六、霍爾傳感器的選用,電流傳感器外觀(guān)（舉例）,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,32,六、霍爾傳感器的選用（續(xù)）,電壓傳感器外觀(guān)（舉例）,2020/9/4,電子測(cè)量北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,33,電流傳感器主要參數(shù)及典型應(yīng)用電路（以L(fǎng)A25為例） 原邊最大電流：25A rms 變比：n:1000，n=1,2,3