第12讲 高电压和大电流测量

1、高电压工程系高电压工程系 第第6 6章章 高电压和大电流的测量高电压和大电流的测量高电压、大电流测量的特点：高电压、大电流测量的特点：u被测电压高，需专门的高压到低压被测电压高，需专门的高压到低压转换装置转换装置u信号传输过程的信号传输过程的畸变畸变u信号变化快，要求测量系统的信号变化快，要求测量系统的动态特性动态特性好好u要充分考虑要充分考虑寄生参数寄生参数的影响的影响u不确定不确定度高，度高，3u测量系统内部可能放电，测量系统内部可能放电，电磁干扰电磁干扰复杂复杂6.1 6.1 交流高压的测量交流高压的测量转换测量法n电力系统中，常用（电力系统中，常用（PT低压测量仪表）监视运行电压。低压

2、测量仪表）监视运行电压。n在高压实验室中，试验用电压很高，电网用的PT不再适用。定制PT造价高，且体积、重量也大，所以一般不用。试验室高压测量的常用方法：试验室高压测量的常用方法：直接测量法球隙法球隙法静电电压表静电电压表电压互感器电压互感器(PT)分压器（电容式、电阻式）分压器（电容式、电阻式）6.1.1 6.1.1 球隙法球隙法由一对直径相同的金属球构成，测量误差约23 球隙构成球隙法测量球隙法测量 稍不均匀电场中，气体击穿电压与间隙距离有稍不均匀电场中，气体击穿电压与间隙距离有稳定的关系。稳定的关系。：取10次的平均值，并保证标准偏差1%平均值。最后再进行大气环境的修正。球隙放电电压是被

3、测电压的峰值球隙放电电压是被测电压的峰值标准球隙放电电压标准球隙放电电压u通过多年研究，已经制订了标准球通过多年研究，已经制订了标准球隙放电电压表格。隙放电电压表格。u一定的球直径和球隙距离有一对应一定的球直径和球隙距离有一对应的放电电压。的放电电压。5 . 0 球直径球隙距离使用要求：球隙的优点球隙的优点 击穿时延小，具有比较稳定的放电电压值和 较高的测量精度 ;50%冲击放电电压与静态（交流或直流）放 电电压的幅值几乎相等。 不必对湿度进行校正。 用球隙测量工频电压时，应取连续三次放电电压用球隙测量工频电压时，应取连续三次放电电压的平均值，相邻两次放电的时间间隔一般不小于的平均值，相邻两次

4、放电的时间间隔一般不小于30秒，以便在每次放电后让气隙充分电离，各次秒，以便在每次放电后让气隙充分电离，各次击穿电压与平均值之间的偏差不应大于击穿电压与平均值之间的偏差不应大于3。球隙的另一个主要用途球隙的另一个主要用途u保护保护 将将球隙距离加大到试验电压球隙距离加大到试验电压的的1.1-1.151.1-1.15倍对应的距离。倍对应的距离。球隙的布置球隙的布置A放电点与大地之间的距离B放电点与周围物体之间的距离图中A、B值u测量方法：u固定球距u固定电压u校正曲线：10使用球隙法应注意：使用球隙法应注意：u周围物体的影响周围物体的影响u照射照射 规定：当被测电压规定：当被测电压5050kVk

5、V时或者时或者D12.5cmD12.5cm时，均须时，均须射线或紫外线照射。射线或紫外线照射。u保护电阻保护电阻 保护电阻一般取保护电阻一般取100100k k 1 1M M u球表面要光滑球表面要光滑，表面曲率半径足够大。其表，表面曲率半径足够大。其表面要洁净，无灰尘。面要洁净，无灰尘。测量球隙6.1.2 6.1.2 静电电压表静电电压表14lACFklAFlUUlAdlCUddldWF00220222)21(测量原理测量原理：静电引力。静电电压表测量方法静电电压表测量方法特点：特点：由于电容很小，一般为550pF，电极间靠大气绝缘，因此吸收功率很小。 可用于直流、工频可用于直流、工频，用于

6、高频时，需考虑功率吸收。1. 刻度非线性。静电电压表静电电压表u为了尽可能减少极间距离和仪表体积，极间应采用均匀电场，所以高压静电电压表的电极均采用消除了边缘效应的平板电极。17186.1.3 6.1.3 电容分压器电容分压器21211UCCCU高阻抗电压表CR1 必须满足条件u分压比：N分压器上所加总电压与低压臂输出电压之比。20121NCCC只要C1C2，那么U2U1，仅有小部分电压降在C2上，就可以实现用低压仪器测量高压的目的。u对于分压器，要求它的分压比N是常数，即不应随被测波形、频率、电压大小、周围大气条件和安装地点而变化，或者变化很小以满足规定的测量准确度的要求。21高阻抗电阻式分

7、压器高阻抗电阻式分压器两种分压器都需考虑消除高压端的电晕。两种分压器都需考虑消除高压端的电晕。1RV1R1R1R1r2r3r1nrnr2Rr：屏蔽用分压电阻R1：分压器高压臂电阻R2：分压器低压臂电阻22211URRRU寄生电容的影响显著；电阻上的发热，引起阻值变化，测量电压范围受到限制高压标准电容器高压标准电容器1.高压电极2.低压电极3.保护电极4.绝缘筒5.低压引线6.底座电极7.高压屏蔽罩6.1.4 6.1.4 峰值测量峰值测量半桥整流：全桥整流：fCIUpinm12fCIUpinm14要求：电容C1、电流Ipin和频率f测量准确， 频率不发生变化；半波平均电流回路公式推导半波平均电流

8、回路公式推导fCIUUTCdTCdtCTdtiTIpinmUUmmTTpinm1112012022u dtdu 1 1所以，二、通过测量整流后的电压确定峰值二、通过测量整流后的电压确定峰值6.6.2 2 直流高压的测量直流高压的测量 注意：直流中含脉动分量U，脉动系数S3%。 U=(Umax-Umin)/2 测量仪器：6.6.2 2. .1 1 标准标准“棒棒棒棒”间隙间隙棒棒类似于球间隙。球间隙的问题： 测量直流高压时，球隙放电测量直流高压时，球隙放电的分散性较大，其不确定度的分散性较大，其不确定度超过了超过了3，达到，达到5。用棒棒间隙取代球间隙测量直流高压。(kV) 534. 02dUb

9、6.2.2 6.2.2 静电电压表静电电压表表示的是瞬时值的平方的平均值，因此在直流纹波较大时，读数不是平均值。222UUUaVu当纹波较小时，二者的差别很小。根据上式，当直流电压的纹波系数不大于20%时（实际上符合规定的试验用高压的纹波系数应不大于3%），可认为有效值和平均值相等，即认为静电电压表所测得的值即为直流电压的平均值。30316.2.3 6.2.3 高阻分压器高阻分压器u电阻分压器的高压臂R1实际上是高阻值的电阻，一般按12M/kV配置。因为单个电阻的耐受电压能力和电阻值有限，这个高压臂电阻由许多阻值较小的电阻元件串联组成。32由于测量直流高压时不需要考虑寄生电容的影响，所以高压电

10、阻可以不采取屏蔽 6.2.4 6.2.4 直流高压纹波的测量直流高压纹波的测量纹波分量的计算rrUfCRjfCRjfCjRRUU21221如果 12fCR则rUU 纹波的测量纹波的测量6.3 6.3 冲击高压的测量冲击高压的测量u冲击电压的特点：持续时间短，波形变化快，幅值高要求冲击电压测量系统具有很好的瞬态响应特性。 国标规定，冲击电压测量系统的不确定度为： 幅值3%；波形时间 10%。 对于雷电冲击截波,如果截断时间在0.52 s,那么允许幅值测量的不确定度为5%；6.6.3 3.1 .1 球隙法球隙法 标准球隙测量冲击电压的峰值； 测量冲击电压时，与球隙串联的电阻500 ，寄生电感30

11、H，避免在保护电阻上产避免在保护电阻上产生大的压降。生大的压降。37u由于在冲击电压作用下球隙放电有分散性，球隙放电电压表所列的是球隙的50%放电电压U50。u确定球隙U50的一种常用方法是10次加压法，即要求调节到对球隙加上10次同样的冲击电压中，有46次使球隙放电。此时根据球隙距离查表并对大气条件进行换算后所得到的电压值就是50%放电电压值。38u用多级法确定U50，可以获得较准确的结果。采用多级法测量时，固定球隙距离，逐级调整加在球隙上的冲击电压。通常由小往大调整，每级的调整量为预计的U50的1%。每级电压加压次数不少于10次，记录放电次数。39截波的概念截波的概念( (补充知识补充知识

12、) )6.3.2 6.3.2 冲击峰值电压表冲击峰值电压表41图6-9 测量峰值电压的整流回路6.3.3 6.3.3 冲击分压器测量系统冲击分压器测量系统一、冲击分压器测量系统的构成组成测量回路一般需要同时测量峰值与波形 将高幅值的冲击电压转换为低幅值的冲击电压二、测量系统的方波响应和测量误差二、测量系统的方波响应和测量误差误差原因误差原因：由于存在对地杂散电容、线路由于存在对地杂散电容、线路电感电感, ,在测量冲击电压时存在在测量冲击电压时存在峰值测量误差和波形形状变化峰值测量误差和波形形状变化的问题。的问题。测量系统的方波响应和测量误差测量系统的方波响应和测量误差在高压测量系统中，用系统的

13、方在高压测量系统中，用系统的方波响应作为衡量系统性能的依据波响应作为衡量系统性能的依据tU0单位方波响应单位方波响应45g(t)u单位方波与g(t)之间所夹的全部面积对应的时间为测量系统的“响应时间”，以T表示。T越小，分压器的响应特性越好。460)(1dgT测量系统的测量误差计算测量系统的测量误差计算设系统输入电压为设系统输入电压为U Ua a(t),(t),方波响应为方波响应为U U* *b b(t)(t)，由，由DuhamelDuhamel积分可得输出电压积分可得输出电压dgtUNdUtUtUtabtab0/*0/)()(1 )()()(t0bad )g( N1(t)U t (t) U

14、t时即当量标准的斜角波的误差作为衡通常用求输入为系统的测量误差系统的测量误差48t0t0b)dg( )dg(a(t)NU-ataatu以斜角波为例评价分压器的性能评价分压器的性能用响应时间用响应时间T来衡量来衡量越大，相对误差越大可见，TdgT0)(1 54321TTTTTT例如：例如：有时为了补偿分压器有时为了补偿分压器的对地电容的对地电容CeCe，在分，在分压器的高压端安装一压器的高压端安装一个园伞形屏蔽环。然个园伞形屏蔽环。然而由于此屏蔽环的存而由于此屏蔽环的存在，也增加了高压端在，也增加了高压端的对地电容的对地电容CeCe，它会，它会与高压引线的电感形与高压引线的电感形成振荡。即使在导

15、线成振荡。即使在导线首端加上阻尼电阻，首端加上阻尼电阻，振荡仍难以避免。振荡仍难以避免。此时测量系统的振荡此时测量系统的振荡型阶跃响应型阶跃响应g g（t t）如）如图所示。图所示。振荡型阶跃响应 带屏蔽环的电阻分压器单位方波响应单位方波响应eRCtkkkketg221) 1(21)(张仁豫、陈昌渔等，高电压实验技术, 2003年5月第二版,北京：清华大学出版社, p146-149具体推导过程见文献具体推导过程见文献电阻分压器的方波响应g（t）及T举例：举例：一台测量雷电冲击波的电阻分压器，高压臂电阻一台测量雷电冲击波的电阻分压器，高压臂电阻R R1 1为为2 210104 4欧，对地总杂散电

16、容欧，对地总杂散电容CeCe为为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)的计算式得的计算式得)101. 0/exp() 1(21)(21tktgkkk实际计算实际计算g g（t t）时，）时，k k取取到到4 4就足够了就足够了画出画出g g（t t）的图形如图）的图形如图所示所示电阻分压器的方波响应g（t）及T响应时间：响应时间：剖面部分为阶跃响应时间剖面部分为阶跃响应时间T TT TRCe/6RCe/60.167s0.167s响应时间要求：响应时间要求：T0.2sT0.2s即可满足测量即可满足测量

17、1.2/50s1.2/50s全波或波尾截断全波或波尾截断波的要求波的要求结论：结论：这台分压器基本上这台分压器基本上符合技术标准符合技术标准 三、三、 冲击分压器冲击分压器测量冲击电压的分压器有电阻分压器、电容分压器、阻容分压器等多种形式。电阻分压器电阻分压器u电阻分压器的高、低压臂均为电阻。与稳态测量用电阻分压器相比，其电阻值小得多。电阻分压器一般由若干电阻元件串联而成。这些元件均有一定的固有电感，各元件之间还存在着纵向电容，各元件对地也有杂散电容。5657电容分压器电容分压器u理想分压比为(C1+C2)/C1u分为两种： 串联电容式、集中电容式u测量电压可达数MV。u因为连接线的电感与电容

18、因为连接线的电感与电容器中的寄生电感与电容器器中的寄生电感与电容器之间发生振荡，因此适用之间发生振荡，因此适用与持续时间比较长的操作与持续时间比较长的操作冲击波冲击波C1C2u1u1u2u2阻容分压器阻容分压器阻容分压器（并联阻容分压器）阻尼电容分压器（串联阻容分压器）并联阻容分压器容易引起高频振荡，因此发展了串联式阻容分压器，R1约为几个 ，可阻尼杂散振荡。首端引入匹配电阻Rd，与导线波阻抗相等，约300400 。如果在串联阻容分压器的基础上，再加上高值的并联电阻，即构成“通用分压器”。阻尼电阻Rd四、分压器低压臂阻抗和信号的输出四、分压器低压臂阻抗和信号的输出匹配电阻：ZZRRR电缆波阻抗

19、为电缆的电阻为,R ,k324屏蔽：测量仪器的电源要通过滤波器和带静电屏蔽的隔离变压器，传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接 。阻尼电阻分压比分压比42214321434322143214324321)()(K )()()( )/()/()(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRKdkdkkdkdkkd，因此由于测量方法总结测量方法总结u工频u直流u冲击u各种测量方法分别能够测量哪种电压？626.4 6.4 冲击电流的测量冲击电流的测量特点：特点：持续时间短、变化快。用相应时间来表示其特性。目前常用两类测量系统：

20、u分流器测量系统；u电流互感器（CT）测量系统dtTU(t)-1 0一一 分流器测量系统分流器测量系统RsR1Z，RsRK远小于R1R2，R1R2 imUI被测冲击电流 测量系统的响应时间主要取决于分流器，分流器的响应时间为 620106dT电阻R2上的电流为 212RRRRRiikssR电阻R2上的电压为 222RiURR因此分流比为 ssKsRiRRRRRRRUim22212d-圆筒形电极的厚度-电阻率分流器分流器 分流器是将被测电流转换为适当幅值电压的一种装置，u它具有很大的电流容量，u能够耐受大电流产生的电动力，u分流器的电阻应该很小，其电阻温度系数也要非常小，电阻材料采用锰铜、镍铜等非磁性材料。1)分流器的电感值要远小于电阻值 .绞线式折带式同轴园管式电阻管式电流互感器电流互感器对于特大幅