高电压测量技术2012

1、高电压试验除了要有产生各种试验电压的高压设备，还必须要有能测量这些高电压的仪器和设备。 电力系统中，广泛应用电压互感器配上低电压表来测量高电压；但此法在试验室中用得很少。试验室条件下广泛应用高压静电电压表、峰值电压表、球隙测压器、高压分压器等仪器测量高电压。 国标规定，高电压的测量误差一般应控制在3以内。 高电压测量技术稳态高电压与冲击高电压稳态高电压：稳态高电压：主要是指工频交流高压和直流高压。但所述主要是指工频交流高压和直流高压。但所述及的测量方法或装置，有的也可用于频率在一定范围以内及的测量方法或装置，有的也可用于频率在一定范围以内的高频高压或脉动成分很大的直流高压的测量。的高频高压或脉

2、动成分很大的直流高压的测量。冲击电压：冲击电压：无论是雷电冲击电压或操作冲击电压，均为快无论是雷电冲击电压或操作冲击电压，均为快速变化或较快速变化的一种电压。测量冲击电压的整个测速变化或较快速变化的一种电压。测量冲击电压的整个测量系统包括其中的电压转换装置和指示、记录及测量仪器量系统包括其中的电压转换装置和指示、记录及测量仪器必须具有良好的瞬态响应特性。一些适宜于测量稳态或慢必须具有良好的瞬态响应特性。一些适宜于测量稳态或慢过程过程( (如直流和交流电压如直流和交流电压) )的测量系统不一定适宜于或根本的测量系统不一定适宜于或根本不可能测量冲击电压。冲击电压的测量包括峰值测量和波不可能测量冲击

3、电压。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面。形记录两个方面。实验室的高电压测量交流高电压测量：交流高电压测量：(1) (1) 利用气体放电测量交流高电压利用气体放电测量交流高电压如测量球隙如测量球隙(2) (2) 利用静电力测量交流高电压利用静电力测量交流高电压如静电电压表如静电电压表(3) (3) 利用整流电容电流测量交流高电压利用整流电容电流测量交流高电压如峰值电压表如峰值电压表(4) (4) 利用整流充电电压测量交流高电压利用整流充电电压测量交流高电压如峰值电压表如峰值电压表冲击高电压的测量：冲击高电压的测量：(1) (1) 球隙法：是直接测量高电压峰值的一种方法。球隙法：是直接

4、测量高电压峰值的一种方法。(2) (2) 分压器分压器峰值电压表：只测峰值，不测波形。事先峰值电压表：只测峰值，不测波形。事先应验证波形合乎标准，或同时用示波器观测波形。应验证波形合乎标准，或同时用示波器观测波形。(3) (3) 分压器分压器示波器（或数字记录仪）：可同时测出峰示波器（或数字记录仪）：可同时测出峰值及波形。在采用数字式示波器或数字记录仪时，可立即值及波形。在采用数字式示波器或数字记录仪时，可立即获得峰值和时间参数值，并可打印获得峰值和时间参数值，并可打印(4) (4) 光电测量法：采用光纤技术的测量法。有的仍需与分光电测量法：采用光纤技术的测量法。有的仍需与分压器配合，有的则不

5、须要分压器，测量系统中具有专门的压器配合，有的则不须要分压器，测量系统中具有专门的传感器或电容探头。传感器或电容探头。 扩大量程的方法：扩大量程的方法：各种测量仪表的量程是有限度的，各种测量仪表的量程是有限度的，常常通过分压器来扩大仪表的量程。即使被测电压的大部常常通过分压器来扩大仪表的量程。即使被测电压的大部分降落在分压器的高压臂上，测量仪表测得的仅是低压臂分降落在分压器的高压臂上，测量仪表测得的仅是低压臂上的电压降，再乘上分压比，即可得被测电压。上的电压降，再乘上分压比，即可得被测电压。 光电测量技术：光电测量技术：光纤技术在电工领域中的应用日益广光纤技术在电工领域中的应用日益广泛。光导纤

6、维本身是绝缘材料，因此光纤技术应用在高电泛。光导纤维本身是绝缘材料，因此光纤技术应用在高电压测量时，可无杂散和电磁干扰的影响，具有很大的优越压测量时，可无杂散和电磁干扰的影响，具有很大的优越性。在稳态电压测量时，无频率特性的要求，只要注意选性。在稳态电压测量时，无频率特性的要求，只要注意选用温度特性良好的光电元件，比较容易满足测量准确度的用温度特性良好的光电元件，比较容易满足测量准确度的要求。光电测量高电压需要用其它测量方法加以校正。要求。光电测量高电压需要用其它测量方法加以校正。 一、高压静电电压表 两个特制的电极间加上电压 ，电极间就会受到静电力 的作用，而且 的大小与 的数值有固定关系，

7、设法测量 的大小就确定所加电压 的大小。利用这一原理制成的仪表即为静电电压表，它可以用来测量低电压，也可以在高压测量中得到应用。 uffufu若采用的是消除了边缘效应的平板电极，那么由 静电场理论，易求得 但仪表不可能反映力的瞬时值 ，而只能反映其平 均值 。 2uf fFFU 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，如图5-26所示。 静电电压表的特点：静电电压表的特点：内阻抗特别大，几乎不消耗什么能量内阻抗特别大，几乎不消耗什么能量 能测量相当高的交流和直流电压能测量相当高的交流和直流电压 （大气（大气50-250KV；

8、SF6500-600KV） 不能测量一切冲击电压不能测量一切冲击电压 高压静电电压表可以直接测出高压侧的交流电压或直流电压，比较直观；同时通过改变静电电压表两电极间的距离，可以改变静电电压表测量电压的范围；静电电压表两电极间的电容量很小（在10pF-30pF），对地阻抗很大，测量时几乎不改变被测量部位的电压，所以静电电压表也是测量感应电压的最佳仪表。由于静电电压表两电极间的绝缘介质是空气，在实际测量过程中受环境的影响很大，它的测量准确度等级无法做高，一般在引用误差1.0级1.5级。 FRC系列交直流数字分压器主要用系列交直流数字分压器主要用于工频交流和直流高电压的测量，于工频交流和直流高电压的

9、测量，可代替高压静电电压表，使用方便，可代替高压静电电压表，使用方便，显示直观，测量精度高。显示直观，测量精度高。 测量范围：测量范围：0-50KV，0-100KV，0-150KV， 0-200KV，0-250KV，0-300KV 精度：精度：1.50%，1%，0.5% 三三.技术指标技术指标 1.准确度：准确度：AC1.5%，DC1% 2.分压比分压比K=高压高压/低压低压=1000：1 所测量高压值所测量高压值=1000低压值（表低压值（表中数值）中数值） 3.电气强度：电气强度：1.2倍额定电压倍额定电压 4.环境条件：温度环境条件：温度0-40摄式度，湿摄式度，湿度度85%二、峰值电压

10、表 （一）利用（一）利用整流电容电流整流电容电流来测量交流高压来测量交流高压 CfIUavm2图5-27（a） 利用整流电容电流来测量交 流高压的峰值电压表原理SFD-5型数字式型数字式峰值电压表：峰值电压表：主要有峰值保持主要有峰值保持器和模数转换器器和模数转换器两大部分组成，两大部分组成，当瞬间即逝的冲当瞬间即逝的冲击信号到达以后击信号到达以后该功能自行启动，该功能自行启动，判别峰值，跟踪判别峰值，跟踪并永久保持最大并永久保持最大值值 ( (二二) )利用利用电容器充电电压电容器充电电压来测量交流电压（来测量交流电压（5-27b) 5-27b) 图5-27（b）利用电容器充电电压 来测量交

11、流高压的峰值电压表原理RCTUUdm21 注意事项： 选用冲击峰值电压表时，要注意其响应时间是否选用冲击峰值电压表时，要注意其响应时间是否合适于被测波形的要求，并应使其输入阻抗尽可合适于被测波形的要求，并应使其输入阻抗尽可能大。能大。 利用峰值电压表，可直接读出冲击电压的峰值，利用峰值电压表，可直接读出冲击电压的峰值，与用球隙测压器测峰值相比，可大大简化测量过与用球隙测压器测峰值相比，可大大简化测量过程。程。 但是被测电压波形必须是平滑上升的，否则就会但是被测电压波形必须是平滑上升的，否则就会产生误差。产生误差。 指示仪表可以是指针式表计，也可以是具有存储指示仪表可以是指针式表计，也可以是具有

12、存储功能的数字式电压表。功能的数字式电压表。 三、球隙测压器 唯一能直接测量高达数兆伏的各类高压峰值的测量装置。 由一对直径相同的金属球构成，测量误差约23 工作原理基于一定直径（ ）的球隙在一定极间距离（ ）时的放电（击穿）电压为一定值。 Dd球隙的结构符合尺寸的球间隙有两种方式，图中所示是垂直球间隙，另有符合尺寸的球间隙有两种方式，图中所示是垂直球间隙，另有水平球间隙水平球间隙测量原理 空气在一定电场强度下，才能发生碰撞游离。均匀电空气在一定电场强度下，才能发生碰撞游离。均匀电场下空气间隙的放电电压与间隙距离具有一定的关系。可场下空气间隙的放电电压与间隙距离具有一定的关系。可以利用间隙放电

13、来测量电压，但绝对的均匀电场是不易做以利用间隙放电来测量电压，但绝对的均匀电场是不易做到的，只能做到接近于均匀电场。到的，只能做到接近于均匀电场。 测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成球隙间形成稍不均匀电场稍不均匀电场。当其余条件相同时，球间隙在。当其余条件相同时，球间隙在大气中的击穿电压决定于球间隙的距离大气中的击穿电压决定于球间隙的距离（一）球隙的优点（一）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量精度 50%冲击放电电压与静态（交流或直流）放电电压的

14、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。幅值几乎相等。 不必对湿度进行校正。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压的平均值，相邻两次放电的时间间隔一般不小于1min，以便在每次放电后让气隙充分电离，各次击，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穿电压与平均值之间的偏差不应大于3。(二)球隙的放电电压 国际电工委员会综合比较了各国高压试验室所得 实验数据编制成标准球隙放电电压表。R1为限流电阻，R2为球隙测压器的专用保护电阻。保护电阻的作用

15、 R R1 1是保护变压器用的防振电阻是保护变压器用的防振电阻 而而R R2 2是与球隙串连的保护电阻。是与球隙串连的保护电阻。 R R2 2的作用有两方面，一方面可用它来限制球隙放电时所流过球极的作用有两方面，一方面可用它来限制球隙放电时所流过球极的短路电流，的短路电流，以免球极烧伤以免球极烧伤而产生麻点；而产生麻点； 另一方面当试验回路出现刷状放电时，可减少或另一方面当试验回路出现刷状放电时，可减少或避免由此产生的避免由此产生的瞬态过电压瞬态过电压所造成的球间隙的异常放电，也就是用此电阻来阻尼局部所造成的球间隙的异常放电，也就是用此电阻来阻尼局部放电时连接线电感与球隙电容和试品电容等所产生

16、的高频振荡放电时连接线电感与球隙电容和试品电容等所产生的高频振荡 R R2 2应放在图示的应放在图示的位置位置，使流过试品的电容电流或泄漏，使流过试品的电容电流或泄漏电流电流( (视交流或直流电压而定视交流或直流电压而定) )不在不在R R2 2上产生压降。上产生压降。 用球隙测量冲击电压时，应通过调节极距用球隙测量冲击电压时，应通过调节极距 来来 达到达到50放电概率，此时被测电压即放电概率，此时被测电压即等于球隙在这一距离时的等于球隙在这一距离时的50冲击放电电冲击放电电压。压。 确定确定50%的放电概率常用的放电概率常用10次加压法，即次加压法，即对球隙对球隙 加上加上10次同样的冲击电

17、压，如有次同样的冲击电压，如有46次发生了放电，即可认为已达到次发生了放电，即可认为已达到50放电概率。放电概率。球径与球间隙距离的确定 对一定球径，间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。被测对一定球径，间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。被测电压越高，间隙距离越大，要求球径也越大，才能保持稍不均匀电场电压越高，间隙距离越大，要求球径也越大，才能保持稍不均匀电场当当S S与与D D之比大于之比大于0.50.5时，其放电数值准确性较差。要达到球隙所能达时，其放电数值准确性较差。要达到球隙所能达到的测量准确度，其结构和使用条件必须符合到的测量准确度，其结构和使用条件必须符合IECIEC或国家

18、标准规定或国家标准规定球隙距离：球隙距离：不大于不大于0.4D0.4D 标准球径标准球径D D为：为：2 2；5 5；6.256.25；1010；12.512.5；1515；2525；5050；7575； 100100；150150和和200200厘米厘米 可测的电压峰值：可测的电压峰值：从几千伏到近从几千伏到近20002000千伏千伏 确定球隙或其他自恢复绝缘的50冲击放电电压： n多极法 或固定电压值，逐级或固定电压值，逐级调节球隙距离；或固定调节球隙距离；或固定球隙距离，逐级改变所球隙距离，逐级改变所加冲击电压的幅值。得加冲击电压的幅值。得到放电概率到放电概率P P与所加电压与所加电压U

19、 U（或球隙距离（或球隙距离d) d)的关系的关系曲线，从而得到曲线，从而得到P P5050时的时的U50U50 （或（或d50%) d50%) iiinnUU%50n 升降法 预先估计一个大致50击穿电压的23作为级差 ，凡是加压引起击穿，则下次加压比上次高 。反复加压2040次，分别统计各级电压 的加压次数 ， UUiUin球隙法测量高电压的优点 (1) (1) 可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接测量超高电压的唯一设备几乎是直接测量超高电压的唯一设备(2) (2) 结构简单，容易自制或购买，不易损结构简单，容易自制或购买，不易损坏坏(3) (

20、3) 有一定的准确度，一般认为测量交流有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可达及冲击电压时可达3%3%以内。以内。球隙法测量高电压的缺点(1) (1) 测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。(2) (2) 气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据的平均值，气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据的平均值，为防止游离气体的影响，每次放电间隔不得小于一分钟，且在击穿电为防止游离气体的影响，每次放电间隔不得小于一分钟，且在击穿电压后压后25%25%电压的升压过程中的升压速度每秒钟不得超过击穿电压的电压的升压过程中的

21、升压速度每秒钟不得超过击穿电压的2%2%，测量较费时间。测量较费时间。(3) (3) 实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击电压要用实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击电压要用50%50%放电电压法，手续都较麻烦。放电电压法，手续都较麻烦。(4) (4) 要校订大气条件。要校订大气条件。(5) (5) 被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3 3米的铜球，不米的铜球，不仅本身越来越笨重，而且影响建筑尺寸。从发展的角度来看，测量球仅本身越来越笨重，而且影响建筑尺寸。从发展的角度来看，测量球隙的前途将成问题。隙的前途将成问题。(6)

22、(6) 一般来说测量球隙不宜使用于室外，实践证明，由于强气流以及一般来说测量球隙不宜使用于室外，实践证明，由于强气流以及灰尘、砂土、纤维和高湿度的影响，球隙在室外使用时常会产生异常灰尘、砂土、纤维和高湿度的影响，球隙在室外使用时常会产生异常放电。放电。 四、高压分压器四、高压分压器 被测电压很高时，采用被测电压很高时，采用高压分压器来分出一小部分电压，然后利高压分压器来分出一小部分电压，然后利用静电电压表、峰值电压表、高压脉冲示用静电电压表、峰值电压表、高压脉冲示波器等来测量。波器等来测量。 技术要求：技术要求： 分压比的准确度和稳定性分压比的准确度和稳定性 分出的电压与被测高电压波形的相似性

23、分出的电压与被测高电压波形的相似性 SGY数字高显表数字高显表 组装分压器组装分压器 n分压比分压比 每一个分压器均由高压臂和低压臂组成，在低压臂上得到的就是分给测量仪器的低电压 ，总电压 2u 与 之比称为分压比（ ）。 1u2uN（一）电阻分压器（一）电阻分压器 高、低压臂均为电阻，如高、低压臂均为电阻，如图图5 53030所示。所示。 图中的放电管图中的放电管F F起保护作用。起保护作用。221RRRN+ 电阻分压器与电压表组成的测量系统主要用在交流电压和直流电压测量，该测量系统主要取决于每个单元电阻器的稳定性和温度系数以及电压表的测量准确度，当电阻器与电压表准确度都比较高时，这类测量系

24、统的准确度可以达到0.01级或着更高（这是指直流电压测量），由于分布参数的影响交流电压的测量准确度无法做的很高。电阻分压器测量系统是直接接地，电压表只是从低端电阻取样，通过分压系数换算至高压电压，所以这类测量系统安全性能比较好。 高压试验室中，电阻反压器的测量回路如图531所示，同轴电缆可以避免输出波形在这段距离内受到周围电磁场的干扰。终端并联匹配电阻R以避免冲击波在终端处的反射。 （二）电容分压器 分压比 121CCCN+ 电容分压器与电压表组成的测量系统主要用在交流电压测量，这类测量系统主要取决于电容单元的耐电强度和电压表的测量准确度，由于受环境条件和分布参数的影响，测量系统的准确度只能达

25、到0.5级，但这类测量系统电压等级可以按要求做得很高，频率响应比较好，可以用于异频测量。电容分压器测量系统是直接接地系统，电压表只是从低端电容取样，通过分压系数换算至高压电压，所以这类测量系统安全性能比较好。 电容分压器也存在对地杂散电容，但由于分压器电容分压器也存在对地杂散电容，但由于分压器本身也是电容，所以杂散电容只会引起幅值误差，而本身也是电容，所以杂散电容只会引起幅值误差，而不会引起波形畸变。不会引起波形畸变。（三）阻容分压器 电容分压器在冲击电压 作用下存在着一些列高频 振荡回路，其中的电磁振 荡将使分压器输出电压波 形发生畸变。阻容分压器 可阻尼各处的振荡。 阻容分压器与电压表组成

26、的测量系统主要用在交流电压和直流电压测量，该测量系统主要取决于每个单元电阻器的稳定性及温度系数和每个单元电容器的耐电强度以及电压表的测量准确度，受电阻器和电容器元件的影响测量系统的准确度只能达到0.1级，但电压等级可以按要求做得很高。由于每个单元的阻抗必须匹配，这类测量系统是在固定频率下进行设计，它只适用于一个频率下测量为最佳状态。所以这类测量系统在工频下测量为最佳。阻容分压器测量系统是直接接地系统，电压表只是从低端电容取样，通过分压系数换算至高压电压，所以这类测量系统安全性能比较好。 五、高压脉冲示波器和新型冲击电压数字测五、高压脉冲示波器和新型冲击电压数字测量系统量系统 什么是高压脉冲示波器？什么是高压脉冲示波器？ 用来测量、记录冲击波的专用仪器。用来测量、记录冲击波的专用仪器。 为什么叫高压脉冲示波器？为什么叫高压脉冲示波器？ “高压高压”二字并非指需要测量的电压很二字并非指需要测量的电压很高，而是指这种示波器的加速电压很高。例高，而是指这种示波器的加速电压很高。例如要如要1020kV，而普通示波器的加速电压只，而普通示波器的加速电压只要要23kV就够了。就够了。 高电压数字测量系统高电压数字测量系统 硬件系统硬件系统 高压分压器、数字示波器、高压分压器、数字示波器、计算机计算