第12讲 高电压和大电流的测量

R2
M R1
•
V
•
18
6.3.3 旋转电位计
T / 2 U dC 1 T /2 Ipin = ∫ idt = ∫ ( 1 )dt 0 T 0 T dt U Cmax = ∫ dC1 = Uf (Cmax − Cmin ) T Cmin n = 2U (Cmax − Cmin ) 60
n－电极转速，转/分钟
2
一 多级冲击电压发生器的原理
－ ＋ － －
C10
1
－
＋
C30
3
＋
C50
5
＋
C70
7
R0
u0
R
R
＋
R
＋
R1
G5
G1 C
0
＋ －
G2 C
＋ －
G3 C
－
G4 C
R2 C 2
u
－
2
4
6
8
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
R
充电结束时，上面一排杂散电容被充电到电压U0，下面一排未被充电 G1首先击穿，1点电位瞬时降为零，2点电位瞬时变为－U0。杂散电容 ` C30来不及放电，3点电位仍维持在U0，于是G2承受的电压（上升到2U0 ，从而导致G2击穿。 G2击穿后，3点电位从＋U0 降为－ U0 ，4点电位瞬时变为－2U0。杂散 电容C50来不及放电，5点电位仍维持在U0，于是G3承受的电压上升到 3U0，从而导致G3击穿。。。。
1. 由于电容很小，一般为 5－50pF，电极间靠大 气绝缘，因此吸收功率 很小。 2. 可用于直流、工频，用 于高频时，需考虑功率 吸收。 3. 刻度非线性。
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电压互感器PT 6.2.3 电压互感器PT
需要用仪表读取低压侧的数据，可用低压电压表、示波器、数字记 录仪等
分成电磁式 电容式 电磁式和电容式 电磁式 电容式。 电磁式PT：电磁耦合原理 电容式PT：又叫CVT（用于超高压回路）
5
冲击电压发生器（1760kV,8级，1.2/50us)
6
第6章 高电压和大电流的测量
6.1 对高压测量的要求和必要条件
被测电压高，需专门的转换装置 信号传输过程的畸变 信号变化快，要求测量系统的动态特性好 不确定度高，<3％ 要充分考虑寄生参数的影响 测量系统内部可能放电，电磁干扰复杂
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6.2 交流高压的测量
C1 Lr U R’
C2
根据戴维宁定理， U为网络开路电压 ，即
U= C1 U1 C1 + C2
戴维南等值电路 （C1＋C2）和L满足谐 振条件后 & C + C2 U & U1 = 1 2 C1
而网络的等效阻抗为从L处看 过去的阻抗，为C1与C2并联 。因此，等值电路如右图所示 。（C1+C2)与L发生串联谐振 后，则R’上的电压＝U
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6.2.1 球隙法
理论依据：均匀电场中，气体击穿电压与间隙距 离有稳定的关系。球隙特点：电场较为均匀。 测量方法：利用试验变压器低压侧的读数换算。 取10次的平均值，并保证标准偏差<10%平均 值。最后再进行大气环境的修正。 球放电电压是被测电压的峰值。 球放电电压是被测电压的峰值。
9
球隙法的布置
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电阻式分压器
屏蔽式电阻式分压器
电容分压器
C1
{
u1
u1
u2
u2
C2
理想变为(C1+C2)/C1 分为两种： 串联电容式、集中电容式 测量电压可达数MV。 MV 因为连接线的电感与电容 器中的寄生电感与电容器 之间发生振荡，因此适用 与持续时间比较长的操作 冲击波
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阻容分压器
阻容分压器 （并联阻容分压器）
4
二 三电极球隙
作用：人为控制输出冲击电压 工作原理：当冲击电压发生器各个电容充电完毕后，利 用另外一个回路产生一个电压较低的脉冲电压，并将该 脉冲电压施加在三电极球隙的电极2和3之间（即间隙g ），使间隙g击穿，利用间隙g击穿时产生的火花触发主 间隙G的击穿。此时应防止间隙G击穿时，高电位沿电极 3瞬间贯入低压脉冲回路。
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6.4.3 冲击峰值电压表
a
a'
在数字式示波器未广泛使用以前， 峰值表读数可保持一段时间，显得 很方便。 目前在仅需要知道峰值，而且没有 数字示波器的情况下使用峰值表
CS的电容量不能过大， 因为冲击电压持续时间 短， CS的容量不能太小，且 电容器CS的泄漏要足够 小，否则电容上维持电 压峰值的时间不足以使 放大器回路完成转换， 也会造成测量误差
高电压技术
高电压工程系 李黎 leeli@
5.3.3 多级冲击电压发生器
一 多级冲击电压发生器的原理 并联充电、串联放电
• 首先调整球隙距离，使G1的放电电压为U0， G2～G4的放电电压在U0～2U0范围内； • 对各个电容器同时充电到U0 • G1首先击穿，导致G2～G4依次击穿； • 各个电容器串联起来对C2和R2放电，在输出端获得幅值很高的冲击 电压
6.4.1 球隙法
测量冲击电压的峰值； 测量冲击电压时，与球隙串联的电阻<500Ω ，寄生电 感<30 µH
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6.4.2 冲击分压器系统
冲击分压器系统由分压器和测试回路组成
测量回路一般需要同时测量峰值与波形
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一 分压器
雷电冲击：电阻式、屏蔽电阻式、电容式、 雷电冲击 阻容式（并联阻容式）、阻尼电容式（串联阻容式） 操作冲击：主要采用电容式 操作冲击 理想情况下的变比为:（R1＋R2）/R2 和稳态的电阻分压器相比，其电阻值 要小得多。用于测量雷电冲击，一般 为10-20kΩ ，测量电压为1MV左右。 为减少对地杂散电容的影响，避免高 压端放电，一般用屏蔽式的电阻分压 器。 经过仔细屏蔽的电阻分压器，可测量 到2.5MV，阻值可到40 kΩ。
在电力系统中，通常用（PT＋低压测量仪表）监视运行 电压。 但在高压实验室中，试验用高压很高，电网用的PT不再 适用。重新定制PT的造价高，且PT体积、重量也大，所 以一般不用。
试验室常用测量高压的方法： 试验室常用测量高压的方法：
直接测量法
{
转换测量法
{
球隙法 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） 电流计算法（高压电容器配合整流回路）
3
＋
＋
R C20
R C40
R C60
－Байду номын сангаас
－
－
－ ＋
C80
一 多级冲击电压发生器的原理
关键在于： 杂散电容来不及放电 杂散电容放电的快慢一方面取决于杂散电容的大小， 另一方面取决于放电电阻R的大小，即杂散电容放电 的时间常数。 在实际当中，有时候为了确保各级球隙能顺利自动放 电，还需要采取措施增大杂散电容 雷电冲击与操作冲击波产生方法相同。
图中A、B值
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球隙法的注意点： 球隙法的注意点：
1 2 3 4 周围物体的影响 照射。规定：当被测电压<50kV时或者 D<12.5cm时，均须照射。 保护电阻。保护电阻一般取100kΩ－1MΩ 球表面。
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球隙
12
6.2.2 静电电压表
原理：静电引力。 原理 F ∝ Q 2 ∝ (CU ) 2 ∝ U 2 测量方法： 测量方法： 特点： 特点：
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Ω ，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300－400 Ω。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”。
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评价分压器的性能
从两方面： 1 比例系数 2 瞬变响应特性－－反映波形是否畸变 响应特性：分压器回路的输 入端施加某一波形A(t)，在 分压器的输出端出现相应 U(t)。通常A(t)采用直角波。 用响应时间T来衡量。
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也可把电流表换成取样电阻， 读取电阻上的电压值。 实际上，旋转电位计上可直接 读出电压值。
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标准“ 6.3.4 标准“棒－棒”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 电的分散性较大，其不确 定度超过了±3％，达到 ±5％。 用棒－棒间隙取代球间隙 测量直流高压。
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6.3.5 直流高压纹波的测量
T = ∫ [1 − U (t )]dt
0 ∞
1− e
−
t T
也可采用与标准分压器的响应曲线相 对比的方法。
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二 低压测试回路
匹配电阻： R4 ≈ R2 + R3 ≈ Z 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
UD +Ur
纹波分量的计算
U= R 1 R+ j 2πfC j 2πfCR = Ur 1 + j 2πfCR
•
U
•
如果 则
2πfCR >> 1
U ≈ Ur
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6.4 冲击高压的测量
冲击电压的特点：持续时间短，波形变化快，幅值高 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%。
注意：直流中含脉动分量δU，脉动系数S<3%。
测量仪器： 高阻分压器 旋转电位计 静电电压表 标准“棒－棒”间隙
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6.3.1 高阻分压器
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 电阻可以不采取屏蔽
•
R1 R1 R1
6.3.2 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。