第六章 冲击高电压的测量

3 冲击电压分压器
冲击电压分压器+示波器
测量冲击电压的波形和幅值。
分压器的作用： 一般示波器的输入能承受300V，而被测电压为几十万~几百万伏，所
以分压器就是用于将高幅值的冲击电压线性缩小到几百伏以内，以供示波 器测量。 线性的含义：
在波形测量过程中，要求分压比准确，且为一常数不随电压幅值高低 和频率（波形）变动而改变。这样理想的分压器称为无畸变分压器。在高 压测量中不存在无畸变分压器，只是力争误差小一些，IEC规定分压比误 差为±1%。
Uo
1+ kRs
∑ u(t)
=
Uo[
x l
+
∞ k =1
2sin x kx l eskt
kπ cos kπ
]
sk
=
−
k 2π 2 RC
归一化阶跃响应:
∑ g(t) = 1+ (l / x)
∞
(−1)k
2 sin •
x kπ l eskt ]
k =1
kπ
3.3.1电阻分压器
① 电阻分压器的阶跃响应
因
sin kπ
第6章 冲击高电压的测量
主要内容
1. 概述 2. 用球隙测量冲击电压的幅值 3. 冲击电压分压器
z 冲击电压测量系统的转移特性 z 电阻分压器 z 电容分压器 z 阻容分压器 4. 高电压测试的抗干扰措施
1 概述
冲击电压（Impulse voltage）：雷电冲击或操作冲击，均 是单次快速变化过程，不但要求测量系统具有良好的瞬态响 应特性，而且要求具有很高的记录速度。
响应时间： T = L R
3.3.1电阻分压器
4.电阻分压器低压臂测量回路
测量电缆的作用： z 避免输出波形受周围电磁场的干扰。 z 高频同轴电缆在测冲击信号时，具有时延作用 (现代数字存储示波 器采用内触发的方式,电缆的时延作用无关紧要) 。
3.3.1电阻分压器
4.电阻分压器低压臂测量回路
R2+R3=R4=Z 初始分压比等于最终分压比。
2
3 冲击电压分压器
测量系统的误差要求：
在冲击试验中要求测量标准波的峰值误差在3%以内，波头长和波尾 长误差在10%以内。
上述误差是对整个冲击测量系统而言的，一个冲击测量系统不仅包 含分压器本体，还包括示波器、分压器和示波器间的测量电缆、分压器 和冲击电压发生器的高压引线，每个组成部件都可能引起误差。
2.2 球隙U50%的确定
2.2 球隙U50% 的确定
3、升降法 先估计U’50% ,选择级差 d = U’50% ×3%，U’50%加于间隙， 若击穿，则下次加压减少d；若再击穿，则再减d即可，若再 下次不击穿，则应加d。这样升降反复进行，约30次。
U 50%
=
ΣniU i Σni
Ui—某一级电压值； ni—该级电压的加压次数 ； Σni —总加压次数 （20 ~ 40）。
t
∫ Tα =
[1 − g(t)]dt
O1
过冲β：归一化阶跃响应的最大值超过单位值
的数值。
3.3.1电阻分压器
电阻分压器的特点： z 冲击电阻分压器是由电阻丝按无感绕法绕制的。为减小电感，在满足 阻值要求下，线尽量短，所以用电阻率大，温度系数小的电阻丝，如： 康铜丝、锰铜丝。 z 为提高分压器性能，分压器电阻体常浸油。可以减小无感绕法的匝距， 减小残余电感，增大容量，提高电晕起始电压，从而缩小电阻体尺寸。 z 分压器阻值范围：2kΩ≤R≤20kΩ，一般约10 kΩ。R太小，增大了冲击 发生器的负载。 R太大，亦使分压器性能变差（阶跃响应时间T↑）。 z 分压器一次试验允许温升50℃。即每克电阻丝每次冲击时消耗能量 20J，所以应按此条件来选择分压器电阻丝的直径。
∞
∫ 阶跃响应时间T的原始理论值为: T = [1 − g(t)]dt 0
振荡型阶跃响应
(a) 阶跃响应时间： T = T1 - T2 + T3 - T4 + …
(b) 标准规定用视在原点O1取代实际的原点O。（O1
为最陡波形切线与时间轴的交点）
阻尼型阶跃响应
(c) 过冲β及部分响应时间Tα（右图）
R为2kΩ～ 20kΩ,不处于上述条件，所以波形必然发生振荡。
3.3.1电阻分压器
3.高压引线对电阻分压器性能的影响
要防止振荡，需串入阻尼电阻r，串入后
τ
u2 (t) =
R R+
r
[1 − e−δt
ω
cosωt + δ ω
sin ωt ]
[ ] [ ] δ = 1/(RC) + r / L / 2 ω = (R + r ) /( LRC ) − δ 2 1/ 2
(αt − k 2 )(βτ − k 2 )
τ = RC π2
4
3.3.1电阻分压器
由于对地电容充放电的影响，u2(t)和u1(t)/N相比，波头和波尾都拉长 了，幅值也有所下降。
3.3.1电阻分压器
z 电阻分压器的时间常数越大，被测波越陡，分压器响应的畸变越大。 (杂散电容为零时,没有误差) z 若被测波的波长较长，一般只造成波形误差而幅值误差很小，若被 测冲击波波较短，不仅有波形误差而且有幅值误差。 z 为了减小误差，应尽可能减小RCe。Ce与分压器高度有关，而高度又 取决于分压器的工作电压，为防止沿面闪络，对雷电冲击波应取 0.5MV/m。为使总的对地寄生电容不太大，未采取任何屏蔽措施的电阻 分压器一般只能测量1～1.5MV的电压。
3.3.1电阻分压器
① 电阻分压器的阶跃响应
3.3.1电阻分压器
② 分压器在标准雷电波作用下的输出响应 已知分压器的阶跃响应g(t)后，理论上可计算输入端施加任
何波形时的低压臂响应波形。
输出电压uO为：
∫ uo (t) = ui (t) ∗ g(t) = ui (t)g(0) +
t 0
ui
(λ
)g
'
2RC
LC
T
=
2⋅ 1 2RC
=
L
LC R
当有阻尼电阻r时，rC>L/R， 增大了响应时间T
δ = 1 [ 1 + r ],ω = R + r −δ 2 T = L + rRC ≈ rC + L
2 RC C
LRC
R+r
R
5
3.3.1电阻分压器
3.高压引线对电阻分压器性能的影响
屏蔽式电阻分压器r的巧妙放置可抑制振荡而不增大响应时间
球隙为稍不均匀场，其伏秒特性基本为水平线，冲击比为1，所以球 隙的冲击放电电压和交直流放电电压可以并列在一张表中。对比1/5μs更 短的波，伏秒曲线上翘，冲击放电电压将比表列数据高。若所用波形比 上述波形长，则对放电电压没有影响，仍可使用标准表。
由于冲击电压下放电（时延）存在分散性，表中所列放电电压值为 50%放电电压值U50%。
1
2.2 球隙U50%的确定
球隙U50%确定方法：
1、简单方法（10次测量法） 某一电压作用于球隙距离上，10次中有4、5、6次闪络（相应6、5、4 次不闪络）均可认为该电压为U50%。
2、多级法 逐级施加电压U，相邻两级间级差不大于预期放电电压的1%，每级 电压施加10次，各级放电间的时间间隔不小于30s，共做5级。求得在该 电压下的放电近似概率P%，然后在正态概率纸上标出对应于U一条拟合 直线，由此直线求得P=50%的U50%。
(t
−
λ
)dλ
3.3.1电阻分压器
② 分压器在标准雷电波作用下的输出响应 输入雷电波为： ui (t) = A(e−αt − e−βt ) 输出电压为：
∑ uO
=
2A π
∞ k =1
k
sin kπ cos kπ
x l [( e−αt
ατ − k 2
−
e−βt βτ − k 2
)−
−k2 t
τ (β − ∂)e τ ]
3.高压引线对电阻分压器性能的影响
高压引线有电感，使出现在分压 器顶端的电压不同于试品上的测量电 压，高压引线也引入了测量误差 。 (右图为集中参数等效电路)，阶跃响 应为：
u2
(t)
=
1−
e −δt
ω
cosωt + ω
δ
sin
ωt
δ = 1 ,ω = 1 − 1
2RC
LC 4R 2C 2
不振荡的条件为：R < 1 L 2C
2.3 用球隙测冲击电压时如何减小分散性
影响分散性的因素(球隙测量结果的可靠性，决定于测量结果的分散性): z 球面尘污； z 球隙空气游离不充分（放电必须由有效电子触发。对稳态电压而 言，持续时间长，不难在间隙中出现有效电子；而对冲击电压，则 一霎即逝） 。
解决措施： z 擦试干净和多次预放电; z 采用人工照射方法使间隙中空气游离。
x ≈ kπ l
x l
,并令
τ
= RC π2
∞
∑ g(t) = 1+ 2 (−1)ke−k2t /τ k =1
阶跃响应时间
∫ ∫ T =
∞
[1− g(t)]dt =
∞
−t
[2e τ
− 4t
− 2e τ
9t
+ 2e τ
−"]dt
0
0
= 1 RC[1− (x / l)2 ] ≈ 1 RC
6
6
T为分压器的阶跃响应时间，误差越大，面积T越大。IEC 规定，对标准冲击波分压器的T≤0.2μs。
3.1 冲击高压分压系统的构成及连接线原则
连接线的原则：①发生器先连线到试品，然后由试品连接到分压器； ②分压器与试品为避免相互的电场和电磁场干扰，须相距一定距离;③分 压器和试品间须加阻尼电阻（阻值为300Ω～400Ω），与长引线形成的阻 抗匹配，改善测量系统转换特性；④用屏蔽电缆传输信号（波纹管、编 织层、双层屏蔽）;⑤测试系统的接地应良好。
2.4 球的保护电阻 的作用
测交、直流时R较大，以保护球面和防振 荡；而对冲击R不宜太大。 原因如下：
① 冲击时间短，球面保护要求不高； ② 放电前，球隙电流I=ωCU 较大，R上压降亦大，R太大，影响测 量结果。 故需串R≤500Ω以防止过电压（电压截断时试品上引起的）及振荡 （大直径球隙回路中的振荡，易在球隙上引起比试品上更高的电压）。 为避免造成振荡，电阻器应是低电感的，其电感量应不超过30μH。
3.2 冲击测量系统的转移特性
１.频率响应
N ( jω) = N ( jω) ∠θ ( jω)
N( jω) 网络函数的幅频响应 θ ( jω) 网络函数的相频响应
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
幅频响应和相频响应常在扫描正弦波输入条件下获取，对较高电压的 分压系统获取幅频特性和相频特性有一定困难，常用阶跃响应反映分压 系统的转移特性。
阻尼条件为： r ≥ 2 L C
3.3.1电阻分压器
3.高压引线对电阻分压器性能的影响
加入r后，抑制了振荡，但增大了误差，增大测量系统响应时间。
∫ ∫ T1 =
∞
0 [1− u2 (t)]dt =
∞ 0
e −δt
ω
cosωt + ω
δ
sin
ωt dt
=
δ
2δ 2 +ω
2
当无阻尼电阻r时
δ = 1 ,ω = 1 −δ 2
测量交直流等慢过程的仪器和系统不一定适宜或根本不可 能测量冲击电压。所以冲击波的测量将是一个全新的内容。
冲击电压的测量包括两个方面：峰值测量和波形记录。
1 概述
冲击电压测量
幅值测量 波形测量
球隙测量 冲击分压器―峰值表测
冲击电阻分压器 ― 示波器测量 冲击电容分压器 ― 示波器测量 阻容混合分压器 ― 示波器测量
3.3.1电阻分压器
2.电阻分压器性能改进
①补偿法改善分压的性能。 在分压器顶端加一屏蔽环， 环与分压器本体间存在杂散 电容，由环流向分压器本体 间的杂散电容电流可以部分 补偿由分压器本体流向地的 杂散电容电流，从而改善分 压器上的电压分布。
②尽量缩小分压器尺寸以 减小对地杂散电容 。
3.3.1电阻分压器
1 概述
测量误差要求：
① 测量冲击幅值（对雷电冲击是全波峰值）的总的不确定度≤±3% ② 对雷电冲击截波得规定：
9 0.5us≤Tc＜2us时，总不确定度≤±5%； 9 Tc＞2us时，总不确定度≤±3%。 ③ 测量冲击波形时间参数的总不确定度≤±10%；
2 用球隙测量冲击电压的幅值 2.1 用球隙可以测量冲击电压幅值
初始分压比：
最终分压比：
U2
=
U1
⋅
R2 //(R3 + Z ) R1 + R2 //(R3 + Z )
⋅
Z R3 +
Z
3
3.3.1电阻分压器
1. 电阻分压器性能分析
∂u ∂x
=
R'i1, i2
=
k'
∂ ∂t
(∂u ),i ∂x
=
i1
+ i2 ,
∂i ∂x
=
C'
∂u ∂t
3.3.1电阻分压器
① 电阻分压器的阶跃响应
U (s)
=Uo
sinh λx s sinh λl
=
sinh
x l
s sinh
RCs
1+ kRs RCs
3.2 冲击测量系统的转移特性
2.阶跃响应
输出端开路，二端口的电压转移函数 （在零状态下，输出端的电压象函数与 输入端的电压象函数之比）为 ：
H (s) = U0 (s) Ui (s) 高压分压系统输入端为单位阶跃函数ε(t)，低压的阶跃响应为G(t)。 为了只比较输出端和输入端波形，输出电压进行归一化。归一化后的阶跃 响应为g(t)=KG(t)，K为稳态分压比。