稳态高电压的测量.ppt

1,高电压的测量,2,高电压的测量,一、高电压测量标准与方法概述二、球隙放电法测量高电压三、高压静电电压表四、峰值表五、分压器六、光纤传输技术测量高电压七、测量高电压的示波器八、高电压测量的抗干扰,3,稳态高电压：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的高频高压或脉动成分很大的直流高压的测量。冲击电压：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过程(如直流和交流电压)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形记录两个方面。,稳态高电压与冲击高电压,4,高电压测量系统,测量系统的定义：有关高电压试验技术的国家标准GB/T 16927.21997中，把用来进行高电压或冲击电流测量的整套装置称为测量系统。测量系统组件：转换装置、转换装置接到试品或电流回路的引线、接地连线、转换装置的输出端接到指示或记录仪器的连接系统，其中包括了所附有的衰减、终端和匹配阻抗或网络、指示或记录仪器及其接到电源的连线,5,测量系统的分类：IEC 602（1994年版）和国家标准GB/T 16927.21997都把测量系统分为两类一类叫认可的测量系统（approved measuring system）一类为标准测量系统（reference measuring system）标准测量系统具有更高的测量准确度，可用以与前者进行比对并加以校准实验室中一般使用认可的测量系统进行测量这里所叙述到的测量的不确定度的要求，除特殊说明者外，均是指对认可的测量系统的要求,6,测量的不确定度（误差）,标准测量系统：在测量交流电压峰值或有效值，或直流电压的算术平均值时，测量总不确定度均应不超过1%的范围认可交流测量系统：要求测量系统在额定频率下测量试验电压峰值或有效值的总不确定度应在3%范围内。认可直流测量系统：一般要求测量系统测量试验电压算术平均值的测量总不确定度应不超过3%。测量直流电压的纹波幅值时，要求其总不确定度不超过10%的纹波幅值或1%的直流电压平均值冲击电压测量系统：测量冲击全波峰值的总不确定度为3%范围内测量冲击截波的总不确定度取决于截断时间Tc。当0.5sTc2s时，总不确定度为5%范围内；当Tc 2s时，总不确定度为3%范围内。测量冲击波形时间参数（如波前时间、半峰值时间、截断时间等）的总不确定度为3%范围内,7,实验室与电力系统的高电压测量,电力系统：电力运行部门测量交流高电压，是通过电压互感器和电压表来实现的。用电压互感器测交流电压把电压互感器的高压边接到被测电压，低压边跨接一块电压表，把电压表读数乘上电压互感器的变比，就可得被测电压值。电力系统没有专门的冲击电压测量系统实验室：互感器在高电压实验室中用得不多，因为高电压实验室中所要测的电压值常常比现有电压互感器的额定电压高许多，特制一个超高压的电压互感器是比较昂贵的，而且很高电压的互感器也比较笨重，所以采用别的方法来测量交流高电压,用电压互感器测交流电压,8,实验室的高电压测量,交流高电压测量：(1)利用气体放电测量交流高电压如测量球隙(2)利用静电力测量交流高电压如静电电压表(3)利用整流电容电流测量交流高电压如峰值电压表(4)利用整流充电电压测量交流高电压如峰值电压表直流高电压的测量：用高欧姆电阻串联直流毫安表可以测量直流电压的平均值，是一种比较方便而又常用的测量系统,冲击高电压的测量：(1)球隙法：是直接测量高电压峰值的一种方法。(2)分压器峰值电压表：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。(3)分压器示波器（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，可立即获得峰值和时间参数值，并可打印(4)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，有的则不须要分压器，测量系统中具有专门的传感器或电容探头。,(1)、(2)是直接测量的方法,9,扩大量程的方法：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。光电测量技术：光纤技术在电工领域中的应用日益广泛。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要求。光电测量高电压需要用其它测量方法加以校正。,10,球隙放电法测量高电压,1.球间隙放电2.交直流高电压的测量3.冲击电压的测量4.球隙法测量高电压的优缺点,11,垂直测量球隙,球间隙放电,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，另有水平球间隙（见IEC52出版物）,12,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。测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成稍不均匀电场。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,垂直测量球隙,13,球间隙击穿电压的确定,由于邻近效应的影响，球间的电场强度和击穿电压很难计算，球隙的放电电压主要是靠试验来决定的1938年I.E.C综合各国试验室的试验数据制订出测量球隙放电电压的标准表到1960年 I.E.C对1938年颁布的标准表又作了修正,垂直测量球隙,14,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S与D之比大于0.5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IEC或国家标准规定球隙距离：不大于0.4D标准球径D为：2；5；6.25；10；12.5；15；25；50；75；100；150和200厘米可测的电压峰值：从几千伏到近2000千伏,垂直测量球隙,15,交直流高电压的测量,串接保护电阻在用球间隙测量交流和直流电压时，经常需在球间隙上串联一个保护电阻R2。以测交流电压为例接线如图所示,交直流高电压测量球隙接线图,16,交直流高电压测量球隙接线图,保护电阻的作用,R1是保护变压器用的防振电阻而R2是与球隙串连的保护电阻。R2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，以免球极烧伤而产生麻点；另一方面当试验回路出现刷状放电时，可减少或避免由此产生的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,R2应放在图示的位置，使流过试品的电容电流或泄漏电流(视交流或直流电压而定)不在R2上产生压降。,17,保护电阻阻值的选择,(1)为了限流和阻尼，要求R2大一些；但为了避免R2上压降引起测量误差，要求R2小一些(2)对于测量直流和工频交流电压时，I.E.C推荐此电阻值为100千欧。(3)对于更高频率的交流电压，由于间隙的电容效应而引起的充电电流可使该电阻上的压降影响变为较大，因此应适当减小此阻值。(4)球直径越大，允许的每伏电压之电阻值越小，这有两个原因：第一，球径大它的面积也大，热容量大而且散热好；第二，球径大，球间电容大，电容电流也大,交直流高电压测量球隙接线图,由于保护电阻和球隙电容的存在引起的误差有多大？,18,正确使用球隙测量交直流高电压的其它措施,预放电：如果空气中有灰尘或纤维物质，则会产生不正常的破坏性放电。因此在取得前后一致的数据以前，必须进行多次预放电。在放电电压值相对稳定后，才正式算数。最后测量应取三次连续数的平均值，其偏差不超过3%。射线照射：IEC认为在测量峰值50kV以下的电压以及用直径为12.5cm或更小的球测量任何电压时，都需要用r射线或紫外线照射,交直流高电压测量球隙接线图,19,冲击电压的测量,测量冲击与稳态高电压的区别与联系影响因素：球隙测量电压的可靠性，决定于测量结果的分散性。有两个因素影响放电的分散性：一是球面的尘污，二是球隙间空气游离不充分。前者使放电电压降低，后者使放电电压升高。尘污影响：前者对交、直流和冲击影响一样，后者在冲击下才显得突出自由电子影响：放电必须由有效自由电子来触发，交、直流电压变化慢，持续时间长，不难在间隙中出现有效自由电子。冲击电压变化快，一霎即逝，要在这样短暂瞬间正好出现有效自由电子比较困难。当测量电压较高，所用球径较大，间隙所占空间较大，出现有效自由电子比较容易，当测量电压较低，所用球径较小，间隙所占空间较小，出现有效自由电子比较困难,20,激发自由电子的方法：所以国际标准规定，凡所用球径小于12.5厘米或测量电压低于50千伏，都必须用照射，即用人工方法使间隙中空气游离。例：一种方法是用石英水银灯所产生的紫外线照射球的闪络点，要求石英水银灯的功率不小于35瓦，电流不小于1安，灯离球有一定距离，希不因此接地物的存在而影响放电电压。这项有关照射的规定，对测量冲击和稳态高压都是适用的，且对于前者作用更为明显预放电：冲击和稳态都需要预放电,21,保护电阻：测量交直流电压时球隙必须串有很大阻值的保护电阻来保护球面和防止振荡冲击放电时间很短，不需要保护球面，而且放电前经过球隙的电容电流较大，如串联电阻过大，会影响测量结果。但也不能不要串接电阻，因为仍有防止过电压的问题，一般规定串联电阻以不超过500欧姆为宜冲击比：一般间隙的冲击放电电压高于交流和直流的放电电压，冲击比大于1。因为球隙是个稍不均匀电场，它的伏秒特性大体上是条水平线，冲击比等于1。所以球隙的冲击放电电压和交直流放电电压可以并列一张表中，但表中所列是50%放电电压值，也即是冲击放电电压的平均值,22,50%放电电压的测量,50%放电电压的概念：所谓球隙的50%放电电压值，是指在此电压作用下，相应的球间隙距离的放电概率为50%测量方法：一种简单的作法，如使某一冲击电压作用到某一球隙距离上，十次中如有五次放电五次不放电，则此冲击电压即为该球隙距离的50%放电电压。但要在十次中正好有五次放、五次不放，实践中有困难，所以有规定认为如十次中能有四次放、六次不放，或六次放、四次不放都可算作50%放电电压。概率本身代表多次事件中出现的频率，次数少了不一定准确。很有可能，即使电压、距离都不变，这十次中的放电概率与后十次中的很不相同，但如次数多了，还是可能得出一准确值的不仅球隙测量用50%放电电压，所有自恢复绝缘，只要它的放电分散情况符合正态分布规律的，都采用50%放电电压确定50%放电电压的方法分多级法和升降法等,23,多级法：用多级法求某一间隙的50%放电电压时，可向此间隙逐级施加电压U，每级电压施加10次，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相应于U的P点。如此做45点，即可得出一条拟合直线，由此直线可求得相应于P=50%的U值，即为50%放电电压U50。一般认为在P=2080%范围内P与U近似直线关系，在P=5080%做一点及P=2050%做一点，联成直线即可求得U50。又从正态概率纸上求得P为15.85%以及84.15%点所对应的U值，它和U50之差，即标准偏差升降法：参见教材p.181,电压与放电概率,24,球隙法测量高电压的优点,(1)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(2)结构简单，容易自制或购买，不易损坏(3)有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可达3%以内。,25,(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。(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，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2%，测量较费时间。(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50%放电电压法，手续都较麻烦。(4)要校订大气条件。(5)被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3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，测量球隙的前途将成问题。(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。,球隙法测量高电压的缺点,26,静电电压表测量高电压,1.概念与原理2.适用范围、分类3.特点4.使用注意事项,27,高压静电电压表,概念与原理：加电压于两个相对的电极，由于两电极上分别充上异性电荷，电极就会受到静电机械力的作用。测量此静电力的大小，或是测量由静电力所产生的某一极板的偏移(或偏转)来反映所加电压大小的表计称为静电电压表,平板电极间的电场和静电吸力,28,发明人：早在1884年凯尔文（Kelvin）就设计了以这种测量原理为基础的静电电压表适用范围：测量稳态电压。静电电压表已广泛应用于测量低电压，并且也用它直接测量稳态高电压。由于它的内阻极大，可以把它并在分压器的低压臂上，通过它的电压读数乘以分压比来测量高电压,为什么不能测量冲击电压？,29,类型：静电电压表有两种类型，一种是绝对仪静电电压表；另一种是工程上常用的静电电压表，是非绝对仪绝对仪静电电压表：所谓绝对仪静电电压表是测量作用力F并根据极板尺寸，通过计算可得作用在极板上的电压的表计。不必用其它仪表的校订来刻出电压刻度。相反，由于它的测量准确度高，所以可用它来校订其它表计非绝对仪静电电压表：工程上所应用的静电电压表是非绝对仪，需要用别的测量仪表来校正它的电压刻度。它在工作时，一个可动电极产生了位移或偏转，利用所设置的张丝所产生的扭矩或弹簧的弹力等产生了反力矩，当反力矩与静电场力矩相平衡时，可动电极位移到一稳定值。用可动电极相连接的指针或反射镜的光线指示，便可读出被测的电压值,30,特点：静电电压表的优点是它基本上不从电路里吸取功率，或是准确地讲只吸取极少量的无功率，用以建立极板中的电场和极板对地的杂散电场。由于仪表极板的电容一般仅几个到几十个微微法，所以所吸收的功率极小，可以认为静电电压表的内阻抗极大，这是它的最大优点。稍低一点的额定电压表计，可接到分压器上来扩大其电压量程。对于波形是纯正的正弦波的高电压来说，用静电电压测量出有效值也就反映出它的峰值。缺点：介质击穿取决于峰值，当正弦波含有谐波时，用静电电压测量时就失去了它的优势，因为国家标准认为，在此条件下应先测出峰值UM，然后用UM/算作为电压的有效值,31,使用注意事项普通高压静电电压表在使用时，应注意高压源及引线对表的电场影响，引线应水平地从接地极板后侧引入。因为仪表虽已有电场屏蔽装置，但外界电场的影响仍然不同程度地存在着。静电电压表的安放位置或方向及高压引线的路径若处置不当，往往会造成显著的测量误差。此外，高压静电电压表不像低压表那样四周已被封闭起来，所以不宜使用于有风的环境中，否则活动电极会被风吹动，造成光标指示摇晃而形成测量误差,32,国产高压静电电压表的型号及规格,33,峰值电压表测量高电压,1.定义2.种类,34,峰值电压表,定义决定绝缘击穿的是交流高电压的峰值，所以测量峰值的电压表即峰值电压表，在一定意义上来说比静电电压表更具有重要的意义种类峰值电压表的种类，典型的有利用电容电流整流测量峰值、利用整流的充电电压测量峰值和有源数字式峰值电压表三种，还有配合分压器的峰值电压表,35,利用电容电流整流测量峰值,利用电容电流测电压峰值的接线 利用电容电流测电压峰值原理图,36,利用整流的充电电压测量峰值,利用电容器C上的整流充电电压测量峰值 电容C上的电压波形,37,通过电容分压器测量交流电压峰值,通过电容分压器测量交流电压峰值,38,有源数字式峰值电压表,有源数字峰值表的原理图,39,分压器测量高电压,1.高压交流分压器及充气标准电容器2.高压直流分压器3.测量冲击电压的分压器,40,1.高压交流分压器及充气标准电容器,分压器的原理分压器的误差分析高压电容分压器的实现高压标准电容器及集中式分压器,41,分压器的原理其中Z1为分压器高压臂的阻抗，Z2为分压器低压臂的阻抗，大部分的被测电压降落在Z1上，Z2上仅有一小部分电压，用低量程电压表测量得Z2上的电压，乘上一个常数，即可得被测电压。这个常数叫做分压比K,交流分压器接线图,42,对分压器提出基本要求,要求被测电压与Z2上的电压仅在幅值上差k倍，相角应完全相同，或相角差极小，一般K1。分压器是个中间环节，要达到上述目标，对分压器提出基本要求如下：(1)分压器接入被测电路，应基本上不影响原始的被测电压峰值和波形。(2)由分压器低压臂所测得的电压波形应与被测电压波形相同，分压比应与被测电压的频率和峰值大小无关。(3)分压比与大气条件(气压、气温、一般条件下的湿度)无关或基本上无关。分压比应较稳定，国家标准规定其测量的不确定度应在|1|以内。(4)分压器所消耗的电能应不大，不会对电源造成大的负载效应。在一定的冷却条件下，分压器消耗的电能所形起的温升，不应引起分压比的改变。(5)分压器中应无电晕及大的绝缘泄漏电流，或者说即使有极微量的电晕和泄漏，它们应对分压比的影响很小,43,分压器的误差分析,杂散电容：对于电阻分压器来说，图中示明高压臂电阻R1由n个R元件串联构成，每个R元件有它的两端间的并联杂散电容C,并有一个对地杂散电容Ce。一般C很小可忽略不计，只考虑Ce的影响。分压器总的对地电容为Ce，它等于nCe,电阻分压器电路图,44,电阻分压器的适用范围：若u1=U1Msint，通过计算得到低压臂上电压为 u2=AU1Msin(t-)/K式中分压比，而 A1(R1Ce)2/180 tg-1(R1Ce/6)上式中，A小于1，反映分压器产生幅值误差；反映产生了滞后的相角误差。可以看出频率越高，电阻越大，杂散电容越大，测量误差也越大。较高电压的分压器的尺寸必定较大，对地杂散电容势必随之而增大。而且在测量较高电压时，电阻也必须增大，否则电流太大，即对被测电压源不利，而且会造成分压器本身的温升太高，也会引起误差。可见电阻分压器只适合于测量频率不过高和幅值不太高的交流电压，一般在工频电压下，只应用于几十千伏的电压等级下,45,电阻分压器电路图,通过近似计算可得当u1=U1Msint 时，u2=U1Msin1(Ce/6C1)/K 杂散电容Ce可用西林电桥测得杂散电容Ce也可用近似计算法算得。因堆积式电容器是圆柱形的，它构成一垂直于水平面的金属圆柱体。设它的长度为，直径为d，下端离地面距为h，则,如何实现？,46,高压电容分压器的实现,适用范围：电容分压器可使用于几千伏至3兆伏广泛的交流高电压范围之内。在有些高压实验室里，已发展工频和冲击电压兼用的电容分压器例：清华大学研制了一种高压臂电容量C1为300pF的ZRF型冲击工频两用油纸介质阻尼式电容分压器。工额的额定电压为1200kV（有效值）；冲击（1.5/40微秒）的额定电压为2400kV（峰值）。它由八个阻容元件组装而成 电容分压器有两种主要形式：一种称为分布式电容分压器，它的高压臂由多个电容器元件串联组装而成。前面所进行的误差分析，就是针对这类分压器的。另一种称为集中式电容分压器，它的高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器，将在后面进行介绍,47,分布式分压器的高压臂各个电容元件的选择：应尽可能为纯电容，要求它的介质损耗和电感量小，实际所用的元件为(1)油纸电容器或油浸渍塑料（如聚丙烯）薄膜电容器(2)聚苯乙烯电容器(3)陶瓷电容器为了减小杂散电容的影响，C1值不应太小。但分压器的C1值的增大，不仅增加了投资费及分压器的尺寸，而且增加了工频试验变压器的负荷，所以C1应选择一合适的数值。在不考虑冲击电压测量时的专用交流电容分压器，一般C1取100200pF的数量,48,分压器的低压臂电容C2应低压臂电容的选择及系统接线：C2由高稳定度、低损耗、低电感量的电容器作成。C2通常应用云母、空气或聚苯乙烯介质的电容器，准确度要求不高时，也可以用油纸电容器或金属化纸及金属化薄膜电容器。系统屏蔽：通常分压器的高压臂C1处于试区内，测量用低压电压表处于控制室中。为防止空间杂散电场所造成的电容Cs的影响，低压臂电容及连接高压臂和电压表之间的导线都应屏蔽起来。实际上后者是采用屏蔽电缆，如图所示。,工频电容分压系统接线图,所有屏蔽应良好接地。低压臂电容可以全部或部分放置在屏蔽电缆的任何一端,49,高压标准电容器及集中式分压器,概述：组成分布式分压器的电容元件多少存在介质损耗和电感影响。严格的来讲，其电容量随环境温度及作用电压的高低都会有些变化。从长远的运行观点来讲，电容量的稳定度很难保证IEC及国家标准所规定的1测量不确定度。需不时进行校正试验。才可符合规定的标准。此外，分布式分压器难以实现良好的屏蔽，因此采用了一种集中式分压器，它的高压臂电容由压缩气体介质的电容器作成标准电容器的概念：由于气体介质基本上无损耗，接近于理想介质，由它构成的电容器的电容量不受作用电压的影响，准确而稳定。这种电容器有良好的屏蔽，有无晕的电极，电容值不受周围环境的影响。所以这种应用气体作介质的电容器，被称作为标准电容器,50,高压标准电容器的功用有：(1)作为电容分压器的高压臂，用来测量交流电压的峰值、有效值或测量其波形。近来也已发展用它来测量冲击电压(2)用它作为高压西林电桥上的标准电容，高压西林电桥是用来测量电容器、电缆、套管的介质损失角正切值和电容量的。(3)作为耦合电容器与无线电干扰测量仪器相配合，用于检测变压器、套管等的局部放电以及高频干扰电压。(4)作为微分积分测压系统的元件，可用来测量雷电冲击电压,51,（a）直流电阻分压器（b）高欧姆电阻串联毫安表,2.高压直流分压器,直流分压器的概念：能用来测量直流高压的分压器是由电阻元件组成的分压器真正符合分压器概念的是图（a）所示的接线图。在此图中，跨接在低压臂电阻R2 上的电压表，必须是高内阻的表计，如静电电压表或数字电压表。另一种测直流高电压的接线是图（b）状的，高压电阻器R1已知，则测得流过它的电流值，便可获得所加的电压值。由于所加的电压很高，所以无论上述哪种接线，R1的阻值都是很高的，一般R1由数个或数十个电阻元件串联组成,52,R1阻值的选择,R1阻值的选择不能太小，否则要求直流高压源供给较大的电流I1，且R1本身的热损耗也会太大，以致R1阻值不稳定而增加测量误差。另一方面也不能选得太大，否则由于I1过小而使电晕放电和绝缘支架的漏电都会造成测量误差国际电工委员会规定I1不低于0.5mA。一般I1选择在0.52mA之间，额定工作电压高的分压器I1可选大些(因为电晕和泄漏也更严重些)，电压低的分压器则I1可选小些，实际上I1常选定为1mA,53,造成电阻分压器测量误差的主要原因,主要原因：造成电阻分压器测量误差的主要原因是电阻值不稳定虽然就整个测量系统的误差来讲除了R1、R2引起的误差之外还应包括串接的毫安表或并接的电压表的误差，但电表的误差比较容易控制。造成R1、R2实际阻值变化的原因可归结为三个：电阻本身发热或环境温度变化；电阻元件上或附近的电晕放电；绝缘支架的泄漏。采取的一些措施：对此三个方面都可以起抑制作用的一种措施是分压器内充以变压器油。它既起加强散热的作用，而且增加了绝缘强度。通过电泵的作用，通以循环的油流或高绝缘气体的气流则效果更佳。若分压器内充以高气压的气体或高绝缘气体则对抑制电晕和泄漏电流是有效果的。对后者的作用虽不是直接的，但因此时容器是密封的，至少可以防止潮气的侵入。,54,电阻分压器改进措施,选用温度系数小的电阻元件：电阻因温度变化造成阻值变化的大小，主要决定于所选电阻材料的温度系数。现可采用的电阻器主要是线绕电阻和金属膜电阻。碳膜电阻已基本上被金属膜电阻所取代，具有较大热容量（对于整个电阻尺寸而言）的合成碳棒电阻在欧美先进国家在生产和使用，而我国则过早地淘汰了。精密线绕电阻通常采用卡码丝一类的合金丝绕成，它的热容量大，温度系数很小，一般10ppm/（注ppm指Parts Per million 即106），优质的可15ppm/。精密金属膜电阻的温度系数约为(50100)ppm/。为减少发热造成阻值变化，除了根据分压器准确度等级的要求，可选用温度系数小的电阻元件外，常分别或同时采取以下措施：（1）选择元件的总瓦数大于分压器所需功率以减小温升（2）金属膜电阻和线绕电阻的温度系数常常有正有负，因此在串联使用时可合理地加以搭配，使R1整体的温度系数在一定条件最小。不过温度系数的大小及其正负值，实际上是温度的函数，所以只能说在某一定温度范围内才可以实现本项措施,55,加装屏蔽罩和屏蔽壳：电晕放电会造成测量误差，是由于处在高电位的电阻元件上的电晕，会损坏电阻元件特别是薄膜电阻的膜层使之变质，而且对地的电晕电流将改变R1的等效电阻值，使之有不同程度的增大，从而造成测量误差。为此除将I1适当选大一些外，还应采取下述12个措施。（1）高压端应装上可使整个结构的电场比较均匀的金属屏蔽罩。（2）准确度要求高的分压器，其电阻元件应装上等电位屏蔽。即将电阻元件用更大半径的金属外壳屏蔽起来。屏蔽的电位可由电阻分压器本身来供给，亦可由辅助分压器供给,56,选择大电阻绝缘材料：绝缘支架的漏电造成测量误差可通过选用绝缘电阻大的结构材料来减小。中性的聚苯乙烯是这种可选用的材料之一等电位屏蔽也可减小漏电或漏电的影响,57,电阻分压器原理图,3.测量冲击电压的分压器,1）电阻分压器分压器高压臂为R1，低压臂为R2。电阻材料：测量冲击电压的电阻分压器，通常是用电阻丝绕制的。为了减小电感，要求在满足电阻值及温升不过高的前提下丝线尽可能短，要求所用材料是非磁性的且比电阻较大。为了避免阻值随温度而变动，要求所用材料的温度系数较小，通常是用卡玛丝、康铜丝按无感绕法做成。阻值：测量雷电冲击电压的电阻分压器的阻值一般约为一万欧姆左右，不宜超过两万欧姆，最小不低于两千欧姆。一般最高测量电压为2000千伏。适用波形：测量操作冲击电压很少采用电阻分压器，更宜采用电容分压,58,测量误差的理论分析,误差原因：和工频分压器一样，由于分压器存在对地的分布杂散电容，电阻分压器在测量冲击电压时存在峰值测量误差和波形滞后的测量误差（这里暂不考虑回路电感的影响）阶跃响应：研究冲击分压器误差时，常考虑在它的高压端输入一阶跃波，然后计算或测量低压臂两端的输出波，此输出波称作为阶跃响应,59,阶跃响应的理论计算,令施加的阶跃波幅值为U0，则u2（t）=（U0/K）12exp（-t/）2exp（-4t/）2exp（-9t/）式中R C e/2 K为稳态分压比，K（R1R2）/R2标准化的单位阶跃响应：令U0/K为1，此时的响应称为标准化的单位阶跃响应，即,60,分压器传递性能判断：用g（t）的形状可以反映分压器传递性能的好坏。分压器优劣的判据：根据IEC 602，对于非振荡性质的RC响应波，可以用阶跃响应时间T这一特性指标来判断分压器的优劣。实验阶跃响应时间：IEC 602规定的实验阶跃响应时间的定义为,式中O1称为g（t）的视在零点，它是通过g（t）波前最陡点所作正切直线与时间横轴线之间的交点。tmax是记录某一波形所考虑的时间上限值。为了简单起见，在此姑且认为TNT，即阶跃响应时间为,61,电阻分压器的方波响应g（t）及T,计算举例：一台测量雷电冲击波的电阻分压器，高压臂电阻R1为2104欧，对地总杂散电容Ce为50pF，求g（t）及T。解：RCe/20.101s代入g(t)的计算式得,实际计算g（t）时，k取到4就足够了,画出g（t）的图形如图所示,62,电阻分压器的方波响应g（t）及T,响应时间：剖面部分为阶跃响应时间TTRCe/60.167s响应时间要求：T0.2s即可满足测量1.2/50s全波或波尾截断波的要求结论：这台分压器基本上符合技术标准,63,振荡型阶跃响应,振荡型阶跃响应的概念：有时为了补偿分压器的对地电容Ce，在分压器的高压端安装一个园伞形屏蔽环。然而由于此屏蔽环的存在，也增加了高压端的对地电容Ce，它会与高压引线的电感形成振荡。即使在导线首端加上阻尼电阻，振荡仍难以避免。此时测量系统的阶跃响应g（t）如图所示。这类阶跃响应叫做振荡型阶跃响应。,振荡型阶跃响应,带屏蔽环的电阻分压器,64,电阻分压器测量回路,连接与屏蔽：波形记录仪或示波器往往离分压器几米到几十米，其间要用射频同轴电缆相连接。电缆采用损耗小的聚乙烯作为绝缘。电缆外金属皮套接地，以免电磁场干扰。阻抗匹配：它的波阻抗Z大多为50，75。由于被测冲击波波前较陡，截波变化更快，所以电缆的一端或两端需有波阻抗进行匹配，以免电缆两端不断产生波的反射，后者会使记录到的波形出现高频振荡,电阻分压器测量回路,65,图中R1和R2分别为分压器的高低压臂电阻，R4为末端匹配电阻，它与电缆的波阻抗Z相等。R3为首端匹配电阻即R2R3Z分压比：t0时的分压比称作初始分压比；t时的分压比称作稳态分压比。总分压比：可以论证当测量阶跃波时，初始分压比和稳态分压比是相等的。总的分压比K为高压端输入电压u1与示波器（CRO）两端获得的电压u2之间的比值,电阻分压器测量回路,66,分压比：Kn（R1R2）（R3R4）R1R2/R2R4式中n为在R4上的二次分压比值。单端匹配：若K值太大，可改为仅首端或末端用电阻匹配电缆芯电阻：电缆较长时，在末端匹配时，需计入电缆芯电阻的分压作用,电阻分压器测量回路,67,电容分压器及其对地杂散电容Ce（Ce）,2）电容分压器,种类：与测工频交流的电容分压器一样，测量冲击电压的电容分压器也可分为两种型式。一种分压器的高压臂是由多个高压电容叠装组成；另一种分压器的高压臂仅有一个集中的电容测量误差来源：分布式电容分压器中的串联电感由于已在设计电容器时，注意到减至最小。所以当测量全波电压而且额定电压不很高，即分压器高度不很高时，可以忽略它的作用。此时分压器的测量误差，主要是由对地杂散电容Ce引起。与分析工频交流分压器时一样，分压器只造成峰值测量误差，而无波形误差,68,低压侧电压：通过计算可得：u2（t）=(u1/K)（1Ce/6C1）分压比：K(C1+C2)/C2,电容分压器及其对地杂散电容Ce（Ce）,幅值误差：从上式可见，分压器系统若无电感，从测波形而言，特性很好。其幅值误差与Ce/6C1值相关,杂散电容：Ce值可按垂直圆柱体的对地杂散电容来估算。一般直径下，其值约为每米长20 pF。,分压器电容：若要电容分压器的输出电压峰值误差不超过1，则电容分压器的每米电容量不应小于300 pF。如分压器高度按每米500千伏估计，则电容分压器每百万伏的电容量不应小于600 pF。,69,电容分压器及其对地杂散电容Ce（Ce）,电容量的大小限制：对百万伏以上较高电压的电容分压器来讲，有时要满足这样的要求是有困难的。因为电容值过大，不仅增加了成本费及其直径；而且对冲击电压发生器来讲是增加了负荷，有时是不允许的。计算中使用的电容：一般C1采用有限值，通过现场实测它的有效电容C1e，用它取代C1来计算分压比。或是在现场用精密的分压器来校订它的特性。在使用这些方法时，现场条件包括分压器位置、高压引线、试品位置等应该与实际测量时基本上一致,70,同轴电缆两端匹配的测量回路,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,低压臂测量回路：电容分压器低压臂的测量回路可采用图示两种测量回路,一是电缆首端匹配电阻图中的R1等于电缆的波阻抗Z,一是电缆两端匹配电阻图中的R1、R2等于电缆的波阻抗Z,初始进入波：施加阶跃电压的初瞬，进入电缆的波幅都为：U1C1/(C1+C2)Z/(Z+R1)C1U1/2(C1+C2),71,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,波过程：在图中，电缆末端为示波器输入端，输入阻抗甚高，输入电容很小，可以看为开路。故进入的电压波到末端有一正的反射波迭加到入射波上，示波器获得的电压为C1U1/(C1+C2)。等到反射波运行到电缆首端，由于C2较大而R1已经与电缆波阻相匹配，故在首端无再次的反射波,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,72,初始分压比：在此初瞬时 K1(C1+C2)/C1似稳状态：波在电缆中运行两倍行程的时间2后，可看作达到似稳状态，此时电缆被看作为是一个电容C0，故当t2时 K2(C1+C2C0)/C1,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,73,K1(C1+C2)/C1，K2(C1+C2C0)/C1电压过冲问题：由于K1与K2有些差异，同轴电缆将引起电压最初的“过冲”，其相对值与C0/(C1+C2)有关对于短的或中等长度的电缆，以及高C2值，即高分压比的情况，此过冲的作用甚微，可以忽略当电容分压器应用于测量暂态电压的现场试验时，常需用较长的电缆，此时可以采用早年由FGBurch提出的接线图：同轴电缆两端匹配的测量回路,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,74,同轴电缆两端匹配的测量回路,在此回路中选择C1+C2C3C0初始分压比：t0时，分压比,同轴电缆两端匹配的测量回路,75,似稳态分压比：t2时，分压比K2(C1+C2+C3C0)/C12(C1+C2)/C1分压比相同：回路的初始分压比和似稳态分压比相同,同轴电缆两端匹配的测量回路,76,3）阻尼式电容分压器,高频振荡：电容分压器由于其本身有分布电感及对地的杂散电容，在施加陡峭冲击波时，会产生高频振荡。高压引线与分压器的电容，也会产生振荡电压。施加的波形越陡，分压器的额定电压越高，即其高度越高，波形振荡的问题越为突出。多年前的阻容并联分压器商品也存在这个问题阻尼式电容分压器：70年代起，发展了阻容串联分压器，也就是阻尼式电容分压器,阻容分压器原理图,77,阻容分压器原理图,初始分压比：K1(R1+R2)/R2似稳态分压比：K2(C1+C2)/C1令K1K2 即得C1R1C2R2实际取值：考虑到大回路振荡的条件建议C1R1C2R2如取R20.8C1R1/C2等。用途：阻尼式电容分压器可以作为工频和冲击两用的分压器低压臂测量回路：阻尼式电容分压器的低压臂测量回路的处理方法与电容分压器相同,78,六、光纤传输技术测量高电压,利用光纤传输技术和光学传感器测量高电压，特别是测量冲击高电压，越来越受到人们的重视，因为它具有许多优点优点：高压和低压测量仪器通过光纤隔离，后者具有很高的绝缘水平而且具有高抗电磁干扰的能力。在冲击电压的测量中，用光纤取代了同轴电缆传递信号，排除了产生电磁干扰的一个重要环节，有利于通用数字示波器及其它数字化仪器在高电压条件下的测试。目前光纤传输系统的测量频带已经可以做得很宽，能满足测量准确度的要求缺点：但与传统的高压分压器或分流器为主要部件的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差,79,调制方式：幅度光强度调制（AMIM）；调频光强度调制（FMIM）；数字脉冲调制；利用光电效应。,80,七、测量冲击高电压的示波器,高压电子示波器概念：是一种记录快速一次过程现象而且具有高加速电压的专用电子示波器。应用领域：在高电压技术领域中，应用它观测和记录一次过程的雷电冲击波或操作冲击波。在军工、核物理、近代物理、力学等技术领域，也应用它记录高速动态过程。示波器的特点频响特性：记录速度高，加速电压高（一般为1020kV）；具有较高的频率响应特性,抗干扰性能：垂直灵敏度不高，被测电压信号峰值高（3001000V）；信噪比较高；只装有信号衰减器，不装设放大器,使用方法：需通过照相的方法记录所显示的波形,误差：峰值测量不确定度应不大于2%；波形时间的测量不确定度应不大于4%,发展趋势：逐渐有被数字存储示波器所取代的趋势,81,数字存储示波器和数字记录仪,瞬态仪：数字存储示波器和数字记录仪（Digitiger，又称瞬态波形存储器）是20世纪60年代发展起来的新型测试仪器。应用领域：主要用作测量各种瞬态过程，如爆炸、冲击、振动、武器发射过程及高速电磁脉冲（EMP）的测量等。它在各种工程技术、生物医学、原子物理、军事科学等领域中已得到了广泛的应用在高压领域的应用：1