基于分压器的冲击高压测量技术.docx

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基于分压器的冲击高压测量技术

基于分压器的冲击高压测量技术

摘要：

本文介绍了高压技术的现实意义，并由此提出高压测量的重要性。

提出标准规定的冲击高压测量系统的要求，并且着重讲述各类分压器的特性，从而限定基于分压器的冲击高压测量系统的应用范围。

关键词：

冲击高压测量电阻分压器电容分压器阻容分压器

随着经济的进一步发展，整个世界对电力的需求越来越高，因此近些年电力的发展的到各国政府相当大的重视。

从环境、资源、安全效益等多方面考虑，任何一种发电方式都不可能就地解决用电问题，所以不管哪种发电方式都离不开电力传输。

然而为了满足电力激增的需求，在当前条件下提高输电电压等级无疑是最好的方法。

因为线路的输送容量P与输送电压的二次方成正比，即P=U2/Z，其中Z为线路波阻抗。

输电电压愈来愈高，相应的对高压测量设备的要求也随之提高。

而脉冲电压测量技术，经过60年的发展之后，至今仍是科学领域的研究热点，完善测量技术，发展测量设备依然是当前的重要任务。

脉冲电压比操作脉冲作用时间短得多，为μs级，比交流及直流电压更短，所以其测量精度比其他电压更难达到。

1■脉冲电压的介绍以及测量方法

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。

冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面。

IEC60-（1994）和中国国家标准GB/T16927.2-1997把测量系统分为认可的测量系统和标准测量系统两类。

一般在实验室采用的是认可的测量系统。

标准规定的认可的脉冲电压测量系统的要求是：

（1）测量脉冲全波峰值的总不确定度位±3％范围内。

（2）测量脉冲截波的总不确定度取决于截断时间Tc。

当0.5μs≤Tc＜2μs时，总不确定度在±5％范围内；当Tc＞2μs时，总不确定度在±3％范围内。

（3）测量脉冲波形时间参数（如波前时间、半峰值时间、截断时间）的总不确定度在±10％范围内。

2■介绍基于分压器与示波器的测量技术：

分压器-示波器（或数字记录仪）：

通过分压器将脉冲高压转换为脉冲低压，将数百万伏的电压转换为示波器可以测量的电压，即数百伏，至多不超过2KV。

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，并可打印出波形。

按分压器的原理可分为三类：

电阻分压器、电容分压器、阻容分压器。

2.1■电阻分压器

内部电阻为纯电阻，结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好，被广泛采用。

在雷电冲击电压条件下，采用电阻分压器作为转换装置，具有一定的有点：

1）当它采用温度系数小的电阻丝康铜丝或温度系数小而且电阻系数高的卡玛丝绕成时，它的温度稳定性高，长期稳定性也较高。

2）采用压缩性的电阻分压器结构，它的响应特性有可能做得比较高。

由于具有上述的优点，较多的标准测量系统是由电阻分压器组成的。

但它还有一些不足之处：

1）为追求高响应性能，它的阻值不能太高。

由于它会对冲击电压发生器造成负载影响，他的接入会缩短冲击波的半峰值时间。

但一般可以调整发生器的波尾电阻来解决。

2）由于工作时电阻会发热，电阻的能量消耗与所加电压的平方值有关。

这就造成了当阻值选为10KΩ~20KΩ时，所加雷电冲击电压不能高于2MV的主要原因。

作为标准分压器，阻值应该不大于10KΩ。

同样由于上述原因，电阻电容器难以应用于测量操作冲击电压。

电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积有关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。

电阻分压器应尽量减少电感，为此，用卡玛丝或康铜丝正反密绕在一绝缘管上，层间只垫很薄的绝缘纸，然后浸在装有变压器油的绝缘筒中，以缩小分压器的尺寸，减少对地电容，并在其顶端装屏蔽环作补偿其结构见图1

图1带阻尼电阻（550Ω）及屏蔽补偿

电阻分压器测量冲击电压时所产生的误差，与阻值R和对地杂散电容C的乘积有关。

所以我们可以改变相应的参数来改进电阻分压器的性能。

例如测量高压快脉冲的电阻分压器、具有最佳方波响应的电阻分压器、两种变截面的高压纳秒电阻分压器、小型微妙级200kV脉冲电阻分压器、新型的600kV冲击电阻分压器。

2.2■电容分压器

测量脉冲电压用的电容分压器可分为两种类型。

一种分压器的高压臂是由多个高压电容器叠装组成，另一种分压器的高压臂仅有一个电容。

前一种分压器多半用绝缘壳的油纸绝缘的脉冲电容器来组装，要求这种电容器的电感比较小，能够经受短路放电。

一个高压油纸电容器是由多个元件串并联组装起来的，每个元件不仅有电容，而且有串联的固有电感和接触电阻，还有并联的绝缘电阻，当然每个元件还有对地杂散电容，这种分压器应看做分布参数，故名为分布式电容分压器，如图2所示。

后一种分压器的高压臂仅一个电容，常为接近均匀电场中的一对金属电极，它的电极间以空气为介质，是一个集中电容，故名为集中式电容分压器。

图2电容分压器及其对地杂散电容Ce

分布式电容分压器由多台脉冲电容器叠装而成，只有幅值误差而无波形误差。

至于幅值误差，只要用一个标准的分压器校订以后是完全可以消除的。

但在测量陡波时，由于电容分压器的电容比屏蔽电阻分压器屏蔽环的杂散电容大得多，因而响应时间也大很多。

所以对测陡波来讲，电容分压器的响应特性不如屏蔽电阻分压器好。

单电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦。

对测量波前和半峰值时间较长的波，电容分压器比电阻分压器较为有利。

此外电容分压器还可兼作为负荷电容供调节波形之用。

集中式电容分压器的高压臂可采用充压缩气体的标准电容器，这种电容器的电容值很准而且很稳定，介质损耗很小。

由于是被屏蔽起来的，电容值不受周围物体的影响。

在工频测量中，使用得很成功。

但用它来做冲击电容分压器时，出现了一些问题，即出现叠加高频振荡。

2.3■阻容分压器

阻容分压器按照连接方式可分为阻容串联分压器和阻容并联分压器。

阻容串联分压器也称阻尼电容分压器，近来高压分压器多做称这种形式，它克服了电容回路的剩余电感，阻止了分压器的振荡，性能优良。

而按所加的阻尼大小的不同，可把阻容串联分压器分为高阻尼电容分压器何地阻尼电容分压器两类。

高阻尼电容分压器不能兼作冲击电压发生器的负荷（调波）电容使用，它只供作为测量电压的转换装置之用。

低阻尼电容分压器的串联阻尼电阻很小，它的接入不会使试验回路产生标准波发生困难，它可以兼作负荷电容使用，是一种通用分压器。

从使用方便来看，它比高阻尼电容分压器优点多；但从响应特性来看，它不如高阻尼电容分压器，因为它还带有震荡。

设计上将电阻置于电容器内，每只电阻仅数十欧，总电阻也不过千欧，这是现代用的最广泛的高压分压器（>3MV），它同样可作为工频电压测量，额定电压要降到1／3脉冲电压左右。

图3是6MV户外式阻尼电容分压器，其顶部双环为高压电极，起均压作用。

图36MV户外式阻尼电容分压器

阻容并联分压器从理论上讲，当电压变化较快时，分压比主要有电容决定，而变化慢时由电阻决定。

他的电阻线正反密绕在瓷管上，与每节电容器并联。

实践证明，选取的电阻值不能太小，否则影响发生器的输出负荷，所以一般选得比较大，但太大了作用又显的太小，这样与无电阻的纯电容分压器差不多，为此，实验室在实际试验中已将电阻取消。

3■结论

当冲击电压的峰值超过50kV时，采用分压器与数字存储示波器（或数字记录仪）为主要组件的测量系统，通过分压器将脉冲高压转换为脉冲低压，只要分压器分压比相对稳定，在示波器上可立即获得冲击电压准确的时间参数和峰值。

操作简单方便，测量数值准确，性能稳定。

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