高電壓和大電流的測(cè)量.ppt

1、高電壓技術(shù),第6章 高電壓和大電流的測(cè)量,對(duì)高壓測(cè)量的要求和必要條件 被測(cè)電壓高，需專門的高壓到低壓轉(zhuǎn)換裝置 需考慮信號(hào)傳輸過(guò)程的畸變 信號(hào)變化快，要求測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性好 要充分考慮寄生參數(shù)的影響 高電壓和沖擊電流測(cè)量不確定度應(yīng)3；使用的低壓儀器準(zhǔn)確度應(yīng) 0.5（0.5級(jí)） 測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部可能存在放電，電磁干擾復(fù)雜，達(dá)到規(guī)定要求并不容易,6.2 交流高壓的測(cè)量,在電力系統(tǒng)中，通常用（電壓互感器PT低壓測(cè)量?jī)x表）監(jiān)視運(yùn)行電壓。 但在高壓實(shí)驗(yàn)室中，試驗(yàn)用高壓很高，電網(wǎng)用的PT不再適。重新定制PT的造價(jià)高，且PT體積、重量也大，所以一般不用電壓互感器。 試驗(yàn)室常用測(cè)量高壓的方法： 球隙法 靜電電壓表

2、 電壓互感器(PT) 分壓器（電容式、電阻式） 電流計(jì)算法（高壓電容器配合整流回路）,直接測(cè)量法,轉(zhuǎn)換測(cè)量法,6.2.1 球隙法,理論依據(jù)：均勻電場(chǎng)中，氣體擊穿電壓與間隙距離有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。球隙特點(diǎn)：電場(chǎng)較為均勻。 測(cè)量方法：利用試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)的讀數(shù)換算。取10次的平均值，并保證標(biāo)準(zhǔn)偏差10%平均值。最后再進(jìn)行大氣環(huán)境的修正。 * 球隙放電電壓是被測(cè)電壓的峰值,球隙法的布置注意事項(xiàng)（結(jié)構(gòu)見(jiàn)課本）,圖中A、B值的要求,A放電點(diǎn)與大地之間的距離 B放電點(diǎn)與周圍物體之間的距離,使用球隙法應(yīng)注意：,周圍物體（主要指帶電和接地物體）的影響 照射。國(guó)標(biāo)規(guī)定：當(dāng)被測(cè)電壓50kV時(shí)或者D12.5cm時(shí)，均

3、須照射。 保護(hù)電阻。使用串聯(lián)電阻避免放電時(shí)火花灼傷球表面，保護(hù)電阻一般取100k1M 球表面要光滑，表面曲率半徑足夠大。其表面要潔凈，無(wú)灰塵。 球隙放電電壓是被測(cè)電壓的峰值。,球隙,6.2.2 靜電電壓表,原理：帶異性電荷的兩導(dǎo)體間的靜電力與導(dǎo)體間電位差的平方成正比。 測(cè)量方法：與球隙相比，可連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)電壓,由于極間電容很小，一般為550pF，電極間靠大氣絕緣，因此吸收功率很小不影響被測(cè)電壓。 可用于直流、工頻，隨頻率升高，吸收功率增大。用于高頻時(shí)，需考慮吸收功率。 靜電力與電位平方成正比，刻度非線性。,6.2.3 電壓互感器PT,需要用儀表讀取低壓側(cè)的數(shù)據(jù)，可用低壓電壓表、示波器、數(shù)字記錄

4、儀等 分成電磁式和電容式。 電磁式PT：電磁耦合原理 電容式PT：又叫CVT（用于超高壓回路），測(cè)量回路如下,（C1C2）和L滿足諧振條件后：,電容式PT工作原理推導(dǎo),等效電路圖如下,KCL,KVL,VCR,分析,分析條件,6.2.4 電容式和電阻式分壓器,兩種分壓器都需考慮消除靠近高壓端的電暈,R的阻抗C2的容抗 電壓表V輸入阻抗高,寄生電容的影響顯著 電阻上的發(fā)熱，引起阻值變化，測(cè)量電壓范圍受到限制,6.2.5 高壓電容器配合整流回路,半橋整流：,全橋整流：,要求：電容C1、電流Ipin和頻率f測(cè)量準(zhǔn)確，頻率不發(fā)生變化,測(cè)量通過(guò)電容器的電流就能夠推算出被測(cè)交流高壓的峰值,全橋整流時(shí)，流過(guò)電

5、流表的電流增大1倍,6.3 直流高壓的測(cè)量,注意：帶有脈動(dòng)的直流高壓中，脈動(dòng)分量的幅值U=(Umax-Umin)/2，脈動(dòng)系數(shù) 測(cè)量?jī)x器： 高阻分壓器 旋轉(zhuǎn)電位計(jì) 靜電電壓表 標(biāo)準(zhǔn)“棒棒”間隙,6.3.1 高阻分壓器,由于測(cè)量直流高壓時(shí)不需要考慮寄生電容的影響，所以高壓電阻可以不采取屏蔽,6.3.2 靜電電壓表,表示的是瞬時(shí)值的平方的平均值，因此在直流紋波較大時(shí)，讀數(shù)不是平均值。,6.3.3 旋轉(zhuǎn)電位計(jì),n-電極轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分鐘 也可把電流表?yè)Q成取樣電阻， 讀取電阻上的電壓值。 實(shí)際上，旋轉(zhuǎn)電位計(jì)上可直接 讀出電壓值。,可變電容和電流表串聯(lián)來(lái)測(cè)直流高壓,6.3.4 標(biāo)準(zhǔn)“棒棒”間隙,棒棒類似于球

6、間隙 球間隙的問(wèn)題：測(cè)量直流高壓時(shí)，球隙放電的分散性較大，其不確定度超過(guò)了3，達(dá)到5。 所以用棒棒間隙取代球間隙測(cè)量直流高壓。,6.3.5 直流高壓紋波的測(cè)量,紋波分量的計(jì)算,如果,則,隔直通交？分壓,6.4 沖擊高壓的測(cè)量,沖擊電壓的特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短，波形變化快，幅值高 要求測(cè)量系統(tǒng)有很好的瞬變響應(yīng)特性 國(guó)標(biāo)規(guī)定，沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)的不確定度為： 幅值3%；波形時(shí)間10%。 對(duì)于雷電沖擊截波，如果截?cái)鄷r(shí)間在0.52 s，那么允許幅值測(cè)量的不確定度為5%； 6.4.1 球隙法 測(cè)量沖擊電壓的峰值； 測(cè)量沖擊電壓時(shí)，與球隙串聯(lián)的電阻500 ，寄生電感30 H 【確保瞬態(tài)響應(yīng)特性好】,6.4.2 沖

7、擊分壓器系統(tǒng),沖擊分壓器系統(tǒng)由分壓器和測(cè)試回路組成,測(cè)量回路一般需要同時(shí)測(cè)量峰值與波形,一 分壓器,雷電沖擊：電阻式、屏蔽電阻式、電容式、阻容式（并聯(lián)阻容式）、阻尼電容式（串聯(lián)阻容式） 操作沖擊：主要采用電容式,理想情況下變比為:（R1R2）/R2 和穩(wěn)態(tài)的電阻分壓器相比，采用無(wú)感電阻。 用于測(cè)量雷電沖擊，一般為10-20k ，測(cè)量電壓為1MV左右。 為減少對(duì)地雜散電容的影響，避免高壓端放電，一般用屏蔽式的電阻分壓器。 經(jīng)過(guò)仔細(xì)屏蔽的電阻分壓器，可測(cè)量到2.5MV，阻值可到40 k。,電阻式分壓器,屏蔽式電阻式分壓器,電容分壓器,理想分壓比為(C1+C2)/C1 分為兩種： 串聯(lián)電容式、集中電

8、容式 測(cè)量電壓可達(dá)數(shù)MV。 因?yàn)檫B接線的電感與電容器中的寄生電感與電容器之間發(fā)生振蕩，因此適用于持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)的操作沖擊波,阻容分壓器,阻容分壓器 （并聯(lián)阻容分壓器）,阻尼電容分壓器 （串聯(lián)阻容分壓器）,并聯(lián)阻容分壓器容易引起高頻振蕩，因此發(fā)展了串聯(lián)式阻容分壓器，R1約為幾個(gè) ，可阻尼雜散振蕩。首端引入匹配電阻Rd，與導(dǎo)線波阻抗相等，約300400 。如果串聯(lián)阻容分壓器的R1采用1000M，即構(gòu)成“通用分壓器”。,評(píng)價(jià)分壓器的性能,從兩方面： 高低壓的比例系數(shù) 瞬變響應(yīng)特性反映波形是否畸變,定義響應(yīng)特性：分壓器回路的輸入端施加某一波形A(t)，在分壓器的輸出端出現(xiàn)響應(yīng)U(t)（歸一化）。通常A

9、(t)采用直角波。 1、用響應(yīng)時(shí)間（陰影部分面積T）來(lái)衡量分壓器響應(yīng)的好壞。T越小，響應(yīng)性能越好,2、也可采用與標(biāo)準(zhǔn)分壓器的響應(yīng)曲線相對(duì)比的方法。,二 低壓測(cè)試回路,防止波在電纜上來(lái)回反射，加裝匹配電阻R3和R4，若電纜的波阻抗為Z：,屏蔽防干擾：測(cè)量?jī)x器的電源要通過(guò)濾波器和帶靜電屏蔽的隔離變壓器，傳輸電纜要采用雙層屏蔽電纜，外屏蔽層與屏蔽室相連，而內(nèi)屏蔽層與測(cè)量?jī)x器的接地端連接,分壓比,6.4.3 沖擊峰值電壓表,因?yàn)闆_擊電壓持續(xù)時(shí)間短，CS的電容量不能過(guò)大，否則電容充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電容上的電壓還沒(méi)有達(dá)到峰值，沖擊電壓波就已經(jīng)為0 電容器CS的泄漏要足夠小，且CS的容量不能太小，否則電容上維持

10、電壓峰值的時(shí)間不足以使放大器回路完成轉(zhuǎn)換，也會(huì)造成測(cè)量誤差,在數(shù)字式示波器可測(cè)量沖擊電壓峰值，也可用專門的沖擊電壓峰值的儀表，峰值表讀數(shù)可保持一段時(shí)間，在僅需要知道峰值很方便。,6.5 沖擊電流的產(chǎn)生和測(cè)量,電力設(shè)備的沖擊電流試驗(yàn)：幾kA幾十kA 6.5.1 沖擊電流波形,非振蕩沖擊電流波,振蕩沖擊電流波,tf視在波頭時(shí)間，tt視在半峰值時(shí)間， IM電流峰值，IM反極性電流峰值,沖擊電流波的波形參數(shù),電力系統(tǒng)對(duì)避雷器進(jìn)行沖擊電流實(shí)驗(yàn)時(shí)，用以下參數(shù)的波形： 雷電沖擊電流波形：8/20 s； 波形為4/10 s的沖擊電流波； 波形為18/20 s的沖擊電流波； 視在波頭時(shí)間為30100 s的沖擊電

11、流波，其視在半峰時(shí)間為視在波頭時(shí)間的2倍以上； 視在波頭時(shí)間為1 s的陡波沖擊電流波； 方波沖擊電流：標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間2000 s；,6.5.1 沖擊電流波形方波,T0.9波長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，T0.1波的總持續(xù)時(shí)間，IM電流峰值 IM反極性電流峰值，I峰值附近疊加的高頻疊加峰值,方波沖擊電流波形,6.5.2 沖擊電流波的產(chǎn)生,沖擊電流發(fā)生器的工作原理,回路方程為：,發(fā)送脈沖啟動(dòng)三電極球隙使G擊穿，短時(shí)間內(nèi)把電容C儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，在試品上產(chǎn)生很大的沖擊電流,沖擊電流波形的類型,方程的解分三種情況：阻尼電阻R 1） 欠阻尼 2） 臨界阻尼 3） 過(guò)阻尼,增加電流的方法：1 增加電容量 2 減小回路電

12、感，減小回路電阻,回路方程為：,6.5.3 沖擊電流的測(cè)量,特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)間短、變化快。 用響應(yīng)時(shí)間T來(lái)表示其特性。 目前常用兩類測(cè)量系統(tǒng)： 分流器測(cè)量系統(tǒng)； 電流互感器（CT）測(cè)量系統(tǒng),一 分流器測(cè)量系統(tǒng),RsR1Z，RsRK遠(yuǎn)小于R1R2，R1R2,被測(cè)沖擊電流,測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間主要取決于分流器，分流器的響應(yīng)時(shí)間為,電阻R2上的電流為,電阻R2上的電壓為,因此分流比為,d-圓筒形電極的厚度 -電阻率,分流器,分流器是將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)幅值電壓 它具有很大的電流容量， 能夠耐受大電流產(chǎn)生的電動(dòng)力， 分流器的電阻應(yīng)該很小，其電阻溫度系數(shù)也要非常小。 分流器的電感值要遠(yuǎn)小于電阻值 .,絞線式,折帶式,同軸園管式,電阻管式,電流互感器,對(duì)于特大幅值沖擊電流，分流器制造困難。需采用電流互感器,一般用空心互感器，而不用鐵心。因?yàn)闆_擊電流中包含豐富的高頻成分，鐵心在高頻下產(chǎn)生的損耗帶來(lái)測(cè)量誤差；同時(shí)，因?yàn)閐i/dt足夠大，即使不用鐵心，也能感應(yīng)出足夠高的電壓,線圈輸出端的感應(yīng)電勢(shì)為：,互感系數(shù)M可以實(shí)測(cè)，但一般需要事先計(jì)算。,(1) 自積分法（電壓）,如果,很小，且,則,外積分法（電流）,如果R很大，且有,則,即,且,上下限頻率,外積分法等效電路圖,沖擊電流測(cè)量系統(tǒng)的校正方法,（1）方波電流試驗(yàn)法 給測(cè)量系統(tǒng)注入方波電流，測(cè)量輸出端的方波響應(yīng)。 （2）電