高電壓的測量
本章核心概念：
標準測量系統(tǒng)與認可測量系統(tǒng)，擴展不確定度，測量球隙，電阻分壓器，電容分壓器，阻容分壓器，匹配阻抗，階躍響應(yīng)，反擊，屏蔽與抗干擾
7.1 高電壓測量基本概念
7.1.1 概論
測量高電壓擊穿的難度較大，有許多測量低電壓時不存在的新問題。高電壓下必須嚴格重視儀器設(shè)備和人身安全、做好防護措施；在測量較高電壓時不僅有泄漏的影響，還有電暈的影響；在交流電壓和沖擊電壓下有雜散參數(shù)的影響，沖擊電壓下還要求良好的階躍響應(yīng)特性；電壓高達數(shù)兆伏時，難度更大。
高電壓擊穿的測量可從測量方法和測量對象兩個角度去分析，表7-1綜合了高電壓測量體系中的高電壓測量具體方法和測量對象，并給出了方法的適用性。
高電壓測量包括穩(wěn)態(tài)高電壓測量和沖擊高電壓測量。穩(wěn)態(tài)高電壓是指交流高電壓和直流高電壓以及頻率在一定范圍以內(nèi)的高頻高壓或脈動成分很大的直流高壓。在高電壓測量中，除采用測量球隙等直接測量法外，還經(jīng)常采用多種轉(zhuǎn)換裝置的間接測量方法。常用分壓器就是由高壓臂阻抗和低壓臂阻抗組成的一種轉(zhuǎn)換裝置，其他例如電壓互感器及電流互感器也是轉(zhuǎn)換裝置。通過轉(zhuǎn)換裝置將被測的量轉(zhuǎn)變成指示儀表或記錄儀器所能指示或記錄的量。
7.1.2 高電壓測量系統(tǒng)
有關(guān)高電壓擊穿試驗技術(shù)的國家標準GB／T16927.2-2013和GB／T16927.4-2014中，把用來進行高電壓擊穿或沖擊電流測量的整套裝置稱為測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)通常包括以下組件：轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)換裝置接到試品或電流回路的引線、接地連線、轉(zhuǎn)換裝置的輸出端接到指示或記錄儀器的連接系統(tǒng)等，其中包括了所有的衰減、終端、匹配阻抗或網(wǎng)絡(luò)、指示或記錄儀器及其接到電源的連線。

IEC60060-2：2010和GB／T16927.2-2013都把測量系統(tǒng)分為兩類：標準（reference）測量系統(tǒng)和認可的測量系統(tǒng)（approved measuring system）。前者具有更高的測量準確度，可用以與后者進行比對并加以校準。實驗室中一般使用認可的測量系統(tǒng)進行測量工作。本書中所敘述到的測量的不確定度的要求，除特殊說明外，均指對認可的測量系統(tǒng)的要求。在高電壓試驗中，測量的不確定度用擴展不確定度來描述。擴展不確定度是確定測量結(jié)果區(qū)間的量，被測量之值分布的大部分可望包含于此區(qū)間中，它的覆蓋率小于100%。
為文字簡潔，不做特殊說明時，將“認可的測量系統(tǒng)"簡稱為“測量系統(tǒng)"。
7.1.3 交直流高電壓的測量
本章所說的穩(wěn)態(tài)高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓。但本節(jié)所述及的測量方法或裝置，有的也可用于頻率在一定范圍之內(nèi)的其他穩(wěn)態(tài)高電壓。
對交流電壓有效值的測量，和對直流電壓算術(shù)平均值的測量，都要求擴展不確定度不超過±3％；測量直流電壓的紋波幅值時，要求其擴展不確定度不超過±10％的紋波幅值或±1％的直流電壓平均值。對測量交流電壓和直流電壓的算術(shù)平均值的標準測量系統(tǒng)，都要求擴展不確定度不超過±1％。

電力運行部門測量交流高電壓是通過電壓互感器和電壓表來實現(xiàn)的。但這種方法在高電壓實驗室中用得不多，因為高電壓實驗室中所要測量的電壓值往往比現(xiàn)有電壓互感器的額定電壓高得多，特制一個超高壓的電壓互感器是比較昂貴的，所以采用別的方法來測量交流高電壓。有下列幾種：
（1）利用氣體放電測量交流、直流高電壓，例如測量球隙；
（2）利用靜電力測量交流、直流高電壓，例如靜電電壓表；
（3）利用整流電容電流測量交流高電壓，例如峰值電壓表；
（4）利用整流充電電壓測量交流高電壓，例如峰值電壓表。
上述（1）和（2）可用來直接測量穩(wěn)態(tài)高電壓，（3）和（4）是間接測量的方法。
各種測量儀表的量程是有限度的，常常通過分壓器來擴大儀表的量程。即使被測電壓的大部分電壓降降落在分壓器的高壓臂上，測量儀表測得的僅是低壓臂上的電壓降，再乘上分壓比即可得被測電壓。
光纖技術(shù)在電工領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。光導(dǎo)纖維本身是絕緣材料，因此光纖技術(shù)應(yīng)用在高電壓測量時，可無雜散和電磁干擾的影響，具有很大的*性。在進行穩(wěn)態(tài)電壓測量時，無頻率特性的要求，只要注意選用溫度特性良好的光電元件，就比較容易滿足測量準確度的要求。光電測量高電壓需要用其他測量方法加以校正。
7.1.4 沖擊高電壓的測量
沖擊電壓，無論是雷電沖擊電壓或操作沖擊電壓，均為快速變化或較快速變化的一種電壓。測量沖擊電壓的整個測量系統(tǒng)包括其中的電壓轉(zhuǎn)換裝置和指示、記錄及測量儀器必須具備良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。一些適宜于測量穩(wěn)態(tài)或慢過程（如直流和交流電壓）的測量系統(tǒng)不一定適宜于或根本不可能測量沖擊電壓。沖擊電壓的測量包括峰值測量和波形記錄兩個方面。標準規(guī)定的沖擊電壓測量系統(tǒng)的要求是：
（1）測量沖擊全波峰值的擴展不確定度為±3％范圍內(nèi)。
（2）測量沖擊截波的擴展不確定度取決于截斷時間Tc。當0.5μs≤Tc<2 μs時，擴展不確定度在±5％范圍內(nèi)；當T≥2 μs時，擴展不確定度在±3％范圍內(nèi)。
（3）測量沖擊波形時間參數(shù)（如波前時間、半峰值時間、截斷時間等）的擴展不確定度在±10％范圍內(nèi)。
實驗室中對沖擊高電壓的測量有如下幾種方法：
（1）球隙法 直接測高電壓峰值的一種方法。
（2）分壓器-峰值電壓表 只測峰值，不測波形，或同時用示波器觀測波形。
（3）分壓器-示波器（或數(shù)字記錄儀）可同時測出峰值及波形。在采用數(shù)字式示波器或數(shù)字記錄儀時，可立即獲得峰值和時間參數(shù)值，并可打印出波形。
（4）光電測量法 采用光電轉(zhuǎn)化技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)的測量法。有的仍需與分壓器配合，有的則不需要分壓器，測量系統(tǒng)中具有專門的傳感器或電容探頭。

7.2 球隙放電法測量高電壓
7.2.1 測量球隙
1．球隙法
應(yīng)用兩個金屬球空氣間隙放電電壓與球隙距離的關(guān)系來測量高電壓的方法稱作球隙放電法?？諝庵挥性谝欢ǖ碾妶鰪姸认?，才能發(fā)生碰撞電離。均勻電場下空氣間隙的放電電壓與間隙距離具有一定的關(guān)系，可以利用間隙放電來測量電壓。能實際應(yīng)用的均勻電場不易做到，只能做到接近于均勻電場。測量球隙由一對相同直徑的金屬球構(gòu)成。加電壓時，球隙間形成稍不均勻電場。當其余條件相同時，球間隙在大氣中的擊穿電壓取決于球間隙的距離。對一定球徑，間隙中的電場隨距離的增長而越來越不均勻。被測電壓越高，間隙距離越大，要求球徑也越大，這樣才能保持稍不均勻電場。由于測量球并不是處在無限大空間里，外物及大地對球間電場有影響，所以很難用靜電場理論來計算球間的電場強度和擊穿電壓，因此測量球隙的放電電壓主要靠試驗來決定。
早在20世紀初，許多國家的高電壓試驗室利用靜電電壓表、峰值電壓表等方法求得各種球徑的球在不同球間隙距離時的穩(wěn)態(tài)擊穿電壓，又利用分壓器和示波器求得其沖擊擊穿電壓。1938年國際電工委員會（IEC）綜合各國試驗室的試驗數(shù)據(jù)制訂出測量球隙放電電壓的標準表，給出了在一定的周圍環(huán)境及氣溫、氣壓條件下某一直徑的球的間隙放電電壓峰值。1960年IEC對1938年頒布的標準表作了修正，到2002年IEC對該標準表又作了修正（見IEC 60052：2002），對應(yīng)于國家標準GB／T 311.6-2005。
球隙法可用于交流電壓、直流電壓、標準全波沖擊電壓（包括雷電沖擊和操作沖擊）峰值的測量。另外，也可以用它測量較高頻率下的衰減和不衰減交流電壓，但對頻率值和電壓值有一定的限制。因球隙放電是與電壓峰值相關(guān)的，所以測量的是電壓的峰值。
2．球隙結(jié)構(gòu)與測量條件
當金屬球間隙距離S與球直徑D之比大于0.5時，其放電電壓數(shù)值的準確性較差。要達到球隙所能達到的測量準確度，其結(jié)構(gòu)和使用條件必須符合IEC或國家標準GB／T 311.6-2005的規(guī)定，如圖7-1（在圖7-1中表明了垂直球需保證的部分尺寸，另有水平球間隙，本書從略）所示，還需進行氣壓、溫度和濕度的校正，因為標準表上提供的放電電壓值是處在溫度為20℃和大氣壓力為101.3kPa及平均絕對濕度為8.5g·m-3標準狀態(tài)下的數(shù)值。在非標準狀態(tài)下利用球隙放電進行電壓測量時，實際放電電壓值由從標準表中查出的數(shù)值乘以空氣相對密度校正因數(shù)δ和濕度校正因數(shù)K，詳見GB／T 311.6-2005，或本書的3.1節(jié)。
測量球的標準球徑D為2cm、5cm、6.25cm、10 cm、12.5 cm、15 cm、25cm、50 cm、75 cm、100cm、150cm和200cm；間隙距離S從0.05cm到150cm?？蓽y的電壓峰值從幾千伏到近2000kV。球隙放電電壓與球直徑和球隙距離的對應(yīng)關(guān)系，詳細查閱 IEC 60052：2002和國標GB／T 311.6-2005的球隙放電標準表。
3．預(yù)放電與照射
球隙測量電壓的可靠性取決于測量結(jié)果的分散性。有兩個因素影響放電的分散性：一是球面的塵污；二是球隙間空氣電離不充分。

垂直測量球隙

前者使放電電壓降低。如果空氣中有灰塵或纖維物質(zhì)，則會產(chǎn)生不正常的破壞性放電。因此在取得前后一致的數(shù)據(jù)以前，必須進行多次預(yù)放電。在放電電壓值相對穩(wěn)定后，再開始測量計數(shù)。
后者使放電電壓升高。前者對交、直流和沖擊電壓的影響一樣，后者在沖擊電壓下影響更為突出。放電必須由有效自由電子來觸發(fā)，交、直流電壓變化慢，持續(xù)時間長，不難在間隙中出現(xiàn)有效自由電子。沖擊電壓變化快，一霎即逝，要在這樣短暫瞬間正好出現(xiàn)有效自由電子比較困難。當測量電壓較高，所用球徑較大，間隙所占空間較大時，出現(xiàn)有效自由電子比較容易；當測量電壓較低，所用球徑較小，間隙所占空間較小時，出現(xiàn)有效自由電子比較困難。所以國際標準規(guī)定，凡所用球徑小于12.5cm或測量電壓低于50kV，都必須用γ射線或紫外線照射，即用人工方法使間隙中空氣電離。一種方法是用石英水銀燈所產(chǎn)生的紫外線照射球隙的擊穿點，要求石英水銀燈的功率不小于35W，電流不小于1A，燈離球有一定距離，希望不因此接地物的存在而影響放電電壓。這項有關(guān)照射的規(guī)定，對測量沖擊和穩(wěn)態(tài)高壓都是適用的，且對于前者作用更為明顯。
7.2.2 球隙法測量交直流高電壓
符合球尺寸和諸多使用條件的規(guī)定后，在交流電壓下測量的擴展不確定度可在±3％范圍以內(nèi)。在直流電壓測量時，由于靜電吸力的作用，灰塵和纖維對放電分散性的影響較大。因此，測量直流高電壓時，當球隙距離不大于0.4D時，若沒有過多的灰塵或纖維的影響，測量的不確定度將在±5％范圍以內(nèi)。
在用球間隙測量交流和直流電壓時，經(jīng)常需在球間隙上串聯(lián)一個保護電阻。以測量交流電壓為例，其正確的接線圖如圖2所示。

圖2 測量球隙接線圖
圖中R1是保護變壓器用的電阻；而R2是與球隙串聯(lián)R2
C.一試品；G一球隙

的保護電阻。R2的作用有兩方面：一方面可用它來限制球隙放電時流過球極的短路電流，以免球極燒傷而產(chǎn)生麻點；另一方面當試驗回路出現(xiàn)刷狀放電時，可減少或避免由此產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓所造成的球間隙的異常放電，也就是用此電阻來阻尼局部放電時連接線電感、球隙電容和試品電容等所產(chǎn)生的高頻振蕩。R2應(yīng)放在圖示的位置上，使流過試品的電容電流或泄漏電流（視交流或直流電壓而定）不在R2上產(chǎn)生壓降。
為了限流和阻尼，要求R2大一些；但為了避免由R22上壓降引起的測量誤差，要求R2小一些。對于測量直流和工頻交流電壓，IEC推薦此電阻值為100kΩ或更大些；對于更高頻率的交流電壓，由于間隙的電容效應(yīng)而引起的充電電流可使該電阻上的壓降影響變大，因此應(yīng)適當減小此阻值。
另外，球直徑越大，允許的每伏電壓的電阻值越小，這有兩個原因：第一，球徑大，它的面積也大，熱容量大，而且散熱好；第二，球徑大，球間電容大，電容電流也大。直徑200cm的球，測量電壓為1000kV（有效值）時，電容電流約0.025A（有效值）。若保護電阻取500kΩ，則電阻上的壓降約為12kV，其絕對值雖約占被測電壓的1％；但是由于電阻壓降與球隙電容壓降相角差為90°，因此球隙實際上仍幾乎受到全部的被測電壓，即誤差極小。
在預(yù)放電后，最后測量的交直流電壓值應(yīng)取3次連續(xù)測量值的平均值，其偏差不超過3％。
7.2.3 球隙法測量沖擊高電壓
球隙測量交直流電壓時的許多規(guī)定，仍適用于沖擊電壓測量，本節(jié)只介紹一些特點。沖擊電壓測量標準中規(guī)定，在測量標準全波、波尾截斷的標準波時，峰值電壓的測量擴展不確定度不應(yīng)大于3％，球隙是能滿足此要求的。
一般間隙的沖擊放電電壓高于交流和直流的放電電壓，沖擊比大于1。因為球隙是稍不均勻電場，它的伏秒特性大體上是條水平線，沖擊比等于1。所以IEC標準將球隙的沖擊放電電壓和交、直流放電電壓并列在一張表中，但表中所列是50％放電電壓值。
測量交、直流電壓時，球隙必須串有很大阻值的保護電阻，以保護球面和防止振蕩，沖擊放電時間很短，不需要保護球面，而且放電前經(jīng)過球隙的電容電流較大，如果串聯(lián)電阻過大，就會影響測量結(jié)果。但也不能不串接電阻，因為仍有防止過電壓的問題，一般規(guī)定串聯(lián)電阻以不超過500Ω為宜。
球隙的沖擊放電電壓是有分散性的，在經(jīng)過2～3次預(yù)放電以后才逐漸趨向穩(wěn)定值。所謂穩(wěn)定值仍是一個較小范圍內(nèi)的分散值，所以球隙采用50％放電電壓法來測量沖擊電壓。所謂球隙的50％放電電壓值是指在此電壓作用下，所用球間隙的放電概率為50％。一種簡單的做法是，例如使某一沖擊電壓作用到某一球隙距離上，10次中若有5次放電，5次不放電，則此沖擊電壓為該球隙距離的50％放電電壓。但要在10次中正好有5次放電、5次不放電，實踐中有困難，所以有規(guī)定認為，如果10次中能有4次放電、6次不放電；或6次放電、4次不放電則都可算作50％放電電壓。概率本身代表多次事件中出現(xiàn)的頻率，次數(shù)少了不一定準確。很有可能，即使電壓、距離都不變，這10次中的放電概率與后10次中的不很相同，但如果次數(shù)多了，還是可能得出一準確的電壓與放電概率的關(guān)系。
不僅球隙測量用50％放電電壓，所有自恢復(fù)絕緣，只要它的放電分散情況符合正態(tài)分布規(guī)律，都可采用50％放電電壓。確定50％放電電壓的方法分多級法和升降法等。

1．多級法
如圖7-3所示，用多級法求某一間隙的50％放電電壓時，可向此間隙逐級施加電壓U，每級電壓施加10～20次，電壓級數(shù)不少于4級。求得在該電壓下的放電概率，然后在正態(tài)概率紙上標出相應(yīng)于U的概率點。如此做4~5點，即可得出一條擬合直線，由此直線可求得對應(yīng)于P=50%的U值，即為50％放電電壓Uso。一般認為在P=20%~80%范圍內(nèi)P與U近似為直線關(guān)系，在P=50%~80%％做一點及P＝20％～50％做一點，連成直線即可求得U50。又從正態(tài)概率紙上求得P為15.86％以及84.14％點所對應(yīng)的U值，此兩點中任何一點和U50%之差，即標準偏差σ。

電壓與放電概率

2．升降法
確定50％放電電壓U5o的另一種方法為升降法。用升降法時，先預(yù)估該間隙50％放電電壓，并取ΔU=（1％～6％）U'為升降電壓級差。對間隙施加電壓U'，不放電則下次升一級，施加U'+ΔU，否則降一級，施加U'-ΔU，每次都以前一次放電與否作為電壓降或升的依據(jù)，從第一個有用點起連續(xù)加壓20～40次（一般不超過40次）。如果U'選得過低，可能前幾次都是耐受，這些數(shù)據(jù)是無效的，一直要電壓升到出現(xiàn)第一次擊穿，才可能算第一個有用的電壓值；反之，若U'選得過高，則一直要電壓降到出現(xiàn)第一次耐受才可能算第一個有用的電壓值。為了減小由于U'取值不當引起的誤差，最初的至少有兩次電壓值不計入運算。且在任何情況下，所取的第一次有用的電壓值與U50相差不應(yīng)大于2ΔU。試驗過程中，為避免前一次放電的影響，每次加壓時間間隔不小于30s。
U₅₀可按式（1）求得

式中，U1為某一次試驗電壓值；m為自第一個有效電壓開始的連續(xù)的總加壓次數(shù)。

7.2.4 球隙法測量高電壓的優(yōu)缺點
測量球隙作為一種高電壓測量方法的優(yōu)點是：
（1）可以測量穩(wěn)態(tài)高電壓和沖擊電壓的幅值，幾乎是直接測量超高電壓的設(shè)備。
（2）結(jié)構(gòu)簡單，容易自制或購買，不易損壞。
（3）有一定的準確度，一般認為測量交流及沖擊電壓時的擴展不確定度可在±3％以內(nèi)。
測量球隙的缺點是：
（1）測量時必須放電，放電時將破壞穩(wěn)定狀態(tài)，可能引起過電壓。
（2）測量較費時間。除了因為要通過多次放電進行測量外，施壓過程也不能太快。開始應(yīng)施加相當?shù)头档碾妷?，使不致因開關(guān)操作瞬間產(chǎn)生球隙放電；然后也應(yīng)緩慢升壓，以使在球隙放電瞬間，低壓側(cè)儀表能夠準確地讀數(shù)。
（3）實際使用中，測量穩(wěn)態(tài)電壓要進行多次放電，測量沖擊電壓要用50％放電電壓法，手續(xù)都較麻煩。
（4）要校正大氣條件。
（5）被測電壓越高，球徑越大，目前已有用到直徑為3m的銅球，不僅本身越來越笨重，而且影響建筑尺寸。從發(fā)展的角度來看，測量球隙的使用將越來越少。
（6）一般來說，測量球隙不宜用于室外。實踐證明，由于強氣流以及灰塵、砂土、纖維和高濕度的影響，球隙在室外使用時常會產(chǎn)生異常放電。
盡管測量球隙具有上述缺點，IEC及國家標準都規(guī)定，它是一種能以規(guī)定的準確度來測量高電壓的標準測量裝置。此外，標準還規(guī)定了可采用棒-棒間隙來測量直流高壓，并可用它作為標準測量裝置來校核未認可的測量裝置。在滿足一定條件的情況下，它的測量不確定度估計小于3％。