高压实验技术系列-冲击高电压测量

第5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①冲击电压测量系统的转移特性②电阻分压器③电容分压器④阻容分压器4.示波器5.高电压测试的抗干扰措施冲击电压（Impulsevoltage）：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。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―峰值表测量冲击电阻分压器―示波器测量冲击电容分压器―示波器测量阻容混合分压器―示波器测量测量误差要求：标准全波、波尾截波，1/5μs短波，幅值误差≤±3%；波头截波的幅值误差≤±5%；（Tc:0.5us~2us）波头截波的幅值误差≤±3%；（Tc2us）所有波头、波尾时间参数测量误差≤±10%；1概述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，所以可以用球隙测量交、直流幅值的数据作为测量1/5μs短波，雷电标准全波至操作冲击波的数据，（对比1/5μs更短波，伏秒曲线上翘，不适用）。且测量误差≤±3%。2用球隙测量冲击电压的幅值2.2用球隙测冲击电压时如何减小分散性影响分散性的因素：①球面尘污；②球隙空气游离不充分。措施：①擦试干净和多次预放电。②采用人工照射方法使间隙中空气游离。2用球隙测量冲击电压的幅值2.3球的保护电阻的作用测交、直流时R很大，以保护球面和防振荡；对冲击R不宜太大，因为①冲击时间短，球面保护要求不高；②因冲击能量很高，所以放电前，球隙电流I=ωCU较大，R上压降亦大，R太大，影响测量结果。所以串R≤500Ω防止过电压即可。2用球隙测量冲击电压的幅值2.4球隙测冲击电压幅值为U50%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、多级法至少5次，即选U1、U2…U55个电压，每级电压施加10次，求得近似放电概率P%，之后在正态概率纸上作曲线，并可拟和为一条直线，由此直线求得P=50%的U50%。2用球隙测量冲击电压的幅值2.4球隙测冲击电压幅值为U50%3、升降法先估计U’50%大概为,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。iiinUnU%50Ui—某一级电压值；ni—该级电压的加压次数；Σni—总加压次数（20～40）；3冲击电压分压器冲击电压器—示波器，可用于测量冲击电压的波形和幅值。分压器的目的：在电工设备的冲击电压试验中，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规定误差为±1%。注：分压器误差为1%，但整个冲击试验中的测量误差，不但包括分压器本体，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）高压引线的误差。3冲击电压分压器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为避免相互电场、磁场干扰，分压器与试品须相距一定距离。③分压器和试品间须加阻尼电阻，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（单端接地）。3冲击电压分压器3.２冲击测量系统的转移特性)()()(jjNjN)(jN网络函数的幅频特性)(j网络函数的相频特性幅频特性和相频特性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，因此常用阶跃响应反映分压系统的转移特性。１频率响应3冲击电压分压器3.２冲击测量系统的转移特性输出端开路，电压转移函数为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)，归一化后的阶跃响应为g(t)=KG(t)，K为稳态分压比。２阶跃响应)()()(0sUsUsHi阶跃响应时间T的原始理论值为0)](1[dttgT3冲击电压分压器3.２冲击测量系统的转移特性２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取代实际原点O。（O1为最陡波形切线与时间轴的交点）(c)过冲β及部分响应时间Tα（左图）tOdttgT1)](1[3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器特点①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、铜丝、镍铬丝、卡码丝。②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。3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器特点③分压器阻值范围：2kΩ≤R≤20kΩ，一般约10kΩ。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（方波响应时间T↑）④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。3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析①分压器的阶跃响应tuCxiiiixutkiiRxu')(''2121ooUkRsRCsskRsRCslxlsxUsU1sinh1sinhsinhsinh)(3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析①分压器的阶跃响应]cossin2[)(1tskokekkkxlxlxUtuRCksk22]sin2)1()/(1)(1tskkkekklxXltg归一化方波响应3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析①分压器的方波响应])1(21)(/12tkkketglxklxksin因RClXRCdteeedttgTttt61])/(1[61]222[)](1[20940阶跃响应时间T为分压器的分波响应时间，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冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析①分压器的方波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：dtgugtutgtututiiio)(')()0()()()()(03冲击电压分压器3.3.1电阻分压器1电阻分压器性能分析②分压器在标准雷电波作用下的输出响应输入雷电波为：输出电压为：)()(ttieeAtu]))(()()[(cossin2222212kktekekeklxkkAutkttkO2RC①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。②若被测波波长较长，一般只造成波形误差而无幅值误差，若被测冲击波波较短，不仅有波形而且有幅值误差。3冲击电压分压器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环电极，环与分压器本体间存在杂散电容，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冲击电压分压器3.3.1电阻分压器2电阻分压器性能改进3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器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。ttetutsincos1)(222411,21CRLCRC不振荡的条件为CLR21R为2kΩ～20kΩ,不满足非振荡条件，所以波形必然发生振荡。3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器3高压引线对电阻分压器性能的影响串入阻尼电阻r后]sincos1[)(12tterRRtut阻尼条件为：CLr23冲击电压分压器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。2200212sincos)](1[dtttedttuTt当无阻尼电阻r时21,21LCRCRLLCRCT212当有阻尼电阻r时，rCL/R，增大了响应时间T2],1[21LRCrRCrRCRLrCrRrRCLT3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器3高压引线对电阻分压器性能的影响采用屏蔽式电阻分压器可抑制振荡而不增加响应时间LRrC3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器4电阻分压器低压臂的测量回路①测量电缆的作用a避免输出波形受周围电磁场的干扰。b高频同轴电缆在测冲击信号时，具有时延作用。3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器4电阻分压器低压臂的测量回路②冲击电阻分压器低压臂的匹配初始分压比ZRZZRRRZRRUU33213212)//()//(ZRRRZRRRUUt221321021))(()(3冲击电压分压器3.3.1电阻分压器4电阻分压器低压臂的测量回路②冲击电阻分压器低压臂的匹配最终分压比434432143212)//()//(RRRRRRRRRRUU4221432121))(()(RRRRRRRRUUtR2+R3=R4=Z初始分压比等于最终分压比。3冲击电压分压器3.3.2电容分压器1分布式电容分压器性能分析该等值电路与电阻式分压器完全相同，考虑到其串联电感L，电阻r均很小，忽略不计。])1(cossin2[)(2210CKkekkklxlxUtutskkX点在高压端施加U0的阶跃电压波时的电压为：)1(2222CKkRCksk)611()(0KClXUtu3冲击电压分压器3.3.2电容分压器1分布式电容分压器性能分析分布式电容分压器只有幅值误差，而无波形误差。所以单就分压而言，电阻式分压器的性能不如电容式，但实际上，作为测量系统而言，分压器与试品间的高压引线引入的误差。高压引线的影响仍然与电阻分压器的分析完全一样。3冲击电压分压器3.3.2电容分压器1分布式电容分压器性能分析电容分压器的电容比屏蔽电阻分压器的杂散电容大得多；电容器的绝缘电阻大于电阻分压器的阻值；所以测量回路中若不串r，则必然振荡，且与电阻式相比，振荡波的频率较低，衰减较慢，波形畸变较明显。（1）对测陡波，电容分压器的响应特性不如屏蔽电阻分压器好；（2）电容分压器不消耗能量，不发热，对测量波头较平，波长较长的波，电容分压器比电阻分压器较有利，且电容分压器还可供调节波形。3冲击电压分压器3.3.2电容分压器2集中式电容分压器3冲击电压分压器3.3.2电容分压器3电容分压器的低压臂测量回路2121112RZZCCCUU121021)(CCCuutCCCCCUU2111212121)(CCCCuuCt首端匹配kk0220220CCUUUc分压比误差：3冲击电压分压器3.3.2电容分压器3电容分压器的低压臂测量回路121112RZZCCCUU1210212)(CCCuut321112CCCCCUUC121