高电压击穿强度测量系统的核心配件

高电压的测量
本章核心概念：
标准测量系统与认可测量系统，扩展不确定度，测量球隙，电阻分压器，电容分压器，阻容分压器，匹配阻抗，阶跃响应，反击，屏蔽与抗干扰
7.1 高电压测量基本概念
7.1.1 概论
测量高电压击穿的难度较大，有许多测量低电压时不存在的新问题。高电压下必须严格重视仪器设备和人身安全、做好防护措施；在测量较高电压时不仅有泄漏的影响，还有电晕的影响；在交流电压和冲击电压下有杂散参数的影响，冲击电压下还要求良好的阶跃响应特性；电压高达数兆伏时，难度更大。
高电压击穿的测量可从测量方法和测量对象两个角度去分析，表7-1综合了高电压测量体系中的高电压测量具体方法和测量对象，并给出了方法的适用性。
高电压测量包括稳态高电压测量和冲击高电压测量。稳态高电压是指交流高电压和直流高电压以及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。在高电压测量中，除采用测量球隙等直接测量法外，还经常采用多种转换装置的间接测量方法。常用分压器就是由高压臂阻抗和低压臂阻抗组成的一种转换装置，其他例如电压互感器及电流互感器也是转换装置。通过转换装置将被测的量转变成指示仪表或记录仪器所能指示或记录的量。
7.1.2 高电压测量系统
有关高电压击穿试验技术的国家标准GB／T16927.2-2013和GB／T16927.4-2014中，把用来进行高电压击穿或冲击电流测量的整套装置称为测量系统。测量系统通常包括以下组件：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等，其中包括了所有的衰减、终端、匹配阻抗或网络、指示或记录仪器及其接到电源的连线。

IEC60060-2：2010和GB／T16927.2-2013都把测量系统分为两类：标准（reference）测量系统和认可的测量系统（approved measuring system）。前者具有更高的测量准确度，可用以与后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工作。本书中所叙述到的测量的不确定度的要求，除特殊说明外，均指对认可的测量系统的要求。在高电压试验中，测量的不确定度用扩展不确定度来描述。扩展不确定度是确定测量结果区间的量，被测量之值分布的大部分可望包含于此区间中，它的覆盖率小于100%。
为文字简洁，不做特殊说明时，将“认可的测量系统"简称为“测量系统"。
7.1.3 交直流高电压的测量
本章所说的稳态高电压，主要是指工频交流高电压和直流高电压。但本节所述及的测量方法或装置，有的也可用于频率在一定范围之内的其他稳态高电压。
对交流电压有效值的测量，和对直流电压算术平均值的测量，都要求扩展不确定度不超过±3％；测量直流电压的纹波幅值时，要求其扩展不确定度不超过±10％的纹波幅值或±1％的直流电压平均值。对测量交流电压和直流电压的算术平均值的标准测量系统，都要求扩展不确定度不超过±1％。

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。但这种方法在高电压实验室中用得不多，因为高电压实验室中所要测量的电压值往往比现有电压互感器的额定电压高得多，特制一个超高压的电压互感器是比较昂贵的，所以采用别的方法来测量交流高电压。有下列几种：
（1）利用气体放电测量交流、直流高电压，例如测量球隙；
（2）利用静电力测量交流、直流高电压，例如静电电压表；
（3）利用整流电容电流测量交流高电压，例如峰值电压表；
（4）利用整流充电电压测量交流高电压，例如峰值电压表。
上述（1）和（2）可用来直接测量稳态高电压，（3）和（4）是间接测量的方法。
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电压降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*性。在进行稳态电压测量时，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，就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他测量方法加以校正。
7.1.4 冲击高电压的测量
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备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。标准规定的冲击电压测量系统的要求是：
（1）测量冲击全波峰值的扩展不确定度为±3％范围内。
（2）测量冲击截波的扩展不确定度取决于截断时间Tc。当0.5μs≤Tc<2 μs时，扩展不确定度在±5％范围内；当T≥2 μs时，扩展不确定度在±3％范围内。
（3）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）的扩展不确定度在±10％范围内。
实验室中对冲击高电压的测量有如下几种方法：
（1）球隙法 直接测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，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，并可打印出波形。
（4）光电测量法 采用光电转化技术和光纤传输技术的测量法。有的仍需与分压器配合，有的则不需要分压器，测量系统中具有专门的传感器或电容探头。

7.2 球隙放电法测量高电压
7.2.1 测量球隙
1．球隙法
应用两个金属球空气间隙放电电压与球隙距离的关系来测量高电压的方法称作球隙放电法。空气只有在一定的电场强度下，才能发生碰撞电离。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。能实际应用的均匀电场不易做到，只能做到接近于均匀电场。测量球隙由一对相同直径的金属球构成。加电压时，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取决于球间隙的距离。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，这样才能保持稍不均匀电场。由于测量球并不是处在无限大空间里，外物及大地对球间电场有影响，所以很难用静电场理论来计算球间的电场强度和击穿电压，因此测量球隙的放电电压主要靠试验来决定。
早在20世纪初，许多国家的高电压试验室利用静电电压表、峰值电压表等方法求得各种球径的球在不同球间隙距离时的稳态击穿电压，又利用分压器和示波器求得其冲击击穿电压。1938年国际电工委员会（IEC）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，给出了在一定的周围环境及气温、气压条件下某一直径的球的间隙放电电压峰值。1960年IEC对1938年颁布的标准表作了修正，到2002年IEC对该标准表又作了修正（见IEC 60052：2002），对应于国家标准GB／T 311.6-2005。
球隙法可用于交流电压、直流电压、标准全波冲击电压（包括雷电冲击和操作冲击）峰值的测量。另外，也可以用它测量较高频率下的衰减和不衰减交流电压，但对频率值和电压值有一定的限制。因球隙放电是与电压峰值相关的，所以测量的是电压的峰值。
2．球隙结构与测量条件
当金属球间隙距离S与球直径D之比大于0.5时，其放电电压数值的准确性较差。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GB／T 311.6-2005的规定，如图7-1（在图7-1中表明了垂直球需保证的部分尺寸，另有水平球间隙，本书从略）所示，还需进行气压、温度和湿度的校正，因为标准表上提供的放电电压值是处在温度为20℃和大气压力为101.3kPa及平均绝对湿度为8.5g·m-3标准状态下的数值。在非标准状态下利用球隙放电进行电压测量时，实际放电电压值由从标准表中查出的数值乘以空气相对密度校正因数δ和湿度校正因数K，详见GB／T 311.6-2005，或本书的3.1节。
测量球的标准球径D为2cm、5cm、6.25cm、10 cm、12.5 cm、15 cm、25cm、50 cm、75 cm、100cm、150cm和200cm；间隙距离S从0.05cm到150cm。可测的电压峰值从几千伏到近2000kV。球隙放电电压与球直径和球隙距离的对应关系，详细查阅 IEC 60052：2002和国标GB／T 311.6-2005的球隙放电标准表。
3．预放电与照射
球隙测量电压的可靠性取决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；二是球隙间空气电离不充分。

垂直测量球隙

前者使放电电压降低。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，再开始测量计数。
后者使放电电压升高。前者对交、直流和冲击电压的影响一样，后者在冲击电压下影响更为突出。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，间隙所占空间较大时，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，间隙所占空间较小时，出现有效自由电子比较困难。所以国际标准规定，凡所用球径小于12.5cm或测量电压低于50kV，都必须用γ射线或紫外线照射，即用人工方法使间隙中空气电离。一种方法是用石英水银灯所产生的紫外线照射球隙的击穿点，要求石英水银灯的功率不小于35W，电流不小于1A，灯离球有一定距离，希望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。
7.2.2 球隙法测量交直流高电压
符合球尺寸和诸多使用条件的规定后，在交流电压下测量的扩展不确定度可在±3％范围以内。在直流电压测量时，由于静电吸力的作用，灰尘和纤维对放电分散性的影响较大。因此，测量直流高电压时，当球隙距离不大于0.4D时，若没有过多的灰尘或纤维的影响，测量的不确定度将在±5％范围以内。
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。以测量交流电压为例，其正确的接线图如图2所示。

图2 测量球隙接线图
图中R1是保护变压器用的电阻；而R2是与球隙串联R2
C.一试品；G一球隙

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、球隙电容和试品电容等所产生的高频振荡。R2应放在图示的位置上，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。
为了限流和阻尼，要求R2大一些；但为了避免由R22上压降引起的测量误差，要求R2小一些。对于测量直流和工频交流电压，IEC推荐此电阻值为100kΩ或更大些；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大，因此应适当减小此阻值。
另外，球直径越大，允许的每伏电压的电阻值越小，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。直径200cm的球，测量电压为1000kV（有效值）时，电容电流约0.025A（有效值）。若保护电阻取500kΩ，则电阻上的压降约为12kV，其绝对值虽约占被测电压的1％；但是由于电阻压降与球隙电容压降相角差为90°，因此球隙实际上仍几乎受到全部的被测电压，即误差极小。
在预放电后，最后测量的交直流电压值应取3次连续测量值的平均值，其偏差不超过3％。
7.2.3 球隙法测量冲击高电压
球隙测量交直流电压时的许多规定，仍适用于冲击电压测量，本节只介绍一些特点。冲击电压测量标准中规定，在测量标准全波、波尾截断的标准波时，峰值电压的测量扩展不确定度不应大于3％，球隙是能满足此要求的。
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IEC标准将球隙的冲击放电电压和交、直流放电电压并列在一张表中，但表中所列是50％放电电压值。
测量交、直流电压时，球隙必须串有很大阻值的保护电阻，以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，如果串联电阻过大，就会影响测量结果。但也不能不串接电阻，因为仍有防止过电压的问题，一般规定串联电阻以不超过500Ω为宜。
球隙的冲击放电电压是有分散性的，在经过2～3次预放电以后才逐渐趋向稳定值。所谓稳定值仍是一个较小范围内的分散值，所以球隙采用50％放电电压法来测量冲击电压。所谓球隙的50％放电电压值是指在此电压作用下，所用球间隙的放电概率为50％。一种简单的做法是，例如使某一冲击电压作用到某一球隙距离上，10次中若有5次放电，5次不放电，则此冲击电压为该球隙距离的50％放电电压。但要在10次中正好有5次放电、5次不放电，实践中有困难，所以有规定认为，如果10次中能有4次放电、6次不放电；或6次放电、4次不放电则都可算作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10次中的放电概率与后10次中的不很相同，但如果次数多了，还是可能得出一准确的电压与放电概率的关系。
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，都可采用50％放电电压。确定50％放电电压的方法分多级法和升降法等。

1．多级法
如图7-3所示，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10～20次，电压级数不少于4级。求得在该电压下的放电概率，然后在正态概率纸上标出相应于U的概率点。如此做4~5点，即可得出一条拟合直线，由此直线可求得对应于P=50%的U值，即为50％放电电压Uso。一般认为在P=20%~80%范围内P与U近似为直线关系，在P=50%~80%％做一点及P＝20％～50％做一点，连成直线即可求得U50。又从正态概率纸上求得P为15.86％以及84.14％点所对应的U值，此两点中任何一点和U50%之差，即标准偏差σ。

电压与放电概率

2．升降法
确定50％放电电压U5o的另一种方法为升降法。用升降法时，先预估该间隙50％放电电压，并取ΔU=（1％～6％）U'为升降电压级差。对间隙施加电压U'，不放电则下次升一级，施加U'+ΔU，否则降一级，施加U'-ΔU，每次都以前一次放电与否作为电压降或升的依据，从第一个有用点起连续加压20～40次（一般不超过40次）。如果U'选得过低，可能前几次都是耐受，这些数据是无效的，一直要电压升到出现第一次击穿，才可能算第一个有用的电压值；反之，若U'选得过高，则一直要电压降到出现第一次耐受才可能算第一个有用的电压值。为了减小由于U'取值不当引起的误差，最初的至少有两次电压值不计入运算。且在任何情况下，所取的第一次有用的电压值与U50相差不应大于2ΔU。试验过程中，为避免前一次放电的影响，每次加压时间间隔不小于30s。
U₅₀可按式（1）求得

式中，U1为某一次试验电压值；m为自第一个有效电压开始的连续的总加压次数。

7.2.4 球隙法测量高电压的优缺点
测量球隙作为一种高电压测量方法的优点是：
（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的扩展不确定度可在±3％以内。
测量球隙的缺点是：
（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）测量较费时间。除了因为要通过多次放电进行测量外，施压过程也不能太快。开始应施加相当低幅值的电压，使不致因开关操作瞬间产生球隙放电；然后也应缓慢升压，以使在球隙放电瞬间，低压侧仪表能够准确地读数。
（3）实际使用中，测量稳态电压要进行多次放电，测量冲击电压要用50％放电电压法，手续都较麻烦。
（4）要校正大气条件。
（5）被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3m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，测量球隙的使用将越来越少。
（6）一般来说，测量球隙不宜用于室外。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。
尽管测量球隙具有上述缺点，IEC及国家标准都规定，它是一种能以规定的准确度来测量高电压的标准测量装置。此外，标准还规定了可采用棒-棒间隙来测量直流高压，并可用它作为标准测量装置来校核未认可的测量装置。在满足一定条件的情况下，它的测量不确定度估计小于3％。