高電壓的測量
本章核心概念：
標準測量系統與認可測量系統，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，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的影響，沖擊電壓下還要求良好的階躍響應特性；電壓高達數兆伏時，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。
高電壓測量包括穩態高電壓測量和沖擊高電壓測量。穩態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，還經常采用多種轉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換裝置，其他例如電壓互感器及電流互感器也是轉換裝置。通過轉換裝置將被測的量轉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
有關高電壓擊穿試驗技術的國家標準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。測量系統通常包括以下組件：轉換裝置、轉換裝置接到試品或電流回路的引線、接地連線、轉換裝置的輸出端接到指示或記錄儀器的連接系統等，其中包括了所有的衰減、終端、匹配阻抗或網絡、指示或記錄儀器及其接到電源的連線。

IEC60060-2：2010和GB／T16927.2-2013都把測量系統分為兩類：標準（reference）測量系統和認可的測量系統（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果區間的量，被測量之值分布的大部分可望包含于此區間中，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"簡稱為“測量系統"。
7.1.3 交直流高電壓的測量
本章所說的穩態高電壓，主要是指工頻交流高電壓和直流高電壓。但本節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的其他穩態高電壓。
對交流電壓有效值的測量，和對直流電壓算術平均值的測量，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平均值的標準測量系統，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）可用來直接測量穩態高電壓，（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。
光纖技術在電工領域中的應用日益廣泛。光導纖維本身是絕緣材料，因此光纖技術應用在高電壓測量時，可無雜散和電磁干擾的影響，具有很大的*性。在進行穩態電壓測量時，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包括其中的電壓轉換裝置和指示、記錄及測量儀器必須具備良好的瞬態響應特性。一些適宜于測量穩態或慢過程（如直流和交流電壓）的測量系統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。標準規定的沖擊電壓測量系統的要求是：
（1）測量沖擊全波峰值的擴展不確定度為±3％范圍內。
（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；當T≥2 μs時，擴展不確定度在±3％范圍內。
（3）測量沖擊波形時間參數（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。
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（或數字記錄儀）可同時測出峰值及波形。在采用數字式示波器或數字記錄儀時，可立即獲得峰值和時間參數值，并可打印出波形。
（4）光電測量法 采用光電轉化技術和光纖傳輸技術的測量法。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
應用兩個金屬球空氣間隙放電電壓與球隙距離的關系來測量高電壓的方法稱作球隙放電法。空氣只有在一定的電場強度下，才能發生碰撞電離。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系，可以利用間隙放電來測量電壓。能實際應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態擊穿電壓，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據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的，所以測量的是電壓的峰值。
2．球隙結構與測量條件
當金屬球間隙距離S與球直徑D之比大于0.5時，其放電電壓數值的準確性較差。要達到球隙所能達到的測量準確度，其結構和使用條件必須符合IEC或國家標準GB／T 311.6-2005的規定，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標準狀態下的數值。在非標準狀態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值乘以空氣相對密度校正因數δ和濕度校正因數K，詳見GB／T 311.6-2005，或本書的3.1節。
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。可測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關系，詳細查閱 IEC 60052：2002和國標GB／T 311.6-2005的球隙放電標準表。
3．預放電與照射
球隙測量電壓的可靠性取決于測量結果的分散性。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，則會產生不正常的破壞性放電。因此在取得前后一致的數據以前，必須進行多次預放電。在放電電壓值相對穩定后，再開始測量計數。
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，交、直流電壓變化慢，持續時間長，不難在間隙中出現有效自由電子。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，出現有效自由電子比較困難。所以國際標準規定，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。這項有關照射的規定，對測量沖擊和穩態高壓都是適用的，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定后，在交流電壓下測量的擴展不確定度可在±3％范圍以內。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。
在用球間隙測量交流和直流電壓時，經常需在球間隙上串聯一個保護電阻。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，以免球極燒傷而產生麻點；另一方面當試驗回路出現刷狀放電時，可減少或避免由此產生的瞬態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生的高頻振蕩。R2應放在圖示的位置上，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而引起的充電電流可使該電阻上的壓降影響變大，因此應適當減小此阻值。
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。
在預放電后，最后測量的交直流電壓值應取3次連續測量值的平均值，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定，仍適用于沖擊電壓測量，本節只介紹一些特點。沖擊電壓測量標準中規定，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，而且放電前經過球隙的電容電流較大，如果串聯電阻過大，就會影響測量結果。但也不能不串接電阻，因為仍有防止過電壓的問題，一般規定串聯電阻以不超過500Ω為宜。
球隙的沖擊放電電壓是有分散性的，在經過2～3次預放電以后才逐漸趨向穩定值。所謂穩定值仍是一個較小范圍內的分散值，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的頻率，次數少了不一定準確。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，但如果次數多了，還是可能得出一準確的電壓與放電概率的關系。
不僅球隙測量用50％放電電壓，所有自恢復絕緣，只要它的放電分散情況符合正態分布規律，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，電壓級數不少于4級。求得在該電壓下的放電概率，然后在正態概率紙上標出相應于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P與U近似為直線關系，在P=50%~80%％做一點及P＝20％～50％做一點，連成直線即可求得U50。又從正態概率紙上求得P為15.86％以及84.14％點所對應的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，從第一個有用點起連續加壓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，這些數據是無效的，一直要電壓升到出現第一次擊穿，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的總加壓次數。

7.2.4 球隙法測量高電壓的優缺點
測量球隙作為一種高電壓測量方法的優點是：
（1）可以測量穩態高電壓和沖擊電壓的幅值，幾乎是直接測量超高電壓的設備。
（2）結構簡單，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。
測量球隙的缺點是：
（1）測量時必須放電，放電時將破壞穩定狀態，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。開始應施加相當低幅值的電壓，使不致因開關操作瞬間產生球隙放電；然后也應緩慢升壓，以使在球隙放電瞬間，低壓側儀表能夠準確地讀數。
（3）實際使用中，測量穩態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及國家標準都規定，它是一種能以規定的準確度來測量高電壓的標準測量裝置。此外，標準還規定了可采用棒-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％。