冲击电压测量.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,冲击电压测量,一、冲击电压分压器 测量误差的理论分析,误差原因：,和工频分压器一样，由于分压器存在对地的分布,杂散电容,，电阻分压器在测量冲击电压时存在峰值测量误差和波形滞后的测量误差（这里暂不考虑回路电感的影响）,阶跃响应：,研究冲击分压器误差时，常考虑在它的高压端输入一阶跃波，然后计算或测量低压臂两端的输出波，此输出波称作为阶跃响应,稳态分压比为,N,U,a,与,NU,b,U,a,/N,与,U,b,的差别,U,a,(,输入方波,),Nu,b,（输出电压折算到高压）,U,a,/N(,输入电压折算到低压,),U,b,（输出电压）,U,a,NU,b,U,a,/N,U,b,t,t,0,0,u,u,阶跃响应的理论计算,令施加的阶跃波幅值为,U,0,，,则,u,b,（,t,）,=,（,U,0,/N,）,1,2exp,（,-t/,）,2exp,（,-4t/,）,2exp,（,-9t/,）,式中,R C e/,2,N,为稳态分压比，,N,（,R,1,R,2,）,/R,2,标准化的单位阶跃响应：,其中,U,b,(t,),为输入单位方波时的输出响应，将其乘以稳态分压比,N,再除以,1,（单位方波幅值）即为,g(t,),。,知道了,g(t,),，可由堆叠积分计算任意输入波形（可由无数个单位方波堆叠而成）的输出，从而确定在该输入波形时的测量误差。,t,U,0,实验阶跃响应时间：,IEC 60,2,规定的实验阶跃响应时间的定义为,式中,O,称为,g,（,t,）的,视在零点,，它是通过,g,（,t,）波前最陡点所作正切直线与时间横轴线之间的交点。,阶跃响应时间为：单位方波与单位方波响应所加面积,测量系统的测量误差计算,设系统输入电压为,U,a,(t,),方波响应为,U*,b,(t,),，由堆叠积分可得,当响应时间一定，测量的相对误差随时间而变,时间越小，相对误差越大，起始部分的相对误差最大,如,t=t,1,时，误差为,U(t,1,),，相对误差,U(t,1,),显然较大,当,U,一定，,t,C,越小，,T,也应越小,t,C,一定，,T,越大，相对误差越大。,（,4,）当系统单位方波响应为振荡波,则,1,g(t,),有正有负,总响应时间为各正负时间之和,T=T,1,-T,2,+T,3,T,4,+T,5,输出波形的起始部分也叠加有振荡，,但当时间大于,g(t,),达到稳定所需时间后,输出电压波形将平行于输入波,例如：,有时为了补偿分压器的对地电容,Ce,，,在分压器的高压端安装一个园伞形屏蔽环。然而由于此屏蔽环的存在，也增加了高压端的对地电容,Ce,，它会与高压引线的电感形成振荡。即使在导线首端加上阻尼电阻，振荡仍难以避免。,此时测量系统的振荡型阶跃响应,g,（,t,）,如图所示。,振荡型阶跃响应,带屏蔽环的电阻分压器,电阻分压器的方波响应,g,（,t,）及,T,计算举例：,一台测量雷电冲击波的电阻分压器，高压臂电阻,R,1,为,210,4,欧，对地总杂散电容,Ce,为,50pF,，求,g,（,t,）及,T,。,解：,RCe/,2,0.101s,代入,g(t),的计算式得,实际计算,g,（,t,）时，,k,取到,4,就足够了,画出,g,（,t,）的图形如图所示,电阻分压器的方波响应,g,（,t,）及,T,响应时间：,剖面部分为阶跃响应时间,T,T,RCe/6,0.167s,响应时间要求：,T0.2s,即可满足测量,1.2/50s,全波或波尾截断波的要求,结论：,这台分压器基本上符合技术标准,电阻分压器原理图,二、测量冲击电压的电阻分压器,分压器高压臂为,R,1,，,低压臂为,R,2,。,电阻材料：,测量冲击电压的电阻分压器，通常是用,电阻丝绕制,的。为了减小电感，要求在满足电阻值及温升不过高的前提下丝线尽可能短，要求所用材料是非磁性的且比电阻较大。为了避免阻值随温度而变动，要求所用材料的温度系数较小，通常是,用卡玛丝、康铜丝,按,无感绕法,做成。,阻值：,测量雷电冲击电压的电阻分压器的阻值一般约为一万欧姆左右，不宜超过两万欧姆，最小不低于两千欧姆。一般最高测量电压为,2000,千伏。,适用波形：,测量操作冲击电压很少采用电阻分压器，更宜采用电容分压,1,、对地电容,C,e,的影响,用接在分压器,R,中点的集中等值电容,C,ed,来代替,R,C,e,分布参数回路，并,保持响应时间不变。,H,R/2,R/2,x,u,2,u,1,C,de,2,、电感,L,的影响,曲线,3,、,4,、,5,是当,R R,C,时的振荡型单位方波响应。,由于,Ck,的存在，,g,t,(t,),开始不为零,3,、减少电阻分压器测量误差的措施,1,）让起始电压分布接近稳态电压分布,a,、横补法，减小,C,e,的影响,b,、纵补法，加大纵电容,C,k,可改,善分压器起始电压分布。一,般采用不均匀补偿法，从下,往上逐渐加大电容。,2,）减小,R,值，并减小,R,的尺寸（泡在油中）,4,、电阻分压器测量回路,连接与屏蔽：,波形记录仪或示波器往往离分压器几米到几十米，其间要用射频同轴电缆相连接。电缆采用损耗小的聚乙烯作为绝缘。电缆外金属皮套接地，以免电磁场干扰。,阻抗匹配：,它的波阻抗,Z,大多为,50,，,75,。,由于被测冲击波波前较陡，截波变化更快，所以电缆的一端或两端需有波阻抗进行匹配，以免电缆两端不断产生波的反射，后者会使记录到的波形出现高频振荡,电阻分压器测量回路,图中,R,1,和,R,2,分别为分压器的,高低压臂电阻,，,R,4,为末端匹配电阻,，它与电缆的波阻抗,Z,相等。,R,3,为首端匹配电阻,即,R,2,R,3,Z,分压比：,t,0,时的分压比称作,初始分压比,；,t,时的分压比称作,稳态分压比,。,总分压比：,可以论证当测量阶跃波时，初始分压比和稳态分压比是相等的。总的分压比,K,为高压端输入电压,u,1,与示波器（,CRO,）,两端获得的电压,u,2,之间的比值,电阻分压器测量回路,分压比：,K,n,（,R,1,R,2,）（,R,3,R,4,）,R,1,R,2,/R,2,R,4,式中,n,为在,R,4,上的二次分压比值。,单端匹配：,若,K,值太大，可改为仅首端或末端用电阻匹配,电缆芯电阻：,电缆较长时，在末端匹配时，需计入电缆芯电阻的分压作用,电阻分压器测量回路,电容分压器,及其对地杂散电容,Ce,（,Ce,）,三、测量冲击电压的电容分压器,1,、串联式电容分压器,可以看出，,U,2,U,1,与时间无关，即,U,2,与,U,1,波形相同。,由于,C,e,的影响，,忽略电感后,与分析工频,交流分压器时一样，,电容分压器只造成,峰值测量误差，而无波形误差,电容分压器,及其对地杂散电容,Ce,（,Ce,）,分压器电容：,若要电容分压器的输出电压峰值误差不超过,1,，则电容分压器的每米电容量不应小于,300,pF,。如分压器高度按每米,500,千伏估计，则电容分压器每百万伏的电容量不应小于,600,pF,，有时要满足这样的要求是有困难的。因为电容值过大，不仅增加了成本费及其直径；而且对冲击电压发生器来讲是增加了负荷，有时是不允许的。,杂散电容：,Ce,值可按垂直圆柱体的对地杂散电容来估算。一般直径下，其值约为每米长,20,pF,。,电容分压器,及其对地杂散电容,Ce,（,Ce,）,计算中使用的电容：,一般,C,1,采用有限值，通过现场实测它的有效电容,C,1e,，,用它取代,C,1,来计算分压比。或是在现场用精密的分压器来校订它的特性。在使用这些方法时，现场条件包括分压器位置、高压引线、试品位置等应该与实际测量时基本上一致,同轴电缆两端匹配的测量回路,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,电容分压器测量回路,1,、电缆首端匹配电阻图中的,R,1,等于电缆的波阻抗,Z,2,、电缆两端匹配电阻图中的,R,1,、,R,2,等于电缆的波阻抗,Z,施加阶跃电压的初瞬，进入电缆的波幅都为：,U,1,C,1,/(C,1,+C,2,)Z/(Z+R,1,),C,1,U,1,/2,(C,1,+C,2,),同轴电缆仅首端匹配的测量回路,波过程：,在图中，电缆末端为示波器输入端，输入阻抗甚高，输入电容很小，可以看为开路。故进入的电压波到末端有一正的反射波迭加到入射波上，示波器获得的电压为,C,1,U,1,/(C,1,+C,2,),。等到反射波运行到电缆首端，由于,C,2,较大而,R,1,已经与电缆波阻相匹配，故在首端无再次的反射波,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,初始分压比：,在此初瞬时,K,1,(C,1,+C,2,)/C,1,似稳状态：,波在电缆中运行两倍行程的时间,2,后，可看作达到似稳状态，此时电缆被看作为是一个电容,C,0,，故,当,t2,时,K,2,(C,1,+C,2,C,0,)/C,1,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,K,1,(C,1,+C,2,)/C,1,，,K,2,(C,1,+C,2,C,0,)/C,1,电压过冲问题：,由于,K,1,与,K,2,有些差异，同轴电缆将引起电压最初的“过冲”，其相对值与,C,0,/(C,1,+C,2,),有关,对于短的或中等长度的电缆，以及高,C,2,值，即高分压比的情况，此过冲的作用甚微，可以忽略,当电容分压器应用于测量暂态电压的现场试验时，常需用较长的电缆，此时可以采用早年由,FGBurch,提出的接线图：同轴电缆两端匹配的测量回路,同轴电缆仅首端匹配的测量回路,同轴电缆两端匹配的测量回路,在此回路中选择,C,1,+C,2,C,3,C,0,初始分压比：,t,0,时，分压比,同轴电缆两端匹配的测量回路,似稳态分压比：,t2,时，分压比,K,2,(C,1,+C,2,+C,3,C,0,)/C,1,2(C,1,+C,2,)/C,1,分压比相同：,回路的初始分压比和似稳态分压比相同,同轴电缆两端匹配的测量回路,2,）阻尼式电容分压器（集中式电容分压器略）,高频振荡：,电容分压器由于其本身有分布电感及对地的杂散电容，在施加陡峭冲击波时，会产生高频振荡。高压引线与分压器的电容，也会产生振荡电压。施加的波形越陡，分压器的额定电压越高，即其高度越高，波形振荡的问题越为突出。多年前的阻容并联分压器商品也存在这个问题,阻尼式电容分压器：,70,年代起，发展了阻容串联分压器，也就是阻尼式电容分压器,阻容分压器原理图,阻容分压器原理图,初始分压比：,K,1,(R,1,+R,2,)/R,2,似稳态分压比：,K,2,(C,1,+C,2,)/C,1,令,K,1,K,2,即得,C,1,R,1,C,2,R,2,实际取值：,考虑到大回路振荡的条件,建议,C,1,R,1,C,2,R,2,如取,R,2,0.8C,1,R,1,/C,2,等。,用途：,阻尼式电容分压器可以作为工频和冲击两用的分压器,低压臂测量回路：,阻尼式电容分压器的低压臂测量回路的处理方法与电容分压器相同,河南电力设备厂高压大厅,户外冲击电压发生器及分压器,四、测量冲击电压的峰值电压表,充电时间常数,T,c,=R,0,C,越小越好,电容,C,放电经过,R,0,和电压表电阻,R,进行，,时间常数越大越好。,前者要求电容,C,小，后者要求电容,C,大。,等值电路,C,R,分别为整流管正向导通电阻和反向截止电阻,改进电路,R,1,C,C,1,R,C,值很小，,C,1,值很大,R,1,R,0,冲击刚来，,C,很快充电至,U,max,C,1,还无电荷,当整流管截止，,C,使,C,1,充电，,C,1,上电压,U,max,C/(C+C,1,),所以,T,c,CR,0,很小,T,f,（,C,C,1,）,R,0,很大,T,c,和,T,f,是测量准确度高低的关键,测量误差,1,、与电阻分压器连接的时间常数,2,、与电容分压器连接的时间常数,C,R,U,R,1,R,2,R,eg,R,0,C,C,R,C,1,C,2,U,C,eg,C,五、光纤传输技术测量高电压,利用光纤传输技术和光学传感器测量高电压，特别是测量冲击高电压，越来越受到人们的重视，因为它具有许多优点,优点：,高压和低压测量仪器通过光纤隔离，后者具有,很高的绝缘水平,而且具有,高抗电磁干扰,的能力。在冲击电压的测量中，用光纤取代了同轴电缆传递信号，排除了产生电磁干扰的一个重要环节，有利于通用数字示波器及其它数字化仪器在高电压条件下的测试。目前光纤传输系统的测量频带已经可以做得很宽，能满足测量准确度的要求,缺点：,但与传统的高压分压器或分流器为主要部件的测量系统相比，光电测量系统的,稳定性较差,调制方式：,幅度光强度调制（,AM,IM,）；,调频光强度调制（,FM,IM,）；,数字脉冲调制；,利用光电效应。,六、测量冲击高电压的示波器,高压电子示波器,概念：,是一种记录快速一次过程现象而且具有高加速电压的专用电子示波器。,应用领域：,在高电压技术领域中，应用它观测和记录一次过程的雷电冲击波或操作冲击波。在军工、核物理、近代物理、力学等技术领域，也应用它记录高速动态过程。,示波器的特点,频响特性：,记录速度高，加速电压高（一般为,10,20kV,）；具有较高的频率响应特性,抗干扰性能：,垂直灵敏度不高，被测电压信号峰值高（,300,1000V,）；信噪比较高；只装有信号衰减器，不装设放大器,使用方法：,需通过照相的方法记录所显示的波形,误差：,峰值,测量不确定度应,不大于,2%,；,波形时间,的测量不确定度应,不大于,4%,发展趋势：,逐渐有被数字存储示波器所取代的趋势,数字存储示波器和数字记录仪,瞬态仪：,数字存储示波器和数字记录仪（,Digitiger,，,又称瞬态波形存储器）是,20,世纪,60,年代发展起来的新型测试仪器。,应用领域：,主要用作测量各种瞬态过程，如爆炸、冲击、振动、武器发射过程及高速电磁脉冲（,EMP,）,的测量等。它在各种工程技术、生物医学、原子物理、军事科学等领域中已得到了广泛的应用,在高压领域的应用：,1973,年首见应用于高电压测量。它在高电压测试领域中不仅应用于,稳态的工频高电压测量,和,谐波分析,，更重要的是，它被应用于,快速暂态过程的测量,，如冲击电压,(,电流,),的测量，,GIS(,气体绝缘金属封闭开关设备,),中的甚快速暂态过电压测量，内绝缘局部放电波形测量等。它的应用不仅可使被测波形在屏幕上“锁住”，以使一次过程波便于被人们观测，而且可以通过其专用软盘把波形存储起来，或是连至计算机进行分析计算、打印和存储,七、高电压测量的抗干扰,电磁兼容,(Electro,magnetic compatibility),：,是指电气设备（包括电子设备）在它所处电磁环境中能令人满意地工作。若作为干扰源时，只具有可容许的干扰发射；而作为感受器时，对干扰只具有可容许的敏感度。,高电压测量的电磁兼容问题：,在高电压测量条件下，在现场则有高电压大电流的各种电气设备和导线，在实验室内则有高电压或大电流的发生装置。弱电的测量设备或仪器，在上述条件下工作，最严重的状况是弱电测量设备或仪器，由于,地电位升高而引起“反击”,或由于,强电磁干扰,造成个别关键,元件损坏,，以致测量设备或仪器无法正常工作；较严重的状况则是测量,设备或仪器受到干扰,的影响，使记录到的,信号严重失真,电磁干扰源：,电磁干扰主要有三方面的来源,一种是测量用的射频,同轴电缆外皮中,通过的,暂态电流,所引起的干扰；,另一种是,间隙放电,时产生的空间电磁辐射；,第三种是仪器,电源线引入的干扰,。,冲击高电压测量中的干扰以第一种最须予以重视,环路电流产生的压降及杂散电容引起的地电位升高,C,：,为冲击电压（或电流）发生器的主电容,Cs,：,高压端对大地及墙（无屏蔽层遮蔽）之间的杂散电容,E,点：,本来通过接地电阻,R,接地，电位为零,A,点：,为试品下端，它通过导线与,E,相连，其原始电位也为零,杂散电容,Cs,对,E,点电位的影响,地电位升高（反击）：,但当试品或与它相并联的铜球隙突然放电时，除了,C,通过放电间隙,S,形成放电回路外，由于,Cs,原来也充有电荷，它也会通过,S,及接地电阻,R,进行放电。在此放电瞬间，,R,上流过了电流，于是,E,点电位不再是零。,环路电流引起的压降：,由于主放电回路中的电流在,A,点与,E,点连线中产生压降，从而使,A,点电位不等于,E,点电位，也就更不等于是零电位,杂散电容,Cs,对,E,点电位的影响,例：,在产生冲击大电流的情况下,若,A,点离,E,点的距离为,1,米,连接线的电感约为,1uH/m,故,A,、,E,间的电感约为,1uH,设电流的变化率为,510,10,A/sec,则放电瞬间,A,、,E,之间的瞬间压差的最大值可达,50kV,采取的措施：,分压器或分流器的接地点最好是直接,接在,E,点上,，但实际上这项措施也较难能够保证,杂散电容,Cs,对,E,点电位的影响,电缆外皮暂态,电流,I,造成干扰电压,Ucd,R,0,电缆首端接地电阻,R,1,电缆末端接地电阻,放电电流,对,A,、,B,、,E,点电位的影响,电缆外皮暂态电流造成干扰,在间隙,S,放电时，由于电容分压器也经过,S,放电，,B,与,A,间也出现压差,总之放电会造成各,点的电位波动,，且,U,A,U,B,U,E,0,电流流过同轴电缆的外屏蔽层：,由于同轴电缆的末端（接示波器端）可能另有接地端，即使没有直接接地端，考虑到示波器外壳的对地杂散电容的作用，使在,B,点电位升高时，会有电流流过同轴电缆的外屏蔽层,此时，即使电缆输入端芯线与外屏蔽层间短路，由于有了外皮中的暂态电流,i,，使,示波器,的,输入端,c,、,d,端间仍会,出现一压降,Ucd,高电压试验时的抗干扰措施,降低回路压降：,所有高压试验中的接地回线都应用尺寸较大的铝（铜）板或宽带做成，以减小接地回线上形成的压降。,主回路电流：,主放电电流都经过此回线流回设备。,接地点：,接地点或接地网只起固定电位的作用。,接地电阻：,在野外试验及未采用全屏蔽的实验室里，希望接地电阻值尽可能做得小一些，以减小杂散电流流过接地电阻所造成的压降,实验室采用全屏蔽：,高压设备放电时，杂散电容也将同时放电，为此可把高压试验厅用金属体,(,板或网,),全屏蔽起来，即作成一个大法拉弟笼，,单点接地：,笼仅有一点与地相连，如图所示，则杂散电容电流通过法拉弟笼流回设备，,E,点的电位不会升高。全屏蔽措施也有利于避免高压放电对外造成电磁干扰，同时也可防止室外的电磁干扰及无线电波对室内进行局部放电等项试验时所采用的高灵敏度测试仪器的不利影响,实验室采用全屏蔽,建立小屏蔽室：,专为应用于高压测试中的通用数字示波器及其附属设备建一小屏蔽室或屏蔽盒。它们是用金属板焊成，或用双层屏蔽网构成,降低电缆外皮中暂态电流引起的共模干扰具体措施,分压器：,分压器应置于紧靠集中接地极的地点，并以最短的连线相接。此接地连线应采用较宽的铜带或铝带；由分压器到测量仪器敷设宽度较大的金属板或金属带作为接地连线,电缆敷设：,测量电缆应沿此接地连线紧靠地面敷设，使电缆外皮与接地连线构成的回路面积尽量减小。若有可能，测量电缆宜直接敷设在该接地连线的金属板、带之下,电缆长度：,测量电缆长度应尽可能短,电缆双层屏蔽：,采用双屏蔽同轴电缆，或在单屏蔽同轴电缆外再套一金属管，甚至在双屏蔽同轴电缆外也再套金属管,电缆的屏蔽接地：,电缆的外层屏蔽及金属管多点接地，至少应两端接地。电缆内层屏蔽在分压器端接地，测量仪器端是否接地由干扰试验确定,两端匹配：,测量电缆采取两端匹配的接线方式,加共模抑制器：,在测量电缆上加设共模抑制器，办法是将测量电缆在高频磁芯（即铁氧磁芯）环上绕若干圈，或将若干铁氧小磁环套在测量电缆上,提高信噪比：,提高同轴电缆中传递的被测电压信号，使共模干扰所占比重减小，即提高传递环节的信噪比。以降低干扰对测量的影响。当被测电压信号高于测量仪器的最大量程时，测量仪器可加设外接衰减器。,针对上述三大干扰源的抗干扰综合措施,D,分压器；,Cab,双屏蔽电缆；,E,集中接地极；,W,金属板接地；,S,屏蔽室；,M,测量仪器；,F,滤波器；,T,1,比,1,绝缘隔离变压器,抗干扰综合措施接线图,THE END,