高電壓的測量1高電壓的測量1高電壓的測量

一、高電壓測量標準與方法概述二、球隙放電法測量高電壓三、高壓靜電電壓表四、分壓器五、光纖傳輸技術測量高電壓六、測量高電壓的示波器七、高電壓測量的抗干擾2高電壓的測量一、高電壓測量標準與方法概述2

穩態高電壓：主要是指工頻交流高壓和直流高壓。但所述及的測量方法或裝置，有的也可用于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有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。穩態高電壓與沖擊高電壓3 穩態高電壓：主要是指工頻交流高壓和直流高壓。但所述及的測量實驗室與電力系統的高電壓測量

電力系統：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。用電壓互感器測交流電壓把電壓互感器的高壓邊接到被測電壓，低壓邊跨接一塊電壓表，把電壓表讀數乘上電壓互感器的變比，就可得被測電壓值。 電力系統沒有專門的沖擊電壓測量系統

實驗室：互感器在高電壓實驗室中用得不多，因為高電壓實驗室中所要測的電壓值常常比現有電壓互感器的額定電壓高許多，特制一個超高壓的電壓互感器是比較昂貴的，而且很高電壓的互感器也比較笨重，所以采用別的方法來測量交流高電壓用電壓互感器測交流電壓4實驗室與電力系統的高電壓測量 電力系統：電力運行部門測量交流實驗室的高電壓測量 交流高電壓測量： (1)利用氣體放電測量交流高電壓――如測量球隙 (2)利用靜電力測量交流高電壓――如靜電電壓表 (3)利用整流電容電流測量交流高電壓――如峰值電壓表 (4)利用整流充電電壓測量交流高電壓――如峰值電壓表

直流高電壓的測量： 用高歐姆電阻串聯直流毫安表可以測量直流電壓的平均值，是一種比較方便而又常用的測量系統

沖擊高電壓的測量： (1)球隙法：是直接測量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。事先應驗證波形合乎標準，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 (4)光電測量法：采用光纖技術的測量法。有的仍需與分壓器配合，有的則不須要分壓器，測量系統中具有專門的傳感器或電容探頭。(1)、(2)是直接測量的方法5實驗室的高電壓測量 交流高電壓測量： 沖擊高電壓的測量：(1球隙放電法測量高電壓 1.球間隙放電 2.交直流高電壓的測量 3.沖擊電壓的測量 4.球隙法測量高電壓的優缺點6球隙放電法測量高電壓 1.球間隙放電6垂直測量球隙球間隙放電

球隙的結構 符合尺寸的球間隙有兩種方式，圖中所示是垂直球間隙，另有水平球間隙7垂直測量球隙球間隙放電 球隙的結構7測量原理 空氣在一定電場強度下，才能發生碰撞游離。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，但絕對的均勻電場是不易做到的，只能做到接近于均勻電場。 測量球隙是由一對相同直徑的金屬球所構成。加壓時，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決定于球間隙的距離垂直測量球隙8測量原理 空氣在一定電場強度下，才能發生碰撞游離。均勻電場下交直流高電壓的測量

串接保護電阻

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R2。R1是保護變壓器用的防振電阻,以測交流電壓為例接線如圖所示. (1)為了限流和阻尼，要求R2大一些；但為了避免R2上壓降引起測量誤差，要求R2小一些 (2)對于測量直流和工頻交流電壓時，I.E.C推薦此電阻值為100千歐。交直流高電壓測量球隙接線圖9交直流高電壓的測量 串接保護電阻交直流高電壓測量球隙接線圖沖擊電壓的測量

測量沖擊與穩態高電壓的區別與聯系

影響因素：球隙測量電壓的可靠性，決定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，二是球隙間空氣游離不充分。前者使放電電壓降低，后者使放電電壓升高。10沖擊電壓的測量 測量沖擊與穩態高電壓的區別與聯系10

保護電阻：測量交直流電壓時球隙必須串有很大阻值的保護電阻來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，如串聯電阻過大，會影響測量結果。 但也不能不要串接電阻，因為仍有防止過電壓的問題，一般規定串聯電阻以不超過500歐姆為宜 沖擊比：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。 因為球隙是個稍不均勻電場，它的伏—秒特性大體上是條水平線，沖擊比等于1。11 保護電阻：測量交直流電壓時球隙必須串有很大阻值的保護電阻來靜電電壓表測量高電壓 1.概念與原理 2.適用范圍、分類 3.特點 4.使用注意事項12靜電電壓表測量高電壓 1.概念與原理12高壓靜電電壓表

概念與原理：加電壓于兩個相對的電極，由于兩電極上分別充上異性電荷，電極就會受到靜電機械力的作用。測量此靜電力的大小，或是測量由靜電力所產生的某一極板的偏移(或偏轉)來反映所加電壓大小的表計稱為靜電電壓表。適用范圍：測量穩態電壓有效值。平板電極間的電場和靜電吸力

13高壓靜電電壓表 概念與原理：加電壓于兩個相對的電極，由于兩電

特點：靜電電壓表的優點是它基本上不從電路里吸取功率，或是準確地講只吸取極少量的無功率，用以建立極板中的電場和極板對地的雜散電場。由于儀表極板的電容一般僅幾個到幾十個微微法，所以所吸收的功率極小，可以認為靜電電壓表的內阻抗極大，這是它的最大優點。稍低一點的額定電壓表計，可接到分壓器上來擴大其電壓量程。對于波形是純正的正弦波的高電壓來說，用靜電電壓測量出有效值也就反映出它的峰值。

缺點：介質擊穿取決于峰值，當正弦波含有諧波時，用靜電電壓測量時就失去了它的優勢，因為國家標準認為，在此條件下應先測出峰值UM，然后用UM/算作為電壓的有效值14 特點：靜電電壓表的優點是它基本上不從電路里吸取功率，或是準分壓器測量高電壓1.高壓交流分壓器2.高壓直流分壓器3.測量沖擊電壓的分壓器15分壓器測量高電壓1.高壓交流分壓器151.高壓交流分壓器分壓器的原理高壓電阻分壓器高壓電容分壓器161.高壓交流分壓器分壓器的原理16

分壓器的原理 其中Z1為分壓器高壓臂的阻抗，Z2為分壓器低壓臂的阻抗，大部分的被測電壓降落在Z1上，Z2上僅有一小部分電壓，用低量程電壓表測量得Z2上的電壓，乘上一個常數，即可得被測電壓。這個常數叫做分壓比K。交流分壓器接線圖17 分壓器的原理交流分壓器接線圖17 高壓電阻分壓器：

頻率越高，電阻越大，雜散電容越大，測量誤差也越大。較高電壓的分壓器的尺寸必定較大，對地雜散電容勢必隨之而增大。而且在測量較高電壓時，電阻也必須增大，否則電流太大，即對被測電壓源不利，而且會造成分壓器本身的溫升太高，也會引起誤差。 可見電阻分壓器只適合于測量頻率不過高和幅值不太高的交流電壓，一般在工頻電壓下，只應用于幾十千伏的電壓等級下。18 高壓電阻分壓器：18高壓電容分壓器：

適用范圍：電容分壓器可使用于幾千伏至3兆伏廣泛的交流高電壓范圍之內。在有些高壓實驗室里，已發展工頻和沖擊電壓兼用的電容分壓器

電容分壓器有兩種主要形式： 一種稱為分布式電容分壓器，它的高壓臂由多個電容器元件串聯組裝而成。前面所進行的誤差分析，就是針對這類分壓器的。 另一種稱為集中式電容分壓器，它的高壓臂使用一個氣體介質的高壓標準電容器。19高壓電容分壓器： 適用范圍：電容分壓器可使用于幾千伏至3兆伏（a）直流電阻分壓器（b）高歐姆電阻串聯毫安表2.高壓直流分壓器

直流分壓器的概念：

能用來測量直流高壓的分壓器是由電阻元件組成的分壓器 真正符合分壓器概念的是圖（a）所示的接線圖。在此圖中，跨接在低壓臂電阻R2上的電壓表，必須是高內阻的表計，如靜電電壓表或數字電壓表。 另一種測直流高電壓的接線是圖（b）狀的，高壓電阻器R1已知，則測得流過它的電流值，便可獲得所加的電壓值。 由于所加的電壓很高，所以無論上述哪種接線，R1的阻值都是很高的，一般R1由數個或數十個電阻元件串聯組成20（a）直流電阻分壓器2.高壓直流分壓器 直流分壓器的概念：R1阻值的選擇 R1阻值的選擇不能太小，否則要求直流高壓源供給較大的電流I1，且R1本身的熱損耗也會太大，以致R1阻值不穩定而增加測量誤差。 另一方面也不能選得太大，否則由于I1過小而使電暈放電和絕緣支架的漏電都會造成測量誤差 國際電工委員會規定I1不低于0.5mA。一般I1選擇在0.5～2mA之間，額定工作電壓高的分壓器I1可選大些(因為電暈和泄漏也更嚴重些)，電壓低的分壓器則I1可選小些，實際上I1常選定為1mA21R1阻值的選擇 R1阻值的選擇不能太小，否則要求直流高壓源供電阻分壓器原理圖3.測量沖擊電壓的分壓器

1）電阻分壓器 分壓器高壓臂為R1，低壓臂為R2。

電阻材料：測量沖擊電壓的電阻分壓器，通常是用電阻絲繞制的。為了減小電感，要求在滿足電阻值及溫升不過高的前提下絲線盡可能短，要求所用材料是非磁性的且比電阻較大。為了避免阻值隨溫度而變動，要求所用材料的溫度系數較小，通常是用卡瑪絲、康銅絲按無感繞法做成。

阻值：測量雷電沖擊電壓的電阻分壓器的阻值一般約為一萬歐姆左右，不宜超過兩萬歐姆，最小不低于兩千歐姆。一般最高測量電壓為2000千伏。

適用波形：測量操作沖擊電壓很少采用電阻分壓器，更宜采用電容分壓22電阻分壓器原理圖3.測量沖擊電壓的分壓器 1）電阻分壓器電阻分壓器測量回路

連接與屏蔽：波形記錄儀或示波器往往離分壓器幾米到幾十米，其間要用射頻同軸電纜相連接。電纜采用損耗小的聚乙烯作為絕緣。電纜外金屬皮套接地，以免電磁場干擾。

阻抗匹配：它的波阻抗Z大多為50Ω，75Ω。由于被測沖擊波波前較陡，截波變化更快，所以電纜的一端或兩端需有波阻抗進行匹配，以免電纜兩端不斷產生波的反射，后者會使記錄到的波形出現高頻振蕩電阻分壓器測量回路23電阻分壓器測量回路 連接與屏蔽：波形記錄儀或示波器往往離分壓電容分壓器及其對地雜散電容Ce（＝ΣCe′）2）電容分壓器

種類：與測工頻交流的電容分壓器一樣，測量沖擊電壓的電容分壓器也可分為兩種型式。一種分壓器的高壓臂是由多個高壓電容疊裝組成；另一種分壓器的高壓臂僅有一個集中的電容

測量誤差來源：分布式電容分壓器中的串聯電感由于已在設計電容器時，注意到減至最小。所以當測量全波電壓而且額定電壓不很高，即分壓器高度不很高時，可以忽略它的作用。此時分壓器的測量誤差，主要是由對地雜散電容Ce引起。與分析工頻交流分壓器時一樣，分壓器只造成峰值測量誤差，而無波形誤差24電容分壓器2）電容分壓器 種類：與測工頻交流的電容分壓器一樣同軸電纜兩端匹配的測量回路同軸電纜僅首端匹配的測量回路 低壓臂測量回路：電容分壓器低壓臂的測量回路可采用圖示兩種測量回路一是電纜首端匹配電阻圖中的R1等于電纜的波阻抗Z一是電纜兩端匹配電阻圖中的R1、R2等于電纜的波阻抗Z25同軸電纜兩端匹配的測量回路同軸電纜僅首端匹配的測量回路 低3）阻尼式電容分壓器

高頻振蕩：電容分壓器由于其本身有分布電感及對地的雜散電容，在施加陡峭沖擊波時，會產生高頻振蕩。高壓引線與分壓器的電容，也會產生振蕩電壓。施加的波形越陡，分壓器的額定電壓越高，即其高度越高，波形振蕩的問題越為突出。多年前的阻容并聯分壓器商品也存在這個問題

阻尼式電容分壓器：70年代起，發展了阻容串聯分壓器，也就是阻尼式電容分壓器

用途：阻尼式電容分壓器可以作為工頻和沖擊兩用的分壓器阻容分壓器原理圖263）阻尼式電容分壓器 高頻振蕩：電容分壓器由于其本身有分布電五、光纖傳輸技術測量高電壓 利用光纖傳輸技術和光學傳感器測量高電壓，特別是測量沖擊高電壓，越來越受到人們的重視，因為它具有許多優點

優點：高壓和低壓測量儀器通過光纖隔離，后者具有很高的絕緣水平而且具有高抗電磁干擾的能力。在沖擊電壓的測量中，用光纖取代了同軸電纜傳遞信號，排除了產生電磁干擾的一個重要環節，有利于通用數字示波器及其它數字化儀器在高電壓條件下的測試。目前光纖傳輸系統的測量頻帶已經可以做得很寬，能滿足測量準確度的要求

缺點：但與傳統的高壓分壓器或分流器為主要部件的測量系統相比，光電測量系統的穩定性較差27五、光纖傳輸技術測量高電壓 利用光纖傳輸技術和光學傳感器測量

調制方式：幅度－光強度調制（AM－IM）； 調頻－光強度調制（FM－IM）； 數字脈沖調制； 利用光電效應。28 調制方式：幅度－光強度調制（AM－IM）；28六、測量沖擊高電壓的示波器

高壓電子示波器

概念：是一種記錄快速一次過程現象而且具有高加速電壓的專用電子示波器。

應用領域：在高電壓技術領域中，應用它觀測和記錄一次過程的雷電沖擊波或操作沖擊波。在軍工、核物理、近代物理、力學等技術領域，也應用它記錄高速動態過程。

示波器的特點 頻響特性：記錄速度高，加速電壓高（一般為10～20kV）；具有較高的頻率響應特性抗干擾性能：垂直靈敏度不高，被測電壓信號峰值高（300～1000V）；信噪比較高；只裝有信號衰減器，不裝設放大器使用方法：需通過照相的方法記錄所顯示的波形誤差：峰值測量不確定度應不大于2%；波形時間的測量不確定度應不大于4%發展趨勢：逐漸有被數字存儲示波器所取代的趨勢29六、測量沖擊高電壓的示波器 高壓電子示波器抗干擾性能：垂直靈數字存儲示波器和數字記錄儀

瞬態儀：數字存儲示波器和數字記錄儀（Digitiger，又稱瞬態波形存儲器）是20世紀60年代發展起來的新型測試儀器。

應用領域：主要用作測量各種瞬態過程，如爆炸、沖擊、振動、武器發射過程及高速電磁脈沖（EMP）的測量等。它在各種工程技術、生物醫學、原子物理、軍事科學等領域中已得到了廣泛的應用

在高壓領域的應用：1973年首見應用于高電壓測量。它在高電壓測試領域中不僅應用于穩態的工頻高電壓測量和諧波分析，更重要的是，它被應用于快速暫態過程的測量，如沖擊電壓(電流)的測量，GIS(氣體絕緣金屬封閉開關設備)中的甚快速暫態過電壓測量，內絕緣局部放電波形測量等。它的應用不僅可使被測波形在屏幕上“鎖住”，以使一次過程波便于被人們觀測，而且可以通過其專用軟盤把波形存儲起來，或是連至計算機進行分析計算、打印和存儲30數字存儲示波器和數字記錄儀 瞬態儀：數字存儲示波器和數字記七、高電壓測量的抗干擾

高電壓測量的電磁兼容問題：在高電壓測量條件下，在現場則有高電壓大電流的各種電氣設備和導線，在實驗室內則有高電壓或大電流的發生裝置。弱電的測量設備或儀器，在上述條件下工作，最嚴重的狀況是弱電測量設備或儀器，由于地電位升高而引起“反擊”或由于強電磁干擾造成個別關鍵元件損壞，以致測量設備或儀器無法正常工作；較嚴重的狀況則是測量設備或儀器受到干擾的影響，使記錄到的信號嚴重失真電磁干擾源：電磁干擾主要有三方面的來源一種是測量用的射頻同軸電纜外皮中通過的暫態電流所引起的干擾；另一種是間隙放電時產生的空間電磁輻射； 第三種是儀器電源線引入的干擾。31七、高電壓測量的抗干擾 高電壓測量的電磁兼容問題：在高電壓測環路電流產生的壓降及雜散電容引起的地電位升高

C：為沖擊電壓（或電流）發生器的主電容 Cs：高壓端對大地及墻（無屏蔽層遮蔽）之間的雜散電容

E點：本來通過接地電阻R接地，電位為零

A點：為試品下端，它通過導線與E相連，其原始電位也為零雜散電容Cs對E點電位的影響32環路電流產生的壓降及雜散電容引起的地電位升高 C：為沖擊電壓

地電位升高（反擊）：但當試品或與它相并聯的銅球隙突然放電時，除了C通過放電間隙S形成放電回路外，由于Cs原來也充有電荷，它也會通過S及接地電阻R進行放電。在此放電瞬間，R上流過了電流，于是E點電位不再是零。

環路電流引起的壓降：由于主放電回路中的電流在A點與E點連線中產生壓降，從而使A點電位不等于E點電位，也就更不等于是零電位雜散電容Cs對E點電位的影響33 地電位升高（反擊）：但當試品或與它相并聯的銅球隙突然放電時電纜外皮暫態電流I造成干擾電壓UcdR0－電纜首端接地電阻R1－電纜末端接地電阻放電電流對A、B、E點電位的影響電纜外皮暫態電流造成干擾 在間隙S放電時，由于電容分壓器也經過S放電，B與A間也出現壓差 總之放電會造成各點的電位波動，且UA≠UB≠UE≠0

電流流過同軸電纜的外屏蔽層：由于同軸電纜的末端（接示波器端）可能另有接地端，即使沒有直接接地端，考慮到示波器外殼的對地雜散電容的作用，使在B點電位升高時，會有電流流過同軸電纜的外屏蔽層 此時，即使電纜輸入端芯線與外屏蔽層間短路，由于有了外皮中的暫態電流i，使示波器的輸入端c、d端間仍會出現一壓降Ucd34電纜外皮暫態放電電流電纜外皮暫態電流造成干擾 在間隙S放電時高電壓試驗時的抗干擾措施

降低回路壓降：所有高壓試驗中的接地回線都應用尺寸較大的鋁（銅）板或寬帶做成，以減小接地回線上形成的壓降。

主回路電流：主放電電流都經過此回線流回設備。

接地點：接地點或接地網只起固定電位的作用。

接地電阻：在野外試驗及未采用全屏蔽的實驗室里，希望接地電阻值盡可能做得小一些，以減小雜散電流流過接地電阻所造成的壓降35高電壓試驗時的抗干擾措施 降低回路壓降：所有高壓試驗中的接

實驗室采用全屏蔽：高壓設備放電時，雜散電容也將同時放電，為此可把高壓試驗廳用金屬體(板或網)全屏蔽起來，即作成一個大法拉弟籠，

單點接地：籠僅有一點與地相連，如圖所示，則雜散電容電流通過法拉弟籠流回設備，E點的電位不會升高。全屏蔽措施也有利于避免高壓放電對外造成電磁干擾，同時也可防止室外的電磁干擾及無線電波對室內進行局部放電等項試驗時所采用的高靈敏度測試儀器的不利影響實驗室采用全屏蔽

建立小屏蔽室：專為應用于高壓測試中的通用數字示波器及其附屬設備建一小屏蔽室或屏蔽盒。它們是用金屬板焊成，或用雙層屏蔽網構成36 實驗室采用全屏蔽：高壓設備放電時，雜散電容也將同時放電，為降低電纜外皮中暫態電流引起的共模干擾具體措施

分壓器：分壓器應置于緊靠集中接地極的地點，并以最短的連線相接。此接地連線應采用較寬的銅帶或鋁帶；由分壓器到測量儀器敷設寬度較大的金屬板或金屬帶作為接地連線

電纜敷設：測量電纜應沿此接地連線緊靠地面敷設，使電纜外皮與接地連線構成的回路面積盡量減小。若有可能，測量電纜宜直接敷設在該接地連線的金屬板、帶之下

電纜長度：測量電纜長度應盡可能短

電纜雙層屏蔽：采用雙屏蔽同軸電纜，或在單屏蔽同軸電纜外再套一金屬管，甚至在雙屏蔽同軸電纜外也再套金屬管37降低電纜外皮中暫態電流引起的共模干擾具體措施 分壓器：分壓

電纜的屏蔽接地：電纜的外層屏蔽及金屬管多點接地，至少應兩端接地。電纜內層屏蔽在分壓器端接地，測量儀器端是否接地由干擾試驗確定

兩端匹配：測量電纜采取兩端匹配的接線方式

加共模抑制器：在測量電纜上加設共模抑制器，辦法是將測量電纜在高頻磁芯（即鐵氧磁芯）環上繞若干圈，或將若干鐵氧小磁環套在測量電纜上

提高信噪比：提高同軸電纜中傳遞的被測電壓信號，使共模干擾所占比重減小，即提高傳遞環節的信噪比。以降低干擾對測量的影響。當被測電壓信號高于測量儀器的最大量程時，測量儀器可加設外接衰減器。38 電纜的屏蔽接地：電纜的外層屏蔽及金屬管多點接地，至少應兩端針對上述三大干擾源的抗干擾綜合措施 D－分壓器；Cab－雙屏蔽電纜；E－集中接地極； W－金屬板接地；S－屏蔽室；M－測量儀器； F－濾波器；T－1比1絕緣隔離變壓器抗干擾綜合措施接線圖39針對上述三大干擾源的抗干擾綜合措施 D－分壓器；謝謝！40謝謝！40高電壓的測量41高電壓的測量1高電壓的測量

一、高電壓測量標準與方法概述二、球隙放電法測量高電壓三、高壓靜電電壓表四、分壓器五、光纖傳輸技術測量高電壓六、測量高電壓的示波器七、高電壓測量的抗干擾42高電壓的測量一、高電壓測量標準與方法概述2

穩態高電壓：主要是指工頻交流高壓和直流高壓。但所述及的測量方法或裝置，有的也可用于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有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。穩態高電壓與沖擊高電壓43 穩態高電壓：主要是指工頻交流高壓和直流高壓。但所述及的測量實驗室與電力系統的高電壓測量

電力系統：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。用電壓互感器測交流電壓把電壓互感器的高壓邊接到被測電壓，低壓邊跨接一塊電壓表，把電壓表讀數乘上電壓互感器的變比，就可得被測電壓值。 電力系統沒有專門的沖擊電壓測量系統

實驗室：互感器在高電壓實驗室中用得不多，因為高電壓實驗室中所要測的電壓值常常比現有電壓互感器的額定電壓高許多，特制一個超高壓的電壓互感器是比較昂貴的，而且很高電壓的互感器也比較笨重，所以采用別的方法來測量交流高電壓用電壓互感器測交流電壓44實驗室與電力系統的高電壓測量 電力系統：電力運行部門測量交流實驗室的高電壓測量 交流高電壓測量： (1)利用氣體放電測量交流高電壓――如測量球隙 (2)利用靜電力測量交流高電壓――如靜電電壓表 (3)利用整流電容電流測量交流高電壓――如峰值電壓表 (4)利用整流充電電壓測量交流高電壓――如峰值電壓表

直流高電壓的測量： 用高歐姆電阻串聯直流毫安表可以測量直流電壓的平均值，是一種比較方便而又常用的測量系統

沖擊高電壓的測量： (1)球隙法：是直接測量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。事先應驗證波形合乎標準，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 (4)光電測量法：采用光纖技術的測量法。有的仍需與分壓器配合，有的則不須要分壓器，測量系統中具有專門的傳感器或電容探頭。(1)、(2)是直接測量的方法45實驗室的高電壓測量 交流高電壓測量： 沖擊高電壓的測量：(1球隙放電法測量高電壓 1.球間隙放電 2.交直流高電壓的測量 3.沖擊電壓的測量 4.球隙法測量高電壓的優缺點46球隙放電法測量高電壓 1.球間隙放電6垂直測量球隙球間隙放電

球隙的結構 符合尺寸的球間隙有兩種方式，圖中所示是垂直球間隙，另有水平球間隙47垂直測量球隙球間隙放電 球隙的結構7測量原理 空氣在一定電場強度下，才能發生碰撞游離。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，但絕對的均勻電場是不易做到的，只能做到接近于均勻電場。 測量球隙是由一對相同直徑的金屬球所構成。加壓時，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決定于球間隙的距離垂直測量球隙48測量原理 空氣在一定電場強度下，才能發生碰撞游離。均勻電場下交直流高電壓的測量

串接保護電阻

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R2。R1是保護變壓器用的防振電阻,以測交流電壓為例接線如圖所示. (1)為了限流和阻尼，要求R2大一些；但為了避免R2上壓降引起測量誤差，要求R2小一些 (2)對于測量直流和工頻交流電壓時，I.E.C推薦此電阻值為100千歐。交直流高電壓測量球隙接線圖49交直流高電壓的測量 串接保護電阻交直流高電壓測量球隙接線圖沖擊電壓的測量

測量沖擊與穩態高電壓的區別與聯系

影響因素：球隙測量電壓的可靠性，決定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，二是球隙間空氣游離不充分。前者使放電電壓降低，后者使放電電壓升高。50沖擊電壓的測量 測量沖擊與穩態高電壓的區別與聯系10

保護電阻：測量交直流電壓時球隙必須串有很大阻值的保護電阻來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，如串聯電阻過大，會影響測量結果。 但也不能不要串接電阻，因為仍有防止過電壓的問題，一般規定串聯電阻以不超過500歐姆為宜 沖擊比：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。 因為球隙是個稍不均勻電場，它的伏—秒特性大體上是條水平線，沖擊比等于1。51 保護電阻：測量交直流電壓時球隙必須串有很大阻值的保護電阻來靜電電壓表測量高電壓 1.概念與原理 2.適用范圍、分類 3.特點 4.使用注意事項52靜電電壓表測量高電壓 1.概念與原理12高壓靜電電壓表

概念與原理：加電壓于兩個相對的電極，由于兩電極上分別充上異性電荷，電極就會受到靜電機械力的作用。測量此靜電力的大小，或是測量由靜電力所產生的某一極板的偏移(或偏轉)來反映所加電壓大小的表計稱為靜電電壓表。適用范圍：測量穩態電壓有效值。平板電極間的電場和靜電吸力

53高壓靜電電壓表 概念與原理：加電壓于兩個相對的電極，由于兩電

特點：靜電電壓表的優點是它基本上不從電路里吸取功率，或是準確地講只吸取極少量的無功率，用以建立極板中的電場和極板對地的雜散電場。由于儀表極板的電容一般僅幾個到幾十個微微法，所以所吸收的功率極小，可以認為靜電電壓表的內阻抗極大，這是它的最大優點。稍低一點的額定電壓表計，可接到分壓器上來擴大其電壓量程。對于波形是純正的正弦波的高電壓來說，用靜電電壓測量出有效值也就反映出它的峰值。

缺點：介質擊穿取決于峰值，當正弦波含有諧波時，用靜電電壓測量時就失去了它的優勢，因為國家標準認為，在此條件下應先測出峰值UM，然后用UM/算作為電壓的有效值54 特點：靜電電壓表的優點是它基本上不從電路里吸取功率，或是準分壓器測量高電壓1.高壓交流分壓器2.高壓直流分壓器3.測量沖擊電壓的分壓器55分壓器測量高電壓1.高壓交流分壓器151.高壓交流分壓器分壓器的原理高壓電阻分壓器高壓電容分壓器561.高壓交流分壓器分壓器的原理16

分壓器的原理 其中Z1為分壓器高壓臂的阻抗，Z2為分壓器低壓臂的阻抗，大部分的被測電壓降落在Z1上，Z2上僅有一小部分電壓，用低量程電壓表測量得Z2上的電壓，乘上一個常數，即可得被測電壓。這個常數叫做分壓比K。交流分壓器接線圖57 分壓器的原理交流分壓器接線圖17 高壓電阻分壓器：

頻率越高，電阻越大，雜散電容越大，測量誤差也越大。較高電壓的分壓器的尺寸必定較大，對地雜散電容勢必隨之而增大。而且在測量較高電壓時，電阻也必須增大，否則電流太大，即對被測電壓源不利，而且會造成分壓器本身的溫升太高，也會引起誤差。 可見電阻分壓器只適合于測量頻率不過高和幅值不太高的交流電壓，一般在工頻電壓下，只應用于幾十千伏的電壓等級下。58 高壓電阻分壓器：18高壓電容分壓器：

適用范圍：電容分壓器可使用于幾千伏至3兆伏廣泛的交流高電壓范圍之內。在有些高壓實驗室里，已發展工頻和沖擊電壓兼用的電容分壓器

電容分壓器有兩種主要形式： 一種稱為分布式電容分壓器，它的高壓臂由多個電容器元件串聯組裝而成。前面所進行的誤差分析，就是針對這類分壓器的。 另一種稱為集中式電容分壓器，它的高壓臂使用一個氣體介質的高壓標準電容器。59高壓電容分壓器： 適用范圍：電容分壓器可使用于幾千伏至3兆伏（a）直流電阻分壓器（b）高歐姆電阻串聯毫安表2.高壓直流分壓器

直流分壓器的概念：

能用來測量直流高壓的分壓器是由電阻元件組成的分壓器 真正符合分壓器概念的是圖（a）所示的接線圖。在此圖中，跨接在低壓臂電阻R2上的電壓表，必須是高內阻的表計，如靜電電壓表或數字電壓表。 另一種測直流高電壓的接線是圖（b）狀的，高壓電阻器R1已知，則測得流過它的電流值，便可獲得所加的電壓值。 由于所加的電壓很高，所以無論上述哪種接線，R1的阻值都是很高的，一般R1由數個或數十個電阻元件串聯組成60（a）直流電阻分壓器2.高壓直流分壓器 直流分壓器的概念：R1阻值的選擇 R1阻值的選擇不能太小，否則要求直流高壓源供給較大的電流I1，且R1本身的熱損耗也會太大，以致R1阻值不穩定而增加測量誤差。 另一方面也不能選得太大，否則由于I1過小而使電暈放電和絕緣支架的漏電都會造成測量誤差 國際電工委員會規定I1不低于0.5mA。一般I1選擇在0.5～2mA之間，額定工作電壓高的分壓器I1可選大些(因為電暈和泄漏也更嚴重些)，電壓低的分壓器則I1可選小些，實際上I1常選定為1mA61R1阻值的選擇 R1阻值的選擇不能太小，否則要求直流高壓源供電阻分壓器原理圖3.測量沖擊電壓的分壓器

1）電阻分壓器 分壓器高壓臂為R1，低壓臂為R2。

電阻材料：測量沖擊電壓的電阻分壓器，通常是用電阻絲繞制的。為了減小電感，要求在滿足電阻值及溫升不過高的前提下絲線盡可能短，要求所用材料是非磁性的且比電阻較大。為了避免阻值隨溫度而變動，要求所用材料的溫度系數較小，通常是用卡瑪絲、康銅絲按無感繞法做成。

阻值：測量雷電沖擊電壓的電阻分壓器的阻值一般約為一萬歐姆左右，不宜超過兩萬歐姆，最小不低于兩千歐姆。一般最高測量電壓為2000千伏。

適用波形：測量操作沖擊電壓很少采用電阻分壓器，更宜采用電容分壓62電阻分壓器原理圖3.測量沖擊電壓的分壓器 1）電阻分壓器電阻分壓器測量回路

連接與屏蔽：波形記錄儀或示波器往往離分壓器幾米到幾十米，其間要用射頻同軸電纜相連接。電纜采用損耗小的聚乙烯作為絕緣。電纜外金屬皮套接地，以免電磁場干擾。

阻抗匹配：它的波阻抗Z大多為50Ω，75Ω。由于被測沖擊波波前較陡，截波變化更快，所以電纜的一端或兩端需有波阻抗進行匹配，以免電纜兩端不斷產生波的反射，后者會使記錄到的波形出現高頻振蕩電阻分壓器測量回路63電阻分壓器測量回路 連接與屏蔽：波形記錄儀或示波器往往離分壓電容分壓器及其對地雜散電容Ce（＝ΣCe′）2）電容分壓器

種類：與測工頻交流的電容分壓器一樣，測量沖擊電壓的電容分壓器也可分為兩種型式。一種分壓器的高壓臂是由多個高壓電容疊裝組成；另一種分壓器的高壓臂僅有一個集中的電容

測量誤差來源：分布式電容分壓器中的串聯電感由于已在設計電容器時，注意到減至最小。所以當測量全波電壓而且額定電壓不很高，即分壓器高度不很高時，可以忽略它的作用。此時分壓器的測量誤差，主要是由對地雜散電容Ce引起。與分析工頻交流分壓器時一樣，分壓器只造成峰值測量誤差，而無波形誤差64電容分壓器2）電容分壓器 種類：與測工頻交流的電容分壓器一樣同軸電纜兩端匹配的測量回路同軸電纜僅首端匹配的測量回路 低壓臂測量回路：電容分壓器低壓臂的測量回路可采用圖示兩種測量回路一是電纜首端匹配電阻圖中的R1等于電纜的波阻抗Z一是電纜兩端匹配電阻圖中的R1、R2等于電纜的波阻抗Z65同軸電纜兩端匹配的測量回路同軸電纜僅首端匹配的測量回路 低3）阻尼式電容分壓器

高頻振蕩：電容分壓器由于其本身有分布電感及對地的雜散電容，在施加陡峭沖擊波時，會產生高頻振蕩。高壓引線與分壓器的電容，也會產生振蕩電壓。施加的波形越陡，分壓器的額定電壓越高，即其高度越高，波形振蕩的問題越為突出。多年前的阻容并聯分壓器商品也存在這個問題

阻尼式電容分壓器：70年代起，發展了阻容串聯分壓器，也就是阻尼式電容分壓器

用途：阻尼式電容分壓器可以作為工頻和沖擊兩用的分壓器阻容分壓器原理圖663）阻尼式電容分壓器 高頻振蕩：電容分壓器由于其本身有分布電五、光纖傳輸技術測量高電壓 利用光纖傳輸技術和光學傳感器測量高電壓，特別是測量沖擊高電壓，越來越受到人們的重視，因為它具有許多優點

優點：高壓和低壓測量儀器通過光纖隔離，后者具有很高的絕緣水平而且具有高抗電磁干擾的能力。在沖擊電壓的測量中，用光纖取代了同軸電纜傳遞信號，排除了產生電磁干擾的一個重要環節，有利于通用數字示波器及其它數字化儀器在高電壓條件下的測試。目前光纖傳輸系統的測量頻帶已經可以做得很寬，能滿足測量準確度的要求

缺點：但與傳統的高壓分壓器或分流器為主要部件的測量系統相比，光電測量系統的穩定性較差67五、光纖傳輸技術測量高電壓 利用光纖傳輸技術和光學傳感器測量

調制方式：幅度－光強度調制（AM－IM）； 調頻－光強度調制（FM－IM）； 數字脈沖調制； 利用光電效應。68 調制方式：幅度－光強度調制（AM－IM）；28六、測量沖擊高電壓的示波器

高壓電子示波器

概念：是一種記錄快速一次過程現象而且具有高加速電壓的專用電子示波器。

應用領域：在高電壓技術領域中，應用它觀測和記錄一次過程的雷電沖擊波或操作沖擊波。在軍工、核物理、近代物理、力學等技術領域，也應用它記錄高速動態過程。

示波器的特點 頻響特性：記錄速度高，加速電壓高（一般為10～20kV）；具有較高的頻率響應特性抗干擾性能：垂直靈敏度不高，被測電壓信號峰值高（300～1000V）；信噪比較高；只裝有信號衰減器，不裝設放大器使用方法：需通過照相的方法記錄所顯示的波形誤差：峰值測量不確定度應不大于2%；波形時間的測量不確定度應不大于4%發展趨勢：逐漸有被數字存儲示波器所取代的趨勢69六、測量沖擊高電壓的示波器 高壓電子示波器抗干擾性能：垂直靈數字存儲示波器和數字記錄儀

瞬態儀：數字存儲示波器和數字記錄儀（Digitiger，又稱瞬態波形存儲器）是20世紀60年代發展起來的新型測試儀器。

應用領域：主要用作測量各種瞬態過程，如爆炸、沖擊、振動、武器發射過程及高速電磁脈沖（EMP）的測量等。它在各種工程技術、生物醫學、原子物理、軍事科學等領域中已得到了廣泛的應用

在高壓領域的應用：1973年首見應用于高電壓測量。它在高電壓測試領域中不僅應用于穩態的工頻高電壓測量和諧波分析，更重要的是，它被應用于快速暫態過程的測量，如沖擊電壓(電流)的測量，GIS(氣體絕緣金屬封閉開關設備)中的甚快速暫態過電壓測量，內絕緣局部放電波形測量等。它的應用不僅可使被測波形在屏幕上“鎖住”，以使一次過程波便于被人們觀測，而且可以通過其專用軟盤把波形存儲起來，或是連至計算機進行分析計算、打印和存儲70數字存儲示波器和數字記錄儀 瞬態儀：數字存儲示波器和數字記七、高電壓測量的抗干擾

高電壓測量的電磁兼容問題：在高電壓測量條件下，在現場則有高電壓大電流的各種電氣設備和導線，在實驗室內則有高電壓或大電流的發生裝置。弱電的測量設備或儀器，在上述條件下工作，最嚴重的狀況是弱電測量設備或儀器，由于地電位升高而引起“反擊”或由于強電磁干擾造成個別關鍵元件損壞，以致測量設備或儀器無法正常工作；較嚴重的狀況則是測量設備或儀器受到干擾的影響，使記錄到的信號嚴重失真電磁干擾源：電磁干擾主要有三方面的來源一種是測量用的射頻同軸電纜外皮中通過的暫態電流所引起的干擾；另一種是間隙放電時產生的空間電磁輻射； 第三種是儀器電源線引入的干擾。71七、高電壓測量的抗干擾 高電壓測量的電磁兼容問題：在高電壓測環路電流產生的壓降及雜散電容引起的地電位升高

C：為沖擊電壓（或電流）發生器的主電容 Cs：高壓端對大地及墻（無屏蔽層遮蔽）之間的雜散電容

E點：本來通過接地電阻R接地，電位為零

A點：為試品下端，它通過導線與E相連，其原始電位也為零雜散電容Cs對E點電位的影響72環路電流產生的壓降及雜散電容引起的地電位升高 C：為沖擊電壓

地電位升高（反擊）：但當試品或與它相并聯的銅球隙突然放電時，除了C通過放電間隙S形成放電回路外，由于Cs原來也充有電荷，