高电压测量技术

　　在有些电子设备测试中，有高达万伏的电压；在电力系统中则常遇到需测量数十万伏甚至更高电压的问题。在电力系统中，广泛应用电压互感器配上低压电压表来测量高电压，在试验室条件下则用高压静电电压表、峰值电压表、球隙测压器、高压分压器等仪器、装置来测量高电压。

　　（1）高压静电电压表

　　在两个特制的电极间加上电压u，电极间就会受到静电力f的作用，而且f的大小与u的数值有固定的关系，因而设法测量f的大小或它所引起的可动极板的位移或偏转就能确定所加电压u的大小。利用这一原理制成的仪表即为静电电压表，它可以用来测量低电压，也可以在高电压测量中得到应用。

　　如果采用的是消除了边缘效应的平板电极，那么应用静电场理论，很容易求得f与u的关系式，并可得知，但仪表不可能反映力的瞬时值f，而只能反映其平均值F。

　　如果u是按正弦函数作周期性变化的交流电压，则电极在一个周期T内所受到的作用力平均值F与交流电压的有效值U的平方成正比，或者反过来

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　即静电电压表用于测量交流电压时，测得的是它的有效值。

　　为了减小极间距离d和仪表体积，极间应采用均匀电场，所以高压静电电压表的电极均采用消除了边缘效应的平板电极，如图1所示，圆形的可动电极1位于保护电极2的中心部位，二者之间只隔着很小的空隙g，连接线使电极1和2具有相同的电位。为保证边缘电场不会影响到电极1和3工作面之间电场的均匀性，固定电极3和保护电极2的外直径D相对于它们之间的距离d来说要取得比较大，而它们的边缘也应具有足够大的曲率半径r以避免出现电晕放电。

图1　静电电压表极板结构示意图

　　静电电压表的内阻抗特别大，能直接测量相当高的交流和直流电压。在大气中工作的高压静电电压表的量程上限在50～250kV的范围内；电极处于压缩SF₆气体中的高压静电电压表的量程上限可提高到500～600kV。

　　（2）峰值电压表

　　在不少场合，只需要测量高电压的峰值，例如绝缘的击穿就仅仅取决于电压的峰值。现已制成的产品有交流峰值电压表和冲击峰值电压表，它们通常均与分压器配合起来使用。

　　交流峰值电压表的工作原理可分为两类：

　　 ①利用整流电容电流来测量交流高压

　　如图2（a），当被测电压u随时间而变化时，流过电容Ｃ的电流。在u的正半波，电流经整流元件D₁及检流计G流回电源。如果流过G的电流平均值为I_av。那么它与被测电压的峰值U_m之间存在下面的关系

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　式中，C为电容器的电容量；f为被测电压的频率。

　　 ②利用电容器充电电压来测量交流高压

　　如图2（b），幅值为U_m的被测交流电压经整流器D使电容C充电到某一电压U_d，它可以用静电电压表PV或用电阻（R）串联微安表PA测得。如用后一种测量方法，则被测电压的峰值

图2　峰值电压表接线原理图

　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　式中，T为交流电压的周期；C为电容器的电容量；R为串联电阻的阻值。

　　在RC≥20T的情况下，式（3）的误差≤2.5％。

　　（3）球隙测压器

　　球隙测压器是惟一能直接测量高达数兆伏的各类高电压峰值的测量装置。它由一对直径相同的金属球构成，测量误差约2％～3％，能满足大多数工程测试的要求。

　　它的工作原理基于一定直径（D）的球隙在一定极间距离（d）时的放电（击穿）电压为一定值。若已知直径D和极间距离d，球隙的放电电压可从理论上推得计算公式，但因存在某些难以准确估计的影响因素，所得结果往往不能满足测量精度的要求。在实用上，通常均通过实验的方法得出不同球隙的放电电压数据，为了使用的方便，它们被制成表格或曲线备用。

　　球隙在高压试验时的接入方式如图3所示，图中R₁为限流电阻，当被试品或球隙击穿时，它既限制流过试验装置的电流，也限制流过球隙F的电流；R₂为球隙测压器的专用保护电阻，主要防止球隙在持续作用电压下放电时，虽然已有R₁的限流作用，但流过球隙的电流仍过大，又未能及时切断，从而使两球的工作面被放电火花所灼伤。不过在测量冲击电压时，一般不希望接有R₂，因为这时电压的变化速率du／dt很大，流过球隙的电容电流C_Fdu／dt也较大（C_F为两球间的电容），就会在R₂上造成一定压降，使作用在球隙上的电压与被试品上的电压不一致，引起较大的误差。

　　图3　球隙测压器接入示意图

　　（4）高压分压器

　　当被测电压很高时，不但高压静电电压表无法直接测量，就是球隙测压器亦将无能为力，因为球极的直径不能无限增大（一般不超过2m）。当需要用示波器测量电压的波形时，也不能直接将很高的被测电压引到示波器的偏转极板上去。在这些场合，采用高压分压器来分出一小部分电压，然后利用静电电压表、峰值电压表、高压脉冲示波器等测量仪器进行测量，是最合理的解决方案。

　　对分压器最重要的技术要求有二：分压比的准确度和稳定性（幅值误差要小）；分出的电压与被测高电压波形的相似性（波形畸变要小）。

　　按照用途的不同，分压器可分为交流高压分压器、直流高压分压器和冲击高压分压器等；按照分压元件的不同，它又可分为电阻分压器、电容分压器、阻容分压器等三种类型。每一分压器均由高压臂和低压臂组成。在低压臂上得到的就是分给测量仪器的低电压。这里对各种分压器不再作具体介绍，读者可以参考有关资料。