测电笔允许测量的电压

在工频耐压试验中，试验电压的准确测量也是一个关键的环节。工频高压的测量应该既方便又能保证有足够的准确度，其幅值或有效值的测量误差应不大于3%。测量工频高压的方法很多，概括起来讲可以分为两类：低压侧测量和高压侧测量。

1.低压侧测量

低压侧测量的方法是在工频试验变压器的低压侧或测量线圈（一般工频试验变压器中设有仪表线圈或称测量线圈，它的匝数一般是高压线圈的1/1000）的引出端接上相应量程的电压表，然后通过换算，确定高压侧的电压。在一些成套工频试验设备中，还常常把低压侧电压表刻度换算成高压侧的电压刻度，使用更方便。这种方法在较低电压等级的试验设备中，应用很普遍。 由于这种方法只是按固定的匝数比来换算的，实际使用中会有较大的误差，一般在试验前应对高压与低压之比予以校验。有时也将此法与其他测量装置配合，用于辅助测量。

2.高压侧测量

进行工频耐压试验时，被试品一般均属电容性负载，试验时的等值电路如图3.15所示。图中r为工频试验变压器的保护电阻的电阻值，XL表示试验变压器的漏抗，Cx为被试品的电容。在对重要设备，特别是容量较大的设备进行工频耐压试验时，由于被试品的电容Cx较大，流过试验回路的电流为一电容电流IC ， IC在工频试验变压器的漏抗XL上将产生一个与被试品上的电压UCx反方向的电压降落ICXL，如图3.16所示，从而导致被试品上的电压UCx比工频试验变压器高压侧的输出电压U1还高，此种现象称为“容升现象”，也称“电容效应”。由于“电容效应”的存在，要求直接在被试品的两端测量电压，否则将会产生很大的测量误差，也可能会人为地使UCx过高造成试品绝缘损伤。被试品的电容量及试验变压器的漏抗越大，则“电容效应”越显著。

图3.15　工频试验变压器耐压试验等值电路

图3.16　电容效应引起的电压升高

在工频试验变压器高压侧直接测量工频高压的方法有以下几种：

（1）用静电电压表测量工频电压的有效值。静电电压表是试验现场常用的高压测量仪表。测量时，将静电电压表并接于被试品的两端，即可直接读出加于被试品上的高电压值。静电电压表的工作原理图如图3.17所示。它由固定电极1、可动电极3及屏蔽电极2三个电极组成。电极2中间有一个小缺口，放置可动电极3，可动电极3由悬丝与屏蔽电极2连接且一并接地；悬丝对可动电极3起支持作用；屏蔽电极2的作用是避免边缘效应和外电场的影响，使固定电极1和可动电极3间的电场均匀。测量时，固定电极1接高压，被测量的电压U加在电极1和3（及2）之间，在电场力的作用下，电极3可绕其支点转动。若两电极间的电容量为C，所加的电压为U，则两电极间的电场能量。在电场力的作用下，可动电极3绕支点转动的转矩为

图3.17　静电电压表工作原理图

1—固定电极；2—屏蔽电极；3—可动电极

式中　α——偏转角；

　　　C——可动电极3与固定电极1之间的电容；

　　　WC——电容C在外加电压为U时储存的能量。

力矩M1由可动电极的悬丝（或弹簧）所产生的反作用力矩M2来平衡，而

M2 = Kα

式中　K——常数。

在平衡时，M1=M2，于是得

（3-16）

由式（3-16）可见，偏转角α的大小和被测电压U2及有关，而决定于静电电压表的电极结构。为使静电电压表的刻度比较均匀，常将可动电极做成特殊的形状，使随α的增加而减小。α的大小由固定在悬丝上的小镜片经一套光系统，将光反射到刻度尺上来读数。

由于α与U2成正比，故用静电电压表测得的数值为交流电压的有效值。用静电电压表测直流电压，当脉动系数不超过20%时，测得的数值与平均值的误差不超过1%，故可视为在直流下静电电压表的测量值为平均值。

（2）用球隙测量工频电压的幅值。测量球隙是由一对相同直径的铜球构成。当球隙之间的距离S与铜球直径D之比不大时，两铜球间隙之间的电场为稍不均匀电场，放电时延很小，伏秒特性较平，分散性也较小。在一定的球隙距离下，球隙间具有相当稳定的放电电压值。因此，球隙可以用来测量交流电压的幅值，也可用来测量直流高压和冲击电压的幅值。测量球隙可以水平布置（直径25 cm以下大都采用水平布置），也可作垂直布置。使用时，一般一极接地。测量球隙的球表面要光滑，曲率要均匀，对球隙的结构、尺寸、导线连接和安装空间的尺寸如图3.18所示。使用时下球极接地，上球极接高压。标准球径的球隙放电电压值与球间隙距离的关系已制成国际通用的标准表（详见有关资料），利用球隙放电现象及查表就可以得到测量电压值。在S/D ≤0.5且满足其他有关规定时，用球隙测量的准确度可保持在±3%以内；当S/D在0.5～0.75时，其准确度较差，所以测量较高的电压应使用直径较大的球隙。

球隙放电点P（见图3.18）对地面的高度A以及对其他带电或接地物体的距离B应满足如表3.1所示的要求，以免影响球隙的电场分布及测量的准确度。用球隙测量高压时，通过球隙保护电阻R将交流高电压加到测量球间隙上，调节球间隙的距离，使球间隙恰好在被测电压下放电，根据球隙距离S、直径D，即可求得交流高压值。由于空气中的尘埃或球面附着的细小杂物的影响（球隙表面需擦干净），使球隙最初几次的放电电压可能偏低且不稳定。故应先进行几次预放电，最后取两次连续读数的平均值作为测量值。各次放电的时间间隔不得小于1 min，每次放电电压与平均值之间的偏差不得大于3%。

图3.18　垂直球隙及应保证的尺寸

P—高压球的放电点；R—球隙保护电阻

表3.1　球隙对地和周围空间的要求

气体间隙的放电电压受大气条件的影响，标准表中的击穿电压值只适用于标准大气条件，若测量时的大气条件与标准大气条件不同，必须按有关的公式进行校正，以求得测量时的实际电压。

用球隙测量直流高压和交流高压时，为了限制电流，使其不致引起球极表面烧伤，必须在高压球极串联一个保护电阻R，R同时在测量回路中起阻尼振荡的作用。电阻R不能太小，太小起不到应有的保护作用；但也不能太大，以免球隙击穿之前流过球隙的电容电流在电阻上产生压降而引起测量误差。测量交流电压时，这个压降不应超过1%。 由此得出保护电阻的阻值应为

（3-17）

式中　Umax——被测电压的幅值，V；

　　　f——被测电压的频率，Hz；

　　　K—由球径决定的常数，其值可如表3.2所示选择，Ω/V 。

表3.2　K的取值

（3）用电容分压器配合低压仪表。电容分压器是由高压臂电容C1和低压臂电容C2串联而成的，C2的两端为输出端，如图3.19所示（可以参考课题二的任务五中“电容式电压互感器”）。为了防止外电场对测量电路的影响，通常用高频同轴电缆来传输分压信号。当然，该电缆的电容应计入低压臂的电容量C2中。为了保证测量的准确度，测量仪表在被测电压频率下的阻抗应足够大，至少要比分压器低压臂的阻抗大几百倍。为此，最好用高阻抗的静电式仪表或电子仪表（包括示波器、峰值电压表等）。若略去杂散电容不计，则分压比K为

（3-18）

分压器各部分对地杂散电容和对接试品高压端H的杂散电容Cc的存在，会在一定程度上影响其分压比，不过，只要周围环境不变，这种影响就将是恒定的，并且不随被测电压的幅值、频率、波形或大气条件等因素而变。所以，对一定的环境，只要一次准确地测出电容分压器的分压比，则此分压比可适用于各种工频高压的测量。虽然如此，人们仍然希望尽可能使各种杂散电容的影响相对减少。为此，对无屏蔽的电容分压器，应适当增大高压臂的电容值。

电容分压器的另一个优点是它几乎不吸收有功功率，不存在温升，也不会随温升而引起各部分参数的变化，因而可以用来测量极高的电压，但应注意高压部分的防晕。

图3.19　工频分压器测压电路

H高压引线； C1—高压臂电容；C2—低压臂电容；Ce—高压臂对高压引线杂散电容；

（4）用电磁式电压互感器测量。将电压互感器的原边接在被试品的两端头上，在其副边测量电压，根据测得的电压值和电压互感器的变压比即可计算出高压侧的电压（可以参考课题二的任务五中“电磁式电压互感器”）。为了保证测量的准确度，电压互感器一般不低于1级，电压表不低于0.5级。