直流高壓標準裝置國際近況

林 艷 潘 洋 糜堅平/上海市計量測試技術研究院

0 引言

直流高壓源、直流高壓表、直流高壓比例參數是國際計量局（BIPM）列入電磁計量領域的關鍵比對數據庫(KCDB)中的重要參數。無論是直流高壓源、直流高壓表都必須通過直流高壓分壓器外接數字多用表來進行校準，而直流高壓的比例參數的校準或是通過對高低壓電阻臂的測量，或是通過直流高壓分壓器進行比較測量從而得到被測的分壓比，因此直流高壓分壓器是高壓實驗室必不可少的一種用于測量直流高電壓的標準測量裝置。

1 直流高壓分壓器準確度的影響因素

盡管直流高壓分壓器的原理非常簡單，但是下列因素制約了分壓器的準確度[2]。

1）電阻本身發熱（或環境溫度變化）造成阻值變化[3，4]

為了減少發熱造成的阻值變化，除了根據分壓器的不確定度的要求選用溫度系數小的電阻元件外，通常采用的方法有：采用容量大于分壓器額定功率的元件減少溫升；搭配正負溫度系數電阻，使整體電阻溫度系數最小；分壓器內充油或絕緣氣體控制分壓器的溫度。

圖1 直流電阻分壓器原理圖

2）電暈放電造成測量誤差

由于電阻元件處于高電位就可能發生電暈放電，一方面會損壞電阻元件，另一方面破壞了分壓器的高低壓臂之間的比例關系，一般采用加均壓環在分壓器的高壓端來平衡電場分布或采用等電位屏蔽的方法[5，6]。其原理如圖2所示，高壓臂電阻由200個1 MΩ線繞電阻組成，每兩個電阻放在作為屏蔽單元的金屬圓柱筒內，屏蔽電位由碳膜電阻構成的輔助分壓器供給，屏蔽單元與電阻之間的最大電位差為500 V，屏蔽單元安裝在有機玻璃板上，整個分壓器裝在有機玻璃箱內。這樣若屏蔽單元上發生電暈和漏電均可由輔助分壓器提供而與分壓器本體無關，有效地保證了分壓比的恒定。

圖2 等電位屏蔽原理

3）絕緣支架的漏電造成測量誤差

如果安裝電阻R的絕緣支架有泄漏電流，則相當于和電阻臂并聯了一個絕緣電阻R′，從而使高壓臂的實際阻值發生變化。因此需選用絕緣電阻大的材料，使支架的絕緣電阻比電阻臂的電阻值高幾個數量級。此外，通過采用充絕緣油和等電位屏蔽等措施，也可以進一步減小和消除泄漏引起的測量誤差。

2 國際直流高電壓標準裝置的現狀

自20世紀70年代以來，包括美國、德國、英國、意大利、日本、俄羅斯、澳大利亞等國在內，都先后建立了100kV或更高電壓等級的直流高電壓標準。這些國家的直流高電壓計量標準中，直流高電壓分壓器普遍被作為直流高電壓量值溯源的標準設備，通過直流高電壓比率標準向伏特基準的溯源。這些直流高壓分壓器的結構不盡相同，工作介質也有絕緣油和氣體（空氣或惰性壓縮氣體）之分，因此它們的校準方法不盡相同。

德國聯邦物理技術研究院PTB研制了一臺300kV、分壓比為300 ∶ 1的高準確度分壓器[7]。這種分壓器由300個經加溫老化處理、電阻值為2 MΩ的線繞電阻串聯而成，其中一個作為低壓臂。它們構成50圈不等距的螺旋并安裝在充滿絕緣油的外殼中，螺距的變化使電阻的分布大致等于靜電場的分布。其頂部裝有屏蔽罩和屏蔽環，底部裝有屏蔽環。這是目前在300kV直流電壓等級測量直流高壓不確定度最小的一種直流高壓分壓器。其不確定度優于0.001%（圖3）。

圖3 PTB不等距螺旋結構300kV分壓器

100kV電壓等級PTB研制直流高壓分壓器如圖4所示，整個金屬屏蔽筒內的溫度可以通過珀耳帖效應控制器來自動調節。充滿SF6的金屬屏蔽筒內的100個10 MΩ線繞高壓臂電阻呈5級螺旋式排列（圖5），每級20個電阻均固定在聚四氟乙烯的支架上，其絕緣電阻率高達1018Ωcm，相鄰電阻之間的電場強度小于15kV/cm，通過分析不確定度來源，合成不確定度可達2×10-6（k = 2）。我們認為根據目前的測量技術和電阻制造的工藝水平，2×10-6已經達到100kV電壓等級測量不確定度的極限[8]。

圖4 帶有珀耳帖溫度控制器的充氣屏蔽分壓器

圖5 5級螺旋式分壓器結構

目前美國NIST能夠提供分壓比測量不確定度0.01%的校準服務[9]。校準是通過惠斯通電橋在使用者要求的兩個電壓等級下進行的，從而確定被校準分壓器的電壓系數。連續加壓15min，每3min讀數，確定分壓比。被校準的分壓器的高壓臂和低壓臂組成了惠斯通電橋中的兩個橋臂，另外兩個橋臂由標準電阻組成，一個橋臂由三個標稱值為100 MΩ的標準高壓電阻串聯而成，另外一個橋臂由0～10 kΩ標準可調電阻箱構成，其步進電阻值為0.01 Ω。不確定度分量來源主要有：高壓標準電阻值、低壓標準電阻值、檢流計的靈敏度、連接導線電阻、高壓標準電阻的發熱以及低壓標準電阻的熱效應。

圖6 澳大利亞計量院研制的精密直流高壓分壓器

澳大利亞國家計量院（NMIA）在直流高電壓測量領域處于國際領先水平，早在20世紀80年代就開始研發直流高電壓標準分壓器。在20世紀90年代NMIA通過優選匹配高壓金屬氧化膜電阻，研制成功了一種新型的直流高壓分壓器（圖6）。

這種分壓器每一個高壓臂電阻都具有非常低的溫度和電壓系數。其研制的100kV和150kV兩種電壓等級的直流分壓器已經銷往世界各地的國家計量院，其中加拿大、日本、韓國、新加坡、巴西、泰國、馬來西亞均將此作為本國的基準裝置[10]。NMIA所研制的額定電壓100kV的參考標準分壓器，準確度可達0.001%，150kV型號的標準分壓器，其最高準確度可以達到0.0005%。2002年，PTB作為主導試驗室，在德國的PTB高壓試驗室與NMIA的直流高壓基準進行了一次比對[11]：試驗室溫度：（21.3±0.3）℃，在正負電壓極性下各進行3次測量，每次測量兩個標準高壓直流發生器均從20kV開始升壓，每20kV為一個比對測量點并保持30～100min，升到100kV再降回20kV。低壓臂數表同時測量各自的低壓臂輸出，比對結果不確定度達到了2×10-6。

3 結論與展望

PTB于2001年發表研究報告指出，100kV電壓等級直流高壓分壓器如果要達到10-6量級的不確定度，需要滿足以下條件[8]：

●電阻溫度系數要小于1×10-6/K；

●工作電壓范圍內電阻電壓系數小于1×10-6；

●同樣短的電阻預熱時間；

●低的電阻自熱效應；

●泄漏電流與測量電流相比足夠小；

●分壓器內部絕緣氣體的相對濕度要足夠低；

●為了防止電暈電流，充滿SF6的分壓器內部電場強度需小于25kV/cm；

●完善的電氣屏蔽措施；

●電阻和測量導線之間的熱電勢要足夠的低。

目前我國在直流高壓標準測量能力上還明顯落后于世界先進國家。未來直流高壓分壓器的結構將通過計算機的輔助設計，優化分壓器的結構形式，通過分析軟件計算電場分布，減小在高電壓等級下的電暈放電現象，不斷研究具有大功率高穩定度的新型電阻材料，使在電壓等級高于100kV時分壓器的準確度等級也能達到10-6量級。

[1]劉志宏，馬志毅，戴榮秋.高準確度100kV直流電壓分壓器[J].現代計量測試, 1994(2): 23-25.

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[11]J Rungis.Traceability of High Voltage DC Power and Energy Measurements for the Electrical Power Industry [C].// Power Engineering Society General Meeting, IEEE, 2006.