直流高壓標(biāo)準(zhǔn)裝置國際近況

林 艷 潘 洋 糜堅(jiān)平/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

直流高壓源、直流高壓表、直流高壓比例參數(shù)是國際計(jì)量局（BIPM）列入電磁計(jì)量領(lǐng)域的關(guān)鍵比對(duì)數(shù)據(jù)庫(KCDB)中的重要參數(shù)。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(shù)字多用表來進(jìn)行校準(zhǔn)，而直流高壓的比例參數(shù)的校準(zhǔn)或是通過對(duì)高低壓電阻臂的測量，或是通過直流高壓分壓器進(jìn)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(shí)驗(yàn)室必不可少的一種用于測量直流高電壓的標(biāo)準(zhǔn)測量裝置。

1 直流高壓分壓器準(zhǔn)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(zhǔn)確度[2]。

1）電阻本身發(fā)熱（或環(huán)境溫度變化）造成阻值變化[3，4]

為了減少發(fā)熱造成的阻值變化，除了根據(jù)分壓器的不確定度的要求選用溫度系數(shù)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(fù)溫度系數(shù)電阻，使整體電阻溫度系數(shù)最小；分壓器內(nèi)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(fā)生電暈放電，一方面會(huì)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(guān)系，一般采用加均壓環(huán)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(gè)1 MΩ線繞電阻組成，每兩個(gè)電阻放在作為屏蔽單元的金屬圓柱筒內(nèi)，屏蔽電位由碳膜電阻構(gòu)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(jī)玻璃板上，整個(gè)分壓器裝在有機(jī)玻璃箱內(nèi)。這樣若屏蔽單元上發(fā)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(guān)，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(dāng)于和電阻臂并聯(lián)了一個(gè)絕緣電阻R′，從而使高壓臂的實(shí)際阻值發(fā)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(gè)數(shù)量級(jí)。此外，通過采用充絕緣油和等電位屏蔽等措施，也可以進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)裝置的現(xiàn)狀

自20世紀(jì)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(nèi)，都先后建立了100kV或更高電壓等級(jí)的直流高電壓標(biāo)準(zhǔn)。這些國家的直流高電壓計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過直流高電壓比率標(biāo)準(zhǔn)向伏特基準(zhǔn)的溯源。這些直流高壓分壓器的結(jié)構(gòu)不盡相同，工作介質(zhì)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(zhǔn)方法不盡相同。

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院PTB研制了一臺(tái)300kV、分壓比為300 ∶ 1的高準(zhǔn)確度分壓器[7]。這種分壓器由300個(gè)經(jīng)加溫老化處理、電阻值為2 MΩ的線繞電阻串聯(lián)而成，其中一個(gè)作為低壓臂。它們構(gòu)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(huán)，底部裝有屏蔽環(huán)。這是目前在300kV直流電壓等級(jí)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(yōu)于0.001%（圖3）。

圖3 PTB不等距螺旋結(jié)構(gòu)300kV分壓器

100kV電壓等級(jí)PTB研制直流高壓分壓器如圖4所示，整個(gè)金屬屏蔽筒內(nèi)的溫度可以通過珀耳帖效應(yīng)控制器來自動(dòng)調(diào)節(jié)。充滿SF6的金屬屏蔽筒內(nèi)的100個(gè)10 MΩ線繞高壓臂電阻呈5級(jí)螺旋式排列（圖5），每級(jí)20個(gè)電阻均固定在聚四氟乙烯的支架上，其絕緣電阻率高達(dá)1018Ωcm，相鄰電阻之間的電場強(qiáng)度小于15kV/cm，通過分析不確定度來源，合成不確定度可達(dá)2×10-6（k = 2）。我們認(rèn)為根據(jù)目前的測量技術(shù)和電阻制造的工藝水平，2×10-6已經(jīng)達(dá)到100kV電壓等級(jí)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(jí)螺旋式分壓器結(jié)構(gòu)

目前美國NIST能夠提供分壓比測量不確定度0.01%的校準(zhǔn)服務(wù)[9]。校準(zhǔn)是通過惠斯通電橋在使用者要求的兩個(gè)電壓等級(jí)下進(jìn)行的，從而確定被校準(zhǔn)分壓器的電壓系數(shù)。連續(xù)加壓15min，每3min讀數(shù)，確定分壓比。被校準(zhǔn)的分壓器的高壓臂和低壓臂組成了惠斯通電橋中的兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)橋臂由標(biāo)準(zhǔn)電阻組成，一個(gè)橋臂由三個(gè)標(biāo)稱值為100 MΩ的標(biāo)準(zhǔn)高壓電阻串聯(lián)而成，另外一個(gè)橋臂由0～10 kΩ標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電阻箱構(gòu)成，其步進(jìn)電阻值為0.01 Ω。不確定度分量來源主要有：高壓標(biāo)準(zhǔn)電阻值、低壓標(biāo)準(zhǔn)電阻值、檢流計(jì)的靈敏度、連接導(dǎo)線電阻、高壓標(biāo)準(zhǔn)電阻的發(fā)熱以及低壓標(biāo)準(zhǔn)電阻的熱效應(yīng)。

圖6 澳大利亞計(jì)量院研制的精密直流高壓分壓器

澳大利亞國家計(jì)量院（NMIA）在直流高電壓測量領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，早在20世紀(jì)80年代就開始研發(fā)直流高電壓標(biāo)準(zhǔn)分壓器。在20世紀(jì)90年代NMIA通過優(yōu)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(gè)高壓臂電阻都具有非常低的溫度和電壓系數(shù)。其研制的100kV和150kV兩種電壓等級(jí)的直流分壓器已經(jīng)銷往世界各地的國家計(jì)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(zhǔn)裝置[10]。NMIA所研制的額定電壓100kV的參考標(biāo)準(zhǔn)分壓器，準(zhǔn)確度可達(dá)0.001%，150kV型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)分壓器，其最高準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.0005%。2002年，PTB作為主導(dǎo)試驗(yàn)室，在德國的PTB高壓試驗(yàn)室與NMIA的直流高壓基準(zhǔn)進(jìn)行了一次比對(duì)[11]：試驗(yàn)室溫度：（21.3±0.3）℃，在正負(fù)電壓極性下各進(jìn)行3次測量，每次測量兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高壓直流發(fā)生器均從20kV開始升壓，每20kV為一個(gè)比對(duì)測量點(diǎn)并保持30～100min，升到100kV再降回20kV。低壓臂數(shù)表同時(shí)測量各自的低壓臂輸出，比對(duì)結(jié)果不確定度達(dá)到了2×10-6。

3 結(jié)論與展望

PTB于2001年發(fā)表研究報(bào)告指出，100kV電壓等級(jí)直流高壓分壓器如果要達(dá)到10-6量級(jí)的不確定度，需要滿足以下條件[8]：

●電阻溫度系數(shù)要小于1×10-6/K；

●工作電壓范圍內(nèi)電阻電壓系數(shù)小于1×10-6；

●同樣短的電阻預(yù)熱時(shí)間；

●低的電阻自熱效應(yīng)；

●泄漏電流與測量電流相比足夠??；

●分壓器內(nèi)部絕緣氣體的相對(duì)濕度要足夠低；

●為了防止電暈電流，充滿SF6的分壓器內(nèi)部電場強(qiáng)度需小于25kV/cm；

●完善的電氣屏蔽措施；

●電阻和測量導(dǎo)線之間的熱電勢要足夠的低。

目前我國在直流高壓標(biāo)準(zhǔn)測量能力上還明顯落后于世界先進(jìn)國家。未來直流高壓分壓器的結(jié)構(gòu)將通過計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，優(yōu)化分壓器的結(jié)構(gòu)形式，通過分析軟件計(jì)算電場分布，減小在高電壓等級(jí)下的電暈放電現(xiàn)象，不斷研究具有大功率高穩(wěn)定度的新型電阻材料，使在電壓等級(jí)高于100kV時(shí)分壓器的準(zhǔn)確度等級(jí)也能達(dá)到10-6量級(jí)。

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