直流高壓電阻分壓器泄漏電流測量研究

張煌輝， 林飛鵬， 邵海明， 張鐘華1,

(1. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100191；

1 引 言

直流高壓電阻分壓器是直流高電壓測量和計量標(biāo)準(zhǔn)的主要設(shè)備，通常由多只高電壓電阻元件串聯(lián)組成的高壓臂和低壓臂電阻串聯(lián)組成[1]。高壓臂電阻阻值范圍一般在106～109Ω量級，支撐高壓臂電阻元件的絕緣支架阻值在1012～1015Ω量級[2]。然而，由于受到電阻元器件絕緣支架老化、塵埃污染、分壓器線路結(jié)構(gòu)和制作工藝等因素的影響，在對直流高壓電阻分壓器施加高電壓時，總工作電流除了從電阻元件流過，還可能被支撐高壓臂電阻元件的絕緣支架分流、被電阻元件表面分流[3，4]，因此，流入高壓臂的電流和流出低壓臂的電流不相等。流入與流出電流的差值稱為泄漏電流[5]，它是除電阻的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)外[6，7]，導(dǎo)致直流高壓電阻分壓器電壓變差(分壓比與工作電壓的相關(guān)性)的另一個重要原因。

直流高壓分壓器泄漏電流的精確測量，有助于分壓器在研制階段選材、調(diào)整結(jié)構(gòu)中提供理論依據(jù)，也為定量評定直流高壓分壓器電壓變差起到重要作用。但是，由于漏電流的獲得需要在分壓器的高壓端測量其輸入電流，工作電壓高達(dá)幾百kV，電場強，并且高壓電源存在一定的漂移等，無法簡單采用商用的高精度數(shù)字電流表對分壓器的泄漏電流進行精確測量[8，9]。本文提出一種基于電池供電、ZigBee技術(shù)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐礁呔戎绷麟娏鳒y量方法，不僅能防止因高壓電場破壞測量儀器的風(fēng)險，還能有效克服高壓電源的漂移對測量精度的影響，可顯著改善泄漏電流測量的不確定度。

2 分壓器結(jié)構(gòu)和電路模型

直流高壓電阻分壓器高壓臂局部結(jié)構(gòu)見圖1，它是由多只電阻元件螺旋狀線路串聯(lián)組成，電阻元件通過高絕緣支架固定在絕緣支柱上。高壓端連接到圓盤狀均壓環(huán)上，以保證整個工作線路區(qū)域的電場強度均勻。

圖1 分壓器高壓臂結(jié)構(gòu)

分壓器分壓比的電壓變差主要來源于：絕緣支架的絕緣電阻，特別是電阻隨電壓的非線性；高壓電阻元件的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)導(dǎo)致的阻值變化。因此，直流高壓電阻分壓器采用圖2表示的簡化電路模型。其中，RH1、RH2為高壓臂電阻，rL為低壓臂電阻，R3為絕緣支架的絕緣電阻(可能存在隨電壓的變化)。

圖2 分壓器電路模型

設(shè)流入高壓臂電流為I1，低壓臂流出電流為I2，則經(jīng)過R3的泄漏電流為I3，則

I1=I2+I3

(1)

I3R3=I2RH2+I2rL

(2)

由式(1)、式(2)，分壓器比例可表示為

(3)

由式(3)，如果RH1、RH2和rL的電壓系數(shù)可以忽略，電流比I1/I2的電壓系數(shù)將導(dǎo)致分壓器分壓比K的電壓變差。

一般認(rèn)為，在較低電壓下，如10%～30%額定電壓內(nèi)，泄漏電流對分壓器比例的影響基本不變，為此將分壓器低電壓比例值作為參考值K。隨著電壓增大，等效絕緣電阻R3下降，泄漏電流I3對I2占比增加，電流I1/I2值將增加，泄漏電流對分壓器比例產(chǎn)生“正”電壓變差。因此，通過測量分壓器在不同工作電壓下I1/I2的值，可以評價泄漏電流產(chǎn)生的分壓器電壓變差。

3 泄漏電流測量裝置

泄漏電流和絕緣密切相關(guān)，在高電壓分壓器設(shè)計中，泄漏電流是產(chǎn)生比例誤差的主要因素之一。如果絕緣支持材料的絕緣電阻不隨電壓變化，則由絕緣電阻的泄漏電流可能引起分壓比誤差，但不會導(dǎo)致分壓比的電壓系數(shù)。但實際情況是，材料的絕緣電阻具有顯著的電壓依賴性——電壓越大，絕緣電阻越小，泄漏電流分流占比顯著增加。

3.1 直流高壓電阻分壓器泄漏電流測量難點

準(zhǔn)確地測量分壓器的泄漏電流，可以為評定高壓分壓器的性能提供重要依據(jù)。然而，高壓分壓器中支持電阻元件的絕緣材料是分布安裝的，無法直接測量泄漏電流。由上述分析可知，可以從宏觀上等效測量分壓器高、低端的電流差，或者電流比I1/I2來等效估計宏觀泄漏電流。

對I1/I2的測量主要存在以下問題：(1)I1位于線路高壓端，測量I1的電流表需要完全與電網(wǎng)隔離，如由電池供電，并具有高準(zhǔn)確度；(2)I1、I2兩值相差較小，由于直流高壓源紋波和正常輸出電壓時出現(xiàn)的漂移現(xiàn)象將給測量結(jié)果帶來重大干擾，在極端情況下，高壓源的紋波和漂移甚至可能掩蓋掉I1、I2兩值之差。

3.2 泄漏電流測量方案

為解決泄漏電流測量的上述問題，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)測量高壓電阻分壓器泄漏電流的新方法,該方法的測量原理示意圖見圖3。r1為測量I1時在分壓器的高壓端引入的采樣電阻，r2為分壓器低壓臂電阻，r1≈r2，DVM1和DVM2分別為八位半數(shù)字電壓表，電壓基本量程的精度優(yōu)于1×10-6。直流高壓發(fā)生器的輸出高壓施加于被測量直流高壓電阻分壓器上，流過分壓器的高、低端電流I1、I2通過數(shù)字電壓表DVM1和DVM2測量采樣電阻r1、r2上的電壓V1、V2計算得到。為了克服高壓源紋波和漂移對泄漏電流測量的影響，本文設(shè)法讓2臺數(shù)字表測量同一時段下的V1、V2，即同步測量流入直流高壓電阻分壓器高壓臂電流I1=V1/r1和低壓臂流出電流值I2=V2/r2，計算機同步處理電流測量裝置測得的電流比Δ=I1/I2，Δ的值用于表征被測直流高壓電阻分壓器在該電壓下的泄漏電流的大小。

圖3 測量原理框圖

為更好地得到直流高壓發(fā)生器的穩(wěn)定性指標(biāo)，在高壓發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)分壓器充分預(yù)熱后，控制發(fā)生器輸出100 kV電壓，通過八位半數(shù)字電壓表采樣測量標(biāo)準(zhǔn)分壓器(額定電壓150 kV，額定分壓比15002)的二次輸出電壓，實驗數(shù)據(jù)見圖4。每個電壓采樣點的時間間隔為7 s，一共測量30個點。從數(shù)據(jù)上分析，二次電壓的相對變化小于2×10-6。由于2臺無線通信裝置距離PC控制端的距離不是嚴(yán)格地相等，以及數(shù)字表本身采集電壓時，采樣、積分時間不完全一致等問題，最終2臺數(shù)字表獲取電壓V1、V2的時間間隔在ms量級。但是，在高壓發(fā)生器充分預(yù)熱后，可以認(rèn)為高壓發(fā)生器在ms量級的時間間隔中，電壓波動相對變化遠(yuǎn)小于2×10-6。因此，認(rèn)為這種方法得到的V1、V2值為同一時刻的電壓，從而克服了高壓源紋波和漂移對泄漏電流測量的影響。

圖4 高壓發(fā)生器短期穩(wěn)定性測量實驗數(shù)據(jù)

由于分壓器高壓臂的流入電流測量裝置在高電壓和強電場下工作，設(shè)計的電流測量裝置如圖3中的虛線框所示，由采樣電阻r1、數(shù)字電壓表DVM1和無線通信裝置1等模塊組成。其中無線通信裝置的硬件原理圖見圖5，整個無線通信裝置的電源由鋰電池模塊提供；數(shù)字電壓表DVM1的電源通過UPS(uninterruptible power system/uninterruptible power supply， 通過逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備)提供。整個電流測量裝置放置在高壓分壓器頂端的均壓環(huán)內(nèi)，避免局部尖端放電損壞測量設(shè)備。

圖3中無線通信裝置采用核心板+底板的模式，核心版上有S5PV210處理器、RAM、FLASH等，構(gòu)成一個獨立的最小系統(tǒng)。底板上有核心板接口、RS232接口、ZigBee接口、電源模塊等。其中ZigBee無線傳輸模塊與MCU的接口電路見圖6。

圖5 無線通信裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3中，無線通信裝置1(在星型網(wǎng)中無線通信裝置1即為節(jié)點1)、無線通信裝置2(在星型網(wǎng)中無線通信裝置2即為節(jié)點2)與上位機ZigBee中心節(jié)點組成星型網(wǎng)，上位機通過中心節(jié)點獲取一次測量數(shù)據(jù)的過程示意圖見圖7。上位機中心節(jié)點通過廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，在通信正常的情況下，可以認(rèn)為節(jié)點1與節(jié)點2同時接收到讀取數(shù)據(jù)命令。節(jié)點1、節(jié)點2在接收到讀取數(shù)據(jù)命令時，同時分別控制數(shù)字電壓表DVM1、DVM2讀取當(dāng)前電壓數(shù)據(jù)，并存儲當(dāng)前的采樣值及采樣時間。盡管中心節(jié)點接收每一次采樣數(shù)據(jù)的時間不在一個點上，但對于測量某一段時間內(nèi)的平均值而言，測量時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點間距離造成的時延，因此，近似可以認(rèn)為2個數(shù)字電壓表達(dá)到了同步采樣。

圖6 ZigBee模塊與MCU的接口電路

圖7 讀取數(shù)據(jù)過程示意圖

無線通信裝置1和2的程序流程見圖8。裝置1和2在正常啟動后，程序進入到循環(huán)體，等待控制DVM1和DVM2的ZigBee信號。裝置在接收到控制數(shù)字表讀取數(shù)據(jù)的命令后，與數(shù)字表通信，初始化數(shù)字表，按照預(yù)設(shè)的讀取次數(shù)，讀取數(shù)字表測量得到的電壓值并發(fā)送到上位機。

圖8 無線通信裝置程序流程圖

4 泄漏電流測量

根據(jù)圖3測量100 kV直流高壓電阻分壓器的泄漏電流，施加在分壓器上的電壓從10 kV到20、50、80、100 kV變化，分別測量各電壓下的V1、V2，根據(jù)I1=V1/r1、I2=V2/r2，計算泄漏電流表征值Δ=I1/I2。 實驗中，在每個測試電壓下，裝置1、裝置2每隔2 s讀取1次電壓值，共讀取60個點。

測量結(jié)果見圖9，圖中數(shù)據(jù)標(biāo)簽顯示的值為電壓上升過程中測量點Δ=I1/I2的值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，如數(shù)據(jù)(1.000 228，0.9)是指在測試電壓100 kV下，Δ=I1/I2=1.000 228，該點測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.9×10-6。

圖9 分壓器泄漏電流測量數(shù)據(jù)

圖9測量結(jié)果表明：直流高壓電阻分壓器的工作電壓在50 kV以下時，表征泄漏電流的輸入輸出電流比I1/I2隨加載電壓的變化小于1×10-6，與通常認(rèn)為的“在較低電壓下，泄漏電流對分壓器比例的電壓系數(shù)影響不大”的結(jié)論吻合。加載電壓超過50 kV時，泄漏電流隨工作電壓近似二次函數(shù)顯著增大，10 kV到100 kV，漏電流I1/I2值增大了0.002 0%。

通過雙數(shù)字表同步觸發(fā)法測量該分壓器分壓比的電壓變差[5]，結(jié)果見表1。由表1可以看出，分壓器比例減小了0.001 6%。根據(jù)式(3)，結(jié)合圖9中的測量數(shù)據(jù)，可得出被測分壓器的高壓臂電阻元件在電壓上升過程中，因電壓系數(shù)和溫度系數(shù)導(dǎo)致的阻值變化呈減小趨勢，因此分壓器在電壓上升過程中分壓比變小。

表1 雙數(shù)字表同步觸發(fā)法測量分壓器電壓變差結(jié)果

5 不確定度評定

本文提出的泄漏電流測量方法是基于ZigBee無線通信模式，通過計算機遠(yuǎn)程控制，同步測量I1和I2，克服了分壓器加載電壓高、高壓電源紋波及飄移對測量結(jié)果的影響。實驗中，采樣電阻r1≈r2，且r1和r2隨電壓的變化遠(yuǎn)小于1×10-6，在考核泄漏電流表征值Δ=I1/I2隨分壓器加載電壓變化時，r1、r2的變化可忽略不計。因此，分壓器在不同工作電壓下的泄漏電流表征值Δ=I1/I2=V1/V2。Δ的測量不確定度取決于：DVM1測量V1的不確定度uV1和DVM2測量V2的不確定度uV2。

表2 泄漏電流測量不確定度 V

6 結(jié) 論

流經(jīng)支撐電阻元件的絕緣支架的泄漏電流是直流高壓電阻分壓器的分壓比電壓變差的重要原因之一。高壓分壓器泄漏電流的精確測量，有助于在分壓器研制階段選材、調(diào)整結(jié)構(gòu)中提供數(shù)據(jù)支撐；通過減小直流高壓電阻分壓器泄漏電流的結(jié)構(gòu)設(shè)計，或者采用等電位保護，可減小泄漏電流導(dǎo)致的電壓變差。文中提出的基于ZigBee技術(shù)的測量直流高壓電阻分壓器泄漏電流的方法，采用電池供電、均壓環(huán)等技術(shù)，為測量高壓電流提供了安全保障；同步采集方法還能有效克服高壓電源漂移的影響。實驗數(shù)據(jù)表明，該方法的泄漏電流測量不確定度優(yōu)于9.8×10-6V，k=2。

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