直流高压标准装置国际近况

林 艳 潘 洋 糜坚平/上海市计量测试技术研究院

0 引言

直流高压源、直流高压表、直流高压比例参数是国际计量局（BIPM）列入电磁计量领域的关键比对数据库(KCDB)中的重要参数。无论是直流高压源、直流高压表都必须通过直流高压分压器外接数字多用表来进行校准，而直流高压的比例参数的校准或是通过对高低压电阻臂的测量，或是通过直流高压分压器进行比较测量从而得到被测的分压比，因此直流高压分压器是高压实验室必不可少的一种用于测量直流高电压的标准测量装置。

1 直流高压分压器准确度的影响因素

尽管直流高压分压器的原理非常简单，但是下列因素制约了分压器的准确度[2]。

1）电阻本身发热（或环境温度变化）造成阻值变化[3，4]

为了减少发热造成的阻值变化，除了根据分压器的不确定度的要求选用温度系数小的电阻元件外，通常采用的方法有：采用容量大于分压器额定功率的元件减少温升；搭配正负温度系数电阻，使整体电阻温度系数最小；分压器内充油或绝缘气体控制分压器的温度。

图1 直流电阻分压器原理图

2）电晕放电造成测量误差

由于电阻元件处于高电位就可能发生电晕放电，一方面会损坏电阻元件，另一方面破坏了分压器的高低压臂之间的比例关系，一般采用加均压环在分压器的高压端来平衡电场分布或采用等电位屏蔽的方法[5，6]。其原理如图2所示，高压臂电阻由200个1 MΩ线绕电阻组成，每两个电阻放在作为屏蔽单元的金属圆柱筒内，屏蔽电位由碳膜电阻构成的辅助分压器供给，屏蔽单元与电阻之间的最大电位差为500 V，屏蔽单元安装在有机玻璃板上，整个分压器装在有机玻璃箱内。这样若屏蔽单元上发生电晕和漏电均可由辅助分压器提供而与分压器本体无关，有效地保证了分压比的恒定。

图2 等电位屏蔽原理

3）绝缘支架的漏电造成测量误差

如果安装电阻R的绝缘支架有泄漏电流，则相当于和电阻臂并联了一个绝缘电阻R′，从而使高压臂的实际阻值发生变化。因此需选用绝缘电阻大的材料，使支架的绝缘电阻比电阻臂的电阻值高几个数量级。此外，通过采用充绝缘油和等电位屏蔽等措施，也可以进一步减小和消除泄漏引起的测量误差。

2 国际直流高电压标准装置的现状

自20世纪70年代以来，包括美国、德国、英国、意大利、日本、俄罗斯、澳大利亚等国在内，都先后建立了100kV或更高电压等级的直流高电压标准。这些国家的直流高电压计量标准中，直流高电压分压器普遍被作为直流高电压量值溯源的标准设备，通过直流高电压比率标准向伏特基准的溯源。这些直流高压分压器的结构不尽相同，工作介质也有绝缘油和气体（空气或惰性压缩气体）之分，因此它们的校准方法不尽相同。

德国联邦物理技术研究院PTB研制了一台300kV、分压比为300 ∶ 1的高准确度分压器[7]。这种分压器由300个经加温老化处理、电阻值为2 MΩ的线绕电阻串联而成，其中一个作为低压臂。它们构成50圈不等距的螺旋并安装在充满绝缘油的外壳中，螺距的变化使电阻的分布大致等于静电场的分布。其顶部装有屏蔽罩和屏蔽环，底部装有屏蔽环。这是目前在300kV直流电压等级测量直流高压不确定度最小的一种直流高压分压器。其不确定度优于0.001%（图3）。

图3 PTB不等距螺旋结构300kV分压器

100kV电压等级PTB研制直流高压分压器如图4所示，整个金属屏蔽筒内的温度可以通过珀耳帖效应控制器来自动调节。充满SF6的金属屏蔽筒内的100个10 MΩ线绕高压臂电阻呈5级螺旋式排列（图5），每级20个电阻均固定在聚四氟乙烯的支架上，其绝缘电阻率高达1018Ωcm，相邻电阻之间的电场强度小于15kV/cm，通过分析不确定度来源，合成不确定度可达2×10-6（k = 2）。我们认为根据目前的测量技术和电阻制造的工艺水平，2×10-6已经达到100kV电压等级测量不确定度的极限[8]。

图4 带有珀耳帖温度控制器的充气屏蔽分压器

图5 5级螺旋式分压器结构

目前美国NIST能够提供分压比测量不确定度0.01%的校准服务[9]。校准是通过惠斯通电桥在使用者要求的两个电压等级下进行的，从而确定被校准分压器的电压系数。连续加压15min，每3min读数，确定分压比。被校准的分压器的高压臂和低压臂组成了惠斯通电桥中的两个桥臂，另外两个桥臂由标准电阻组成，一个桥臂由三个标称值为100 MΩ的标准高压电阻串联而成，另外一个桥臂由0～10 kΩ标准可调电阻箱构成，其步进电阻值为0.01 Ω。不确定度分量来源主要有：高压标准电阻值、低压标准电阻值、检流计的灵敏度、连接导线电阻、高压标准电阻的发热以及低压标准电阻的热效应。

图6 澳大利亚计量院研制的精密直流高压分压器

澳大利亚国家计量院（NMIA）在直流高电压测量领域处于国际领先水平，早在20世纪80年代就开始研发直流高电压标准分压器。在20世纪90年代NMIA通过优选匹配高压金属氧化膜电阻，研制成功了一种新型的直流高压分压器（图6）。

这种分压器每一个高压臂电阻都具有非常低的温度和电压系数。其研制的100kV和150kV两种电压等级的直流分压器已经销往世界各地的国家计量院，其中加拿大、日本、韩国、新加坡、巴西、泰国、马来西亚均将此作为本国的基准装置[10]。NMIA所研制的额定电压100kV的参考标准分压器，准确度可达0.001%，150kV型号的标准分压器，其最高准确度可以达到0.0005%。2002年，PTB作为主导试验室，在德国的PTB高压试验室与NMIA的直流高压基准进行了一次比对[11]：试验室温度：（21.3±0.3）℃，在正负电压极性下各进行3次测量，每次测量两个标准高压直流发生器均从20kV开始升压，每20kV为一个比对测量点并保持30～100min，升到100kV再降回20kV。低压臂数表同时测量各自的低压臂输出，比对结果不确定度达到了2×10-6。

3 结论与展望

PTB于2001年发表研究报告指出，100kV电压等级直流高压分压器如果要达到10-6量级的不确定度，需要满足以下条件[8]：

●电阻温度系数要小于1×10-6/K；

●工作电压范围内电阻电压系数小于1×10-6；

●同样短的电阻预热时间；

●低的电阻自热效应；

●泄漏电流与测量电流相比足够小；

●分压器内部绝缘气体的相对湿度要足够低；

●为了防止电晕电流，充满SF6的分压器内部电场强度需小于25kV/cm；

●完善的电气屏蔽措施；

●电阻和测量导线之间的热电势要足够的低。

目前我国在直流高压标准测量能力上还明显落后于世界先进国家。未来直流高压分压器的结构将通过计算机的辅助设计，优化分压器的结构形式，通过分析软件计算电场分布，减小在高电压等级下的电晕放电现象，不断研究具有大功率高稳定度的新型电阻材料，使在电压等级高于100kV时分压器的准确度等级也能达到10-6量级。

[1]刘志宏，马志毅，戴荣秋.高准确度100kV直流电压分压器[J].现代计量测试, 1994(2): 23-25.

[2]张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3]S L Wu，K Schon.Investigating into the Self-Heating Effect of HV DC Divider[C].//Proceedings 5th International Symposium on High Voltage Engineering, Braunschweig, 1987.

[4]A Merev, O Yilmaz，O Kalenderli.Selecting resistors for a high voltage divider [C].//Proceedings XIIIth International Symposium on High Voltage Engineering, Netherlands, 2003.

[5]赵有斌.带屏蔽电阻的直流电阻分压器[J].高压电器, 1989,（2）:38-40.

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[7]Kuffel E, Zaengl W S, Kuffel J.High voltage Engineering Fundamentals[M].Woburn:Butterworth-Heinemann,2000.

[8]Rainer Marx.New Concept of PTB’s Standard Divider for Direct Voltages of up to 100kV[J].IEEE Trans.Instrum.Meas,2001，50（2）：426-429.

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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.