第三节
测量接线

测量泄漏电流的接线多采用半波整流电路，近些年来，出现了一批轻便型的直流泄漏电流试验装置。为了缩小设备体积，整流电路常采用倍压整流电路或直流串级电路。这些装置在电力系统中获得了愈来愈广泛的应用。

一、半波整流电路及其测量接线

测量泄漏电流的半波整流电路及其接线，根据微安表和高压硅堆所处的位置的不同，可有六种接线方式，但归纳起来，只有以下两种。

（一）微安表处于高电位

微安表处于不同位置的接线如图2-3所示。

微安表Ⅰ处于高电位，是这里所要讨论的情况。由图2-3可见，此电路由下列几部分组成。

1.交流高压电源

这部分包括升压变压器和自耦调压器。升压变压器用来供给整流前的交流高压，其电压值的大小必须满足试验的需要。由于试验所需的电流甚小，一般不超过1mA，故升压变压器的容量问题可不予考虑，现场试验时，可用互感器或油试验器代替。

自耦调压器是用来调节电压的。其容量只要满足升压变压器励磁容量的要求即可。

2.整流装置

整流装置包括高压整流硅堆和稳压电容器。高压硅堆是由多个硅二极管串联而成，并用环氧树脂浇注成棒形，环氧树脂起绝缘和固定作用。高压硅堆具有良好的单向导电性，所以它能把交流变成直流。由于它具有体积小、重量轻、机械强度高，使用简便、无辐射等优点，故被广泛地应用于高压直流设备中。

稳压电容器也叫滤波电容器，其作用是减小输出整流电压的纹波。所谓纹波是指相对于直流电压算术平均值的周期性偏差。滤波电容愈大，加于被试设备上的电压愈平稳，而且电压的数值愈接近于交流电压的峰值。在图2-3中，当接有C后，开始时，由电源向C+C _x 充电到最大值，在整流管不导电的半周内，电容C+C _x 上的电荷通过被试品的绝缘电阻R _x 放电，其波形如图2-4所示。放电的快慢决定于时间常数τ=（C+C _x ）R _x 。对于某一试品而言，C _x 和R _x 是个常数，所以τ的大小仅决定于C，C愈小，则τ愈小，即放电就愈快，这时被试品绝缘上的平均电压U _p 与高压试验变压器二次侧的电压U _max 相差就愈大。同时电压的纹波就愈大。因此，稳压电容应有足够大的数值。现场一般取0.01～0.1μF，可以满足纹波因数小于3%的要求。

根据国家标准《高电压试验技术》（GB 311.3—83）规定，在输出工作电压下直流电压的纹波因数S应按下式计算

式中 U _max ——直流电压的最大值；

U _min ——直流电压的最小值；

U _d ——直流电压的平均值。

U _max 、U _min 、U _d 的关系如图2-4所示。

当然。在试验大型发电机和变压器及电缆等被试设备时，因其本身电容较大（常大于10 ⁴ pF），故可省去稳压电容。

对泄漏电流很小，并仅作粗略检查性的试验，如测量断路器支持瓷套及拉杆的泄漏电流，也可不用稳压电容。

3.保护电阻器

保护电阻器的作用是限制被试设备击穿时的短路电流，以保护高压变压器、硅堆及微安表，故有时也叫限流电阻。其值可按下式计算

式中 U _d ——直流试验电压值，V；

I _d ——被试品中流过的电流，A。

当I _d 较大时，为减少R发热，可取式中较小的系数。R的绝缘管长度应能耐受幅值为U _d 的冲击电压，并留有适当裕度。表2-1列出不同试验电压下，电阻器表面绝缘长度的最小值。

高压保护电阻器通常采用水电阻器，水电阻管内径一般不小于12mm。采用其他电阻材料时应注意防止匝间放电短路。

4.微安表

微安表的作用是测量泄漏电流，它的量程可根据被试设备的种类，绝缘情况等适当选择，误差应小于2.5%。由于微安表是精密、贵重的仪器，因此在使用中必须十分爱护，一般都设有专门的保护装置，其接线图如图2-5所示。

在微安表的回路中串联一个阻值较大的电阻R，当有电流通过回路时，就在AB两端产生一个电压降，电压降的大小为通过R的电流和电阻的乘积，当这个乘积能使放电管放电时，放电管F工作，电流就从放电管中流过，而不通过微安表，起到保护作用。具体各元件的作用如下：

（1）电容器C。能滤掉泄漏电流中的交流分量和通过微安表的交流电流，从而减小微安表的摆动，便于获取读数；能保证保护装置在任何情况下正常工作；还能使放电管放电时较为稳定。数值可为0.5～20μF （150～300V）。

（2）放电管F。当回路中出现危及微安表的稳态电流时，它能迅速放电，使微安表短路，好像一个自动切合的开关。可采用霓虹放电管、氖气管，也可用稳压管（如2CW ₁₂ 或CΓ-4C型号的），但用硅稳压管时不能给出明确的信号。

（3）增压电阻R。由于放电管的放电电压一般较高，即使微安表中已经流过较大的电流，其两端的压降仍不足以使放电管放电，故须串入适当的电阻，以增加放电管两端的压降。R最小的数值可按下式确定

式中 U _F ——放电管的实际放电电压，U _F 通常为50～150V；

I _n ——微安表的额定电流，μA。

（4）电感L。用来防止突然短路时放电管来不及动作，由于短路产生的冲击电流损坏微安表。它的动作原理是当上述冲击电流袭来时，L相当于开路，使冲击电流不会流到微安表中。而这时电容器C对冲击电流相当于短路，所以冲击电流就从C支路流走了。由于电容器C也可对冲击电流起到防护作用，所以有时可不用L。如果使用L时，其电感量可取为10mH左右，可用小变压器来代替，用电度表上的电压线圈也可以。

（5）短路开关S。它在一般情况下将微安表短路，只有在读数时才将其打开，读完数后，要迅速合上，以保护微安表。

由于微安表是测量微弱泄漏电流的仪表，正常工作时产生的转矩很小，为保证其灵敏度，测量机构的摩擦和质量都要求极小，一旦过载很容易烧损。引起过载的原因如下：

（1）接线不正确。这里的接线主要是短路开关与微安表的并联接线，它必须正确，否则有可能烧坏微安表。图2-6给出了短路开关与微安表的接线方式，若按图2-6（a）接线不会烧坏微安表，因为当短路开关S闭合时，泄漏电流或试品击穿，放电或闪络形成的短路电流流经短路开关S，此时作用在微安表上的电压ΔU等于短路开关接触电阻上的压降U _k 减去引线上的压降U _Y ，即ΔU=U _k -U _Y ，可见ΔU甚小，它不会在微安表中产生较大的电流。

而采用图2-6（b）接线时，显然ΔU=U _k +U _Y ，此时作用在微安表上的电压相对较前者为大，在这个电压ΔU的作用下，可能使微安表烧坏。

例 某微安表的量程为5μA，其内阻r为2000Ω，采用图2-6（b）所示的接线方式进行测量。已知短路开关的接触电阻R ₁ 与引线电阻R ₂ 之和为0.1Ω，当短路开关合上时，流过短路开关的电流为1A。试计算此时微安表中流过的电流的多少？它是否会把微安表烧坏？

解 当短路开关流过1A的电流时，它在接触电阻与引线电上造成的压降为

该电压将作用在微安表两端，使微安表中流过的电流为

由此可见，微安表将会烧坏。也就是说采用图2-6（b）所示的接线，即使短路开关S合着，也可能烧表。

（2）放电方法不当。测试完毕，在降压、断开电源后均应对被试品及试验装置本身充分放电，若放电方法不当，有可能使微安表烧坏。

图2-7给出不同放电位置时的放电电流回路图。

对图2-7（a），放电的正确方法是：①将微安表用短路开关S短接；②用放电棒在保护电阻与整流硅堆之间的A点放电；③直接在被试品端部B点放电。若有如图2-8所示的专用放电棒（内装适当电阻，大约为200～500Ω/kV），才可采用这种方法直接放电，并且最后将不带放电电阻的接地棒直接挂在试品上。

在图2-7（b）中，当在A点不经电阻直接放电时，被试品C _x 中的电荷产生的放电电流i ₁ 将流过微安表；在B点不经电阻直接放电时，滤波电容C中的电荷产生的放电电流i ₂ 也将流过微安表，都可能使微安表烧坏。

（3）暂态过程产生的电流。在测量过程中出现暂态过程烧坏微安表的情况主要有：①当被试品发生局部放电或击穿、闪络时，由于测量回路参数改变引起过渡过程所产生的暂态电流，其值通常较大，可能烧坏微安表；②当测试地点附近的设备中出现暂态过程时，由于耦合作用可能在测量回路中产生较大电流，并流过微安表，以致烧坏微安表。

（4）试验电压纹波过大。当直流试验电压纹波过大，纹波成分加在被试品上，就有交流分量通过微安表，因而使微安表指针摆动难于读数，甚至使微安表过热烧坏，这是因为微安表是磁电系测量机构。它只能用于测量直流，当误接于交流时，指针虽无指示，但可动线圈内仍有电流流过，电流过大时会损坏可动线圈，而当脉动过大，即交流分量过大时，实际上可动线圈中流过了较大的交流电流，它有可能烧坏微安表线圈。例如，在后述测量水内冷发电机泄漏电流时，在通水情况下，由于引水管电流数值较大（mA级），高压纹波电压分量（即交流分量）流过被试品的电容电流增大，使微安表指针严重抖动，无法读数，甚至将微安表烧毁。

苏州工业园区华电科技有限公司生产的ZV-B系列全屏蔽高精度自动换挡高压微安表，采用大屏幕四位半数显表。将显示窗口用导电玻璃与金属外壳相连；高压屏蔽引线采用同轴引出结构；取消了面板开关，采用内藏旋式开关，使整个测量回路处于彻底的法拉第笼内，屏蔽性极好。抗冲击性强，正反向放电均不损坏。200/2000/20000μA自动换挡，无死区，分辨率达0.01μA。在500kV变电站与1000kV直流高压发生器配套使用中，用户反映良好。

5.新型数字微安表

微安表的作用是测量泄漏电流。为准确测量试品的泄漏电流，微安表应接在高压回路内。在20世纪50～80年代，一般都用指针式微安表加装简单的保护装置后串接在高压回路测量试品的泄漏电流。其缺点是对非线性元件的电气设备测量泄漏电流时，微安表不能换档位；另外测量精度低，一般是±2.5%；如果距离大尚需用望远镜读数。另外，由于这类表计都是试验人员自己改装的，表计没有金属屏蔽，所以很容易受到电场的干扰影响，当时直流高压发生器是用试验变压器串高压整流管，后来用高压硅堆的半波整流，且再加滤波电容，在试验结束后的放电要选择放电部位，放电应该在电容量大的一端进行，如果搞错了极易把微安表损坏。

20世纪90年代以后，微安表逐步采用数显表且加装了完善的保护装置。苏州工业园区海沃科技有限公司生产的ZV-B型全屏蔽自动换挡高压微安表采用大屏幕四位半数显表，外壳用轻金属压制成椭圆形，显示窗口用导电玻璃与金属壳相连。配置高压屏蔽引线采用同轴引出结构，显示电源开关内置在底部M10螺母内，当使用时只要拧在Z-Ⅶ型直流高压发生器倍压筒顶部螺栓上即打开显示电源。以上措施使ZV-B型全屏蔽自动换挡高压微安表在使用时处于完全屏蔽状态，真正测到试品电流，并显著提升了抗冲击能力，在试验大容量设备后正反向放电均不会损坏仪表。测量精度提高到±1.0%以内，且能自动换挡位（0～200～2000μA或0～2000～20000μA）无死区，分辨率0.01μA。在500kV变电站与1000kV直流高压发生器配套使用效果良好。

苏州工业园区海沃科技有限公司还生产HV-B型红外线遥测多功能直流高压微安表，该表保持了ZV-B型高压微安表的所有功能，还增加了高压测量结果红外线发射，手持接收器接收功能，它有两部分组成：测量/显示/发射表头，串接在高压回路（安装在发生器的倍压筒上）；接收/显示表头，为手持式，接收数据值与高压微安表显示值完全同步，还具有避雷器底部电流测量功能。这样方便的解决了高电压等级直流发生器在远距离读取泄漏电流时必须用望远镜来读数的麻烦，同时还可用于多节避雷器不拆高压引线进行直流特性试验。同时还可用于多节避雷器不拆高压引线进行直流特性试验，量程为0～5mA，精确度为1.0%，接收角≤60°，接收距离≤10m。

在2009年6月云广直流输电线路云南楚雄±800kV直流换流站的直流耐压试验中，HV-B型红外遥测多功能高压微安表配合Z-Ⅶ型±1200kV/10mA正负极性直流高压发生器使用，很好的解决了高压泄漏电流读数的问题，效果良好。

6.直流电压的测量

在电力设备预防性试验中，测量直流试验电压的主要方法如下：

（1）高阻器与微安表串联的测量系统。这种测量系统的原理接线如图2-9所示。其测量电压的原理是，被测直流电压加在高阻器上，则在R ₁ 中便有电流流过，与R ₁ 串联的微安表指示这个电流的平均值。因此可根据微安表指示的电流值，来得到被测直流试验电压的数值，即

式中 R ₁ ——高阻器的电阻，MΩ；

I _d ——微安表的读数，μA；

U _s ——被测直流试验电压的平均值，V。

这种方法的难点是电阻R ₁ 的稳定性。在行业标准《现场直流和交流耐压试验电压测量系统的使用导则》（DL/T 1015—2006）中规定，高阻器的阻值的选择应尽可能大些，若阻值选择太小，则要求直流高压试验装置供给较大的电流I ₁ ，R ₁ 本身的热损耗也会太大，以致R ₁ 阻值不稳定而增加测量误差。然而也不能选得太大，否则由于I ₁ 过小而使电晕放电和绝缘支架的漏电而引起测量误差。因此要求高阻器的阻值不仅要选择合适而且应该稳定。国际电工委员会规定I ₁ 不低于0.5mA，一般选择在0.5～2mA之间，我国DL/T 1015—2006按工作电流0.5～1mA，至少不小于200μA来选择其电阻值。换言之，高阻器的阻值应按下式选择

例如，被测直流试验电压为60kV时，高阻器的电阻值应不大于300MΩ。实际上常按R=1MΩ/kV，即1mA选取。

图2-9所示的放电管（或放电间隙）P是作保护用的，在微安表或电压表超量程时起保护作用；R ₃ 的作用有两点，一是为防止引线和微安表（一般放在控制桌上）发生开路而在工作人员处出现高电压，二是为消除电阻的电压和温度系数的影响，起补偿作用。R ₃ 的阻值比微安表内阻大2～3个数量级（正常测量时对微安表的分流可忽略不计），一般情况下取数百千欧。

测量用的微安表的准确度一般为0.5级，即其相对误差小于5%。

（2）电阻分压器与低压电压表测量系统。这种测量系统的原理接线图如图2-10所示。电阻分压器的高压臂R ₁ 实质上也是一个高阻器，其低压臂的电阻R ₂ 较小，它的两端跨接电压表，用来测量直流试验电压。

若低压电压表的指示值为U ₂ ，分压器的分压比为 ，则被测的直流试验电压为

R ₁ 的选择方法同（1），R ₂ 的数值由U ₁ 、U ₂ 及R ₁ 确定。例如，取U ₁ =60kV，R ₁ =1MΩ，U ₂ =100V，则 1×10 ⁶ Ω=1.7kΩ。

根据所接电压表的型式可测量出直流电压的算术平均值、有效值或最大值。

电压表可选用静电电压表或高输入电阻的数字电压表。如果采用输入电阻较小的电压表进行测量，则应将其输入阻抗计入电阻分压器的低压臂电阻内。

国际电工委员会规定，分压器的分压比或串联电阻值应该是稳定的，其误差不大于1%。

（3）高压静电电压表。高压静电电压表是测量直流电压均方根值的一种很方便的仪表，量程从几伏到几百千伏，它的优点是内阻大，基本上不吸收功率。当被测直流电压的纹波因数满足国家标准GB/T 16927.2—2013中的规定，即纹波因数不大于3%时，可以把静电电压表的指示作为被测直流电压的平均值。在现场进行直流耐压试验时，高压静电电压表应在无风和无离子流的场所使用，使用前应检查高压静电电压表的各部件是否正常，绝缘支柱表面是否清洁干燥。

现场直流试验电压测量系统误差的可能来源如下：

（1）高阻器的电阻值变化引起的误差。

1）电阻元件发热。测量直流试验电压用的高阻器采用的电阻元件一般是体积小、功率小。当其中通过电流的时间较长时，可能使其发热而改变其电阻值，引起测量误差。

2）支架绝缘电阻低。由于单个电阻元件的电阻值很大，而支架材料本身的绝缘电阻较低，或者支架受不良的气象条件和保存条件的影响，而使绝缘电阻降低，这就相当于电阻元件的两端并联一个高值电阻，引起高阻器的参数变化，导致分压比变化。因此，测量直流试验电压用的高阻器的电阻元件的功率不能太小，其支架应进行防止表面泄漏的处理，使其绝缘电阻应足够大。

3）高压端电晕放电。在高阻器的高压端和靠近高压端的电阻元件，由于处于高电位而发生电晕放电，电晕放电不仅会损坏电阻元件（特别是薄膜电阻的膜层），使之变质，而且也相当于在电阻元件上并接一个高值电阻，而使高阻器的电阻值发生变化，引起测量误差。因此，应避免高阻器高压端及其附近发生电晕放电。

为减小或消除因高阻器阻值发生变化引起的测量误差，通常采取的措施如下：

a）选用温度系数小、容量大的电阻元件。可用于高阻器的国产电阻元件有三种类型，即碳膜电阻、金属膜电阻和线绕电阻。碳膜电阻的温度系数最大，其值为-1000ppm ^[1] /℃，精密金属膜电阻的温度系数则约为±（10～100）ppm/℃，而精密的线绕电阻（由Ni、Cr、Mn、Si和Al合金丝组成，性能比卡码丝稳定）的温度系数最小，其值不超过±10ppm/℃，一般仅为±（1～5）ppm/℃。根据对测量系统准确度的要求，尽量选用温度系数小的电阻元件，以减少发热造成的电阻值变化。另外，选择电阻元件容量大一些，也有利于减小温升。Z-Ⅶ型直流高压发生器采用多个功率为5W的小阻值、高精度金属膜电阻螺旋式串接而成，并用正负温度系数自动补偿工艺，使高阻器的温度系数达到±10ppm/℃。

b）选用优质绝缘材料，并对其表面进行处理。为减小绝缘支架漏电引起的测量误差应选用绝缘电阻大的绝缘材料，使支架的绝缘电阻比高阻器的电阻大好几个数量级。

c）采用高压屏蔽电极或强迫均压措施。为减小电晕放电的影响，除宜将流过高阻器的电流I ₁ 适当选得大一些外，还可以在高阻器高压端装设可使整个结构的电场比较均匀的金属屏蔽罩，强迫均压。

d）将电阻元件置于充油或充气的密封容器中，这样做不仅使流过高电阻元件的正常电流足够大，以减小误差电流的相对影响，而且可以增强散热，降低温升以及提高起始电晕电压。如Z-Ⅶ型直流高压发生器内附高阻器，充特殊绝缘胶。正常时为半固体，可增加电阻杆的机械稳定性。工作时融化成液体，可增加散热，并提高起始电晕电压。

（2）高阻器绝缘套筒的结构不合理引起的误差。由上述可知，为了便于使用和保存，高阻器应放在绝缘套筒里。绝缘套筒外表面暴露在空气中，容易脏污，导致泄漏电流增大。为了使绝缘套筒的泄漏电流不流过测量仪表，在绝缘筒的下端应装设屏蔽电极，高阻器的低压端子与绝缘套筒的屏蔽电极分开。屏蔽电极接地或接在测量仪表的屏蔽罩上，高阻器的低压端接在测量仪表上。绝缘筒最好不分段，如果要分段，则两段的连接器最好用绝缘材料制成，不用金属连接器。

（3）直流电阻分压器与周围带交流电压的导体之间的耦合电容电流引起的误差。当直流电压的测量系统靠近带交流电压的导体时，该系统会受带交流电压导体电场的影响而引起误差。图2-11所示为测量带电导体与电阻分压器之间耦合电容电流I _b 的原理接线图，图中E _b 和C _beq 分别为带电导体的等效电势和等效耦合电容，I _b 为带电导体电场产生的干扰电流。若试验变压器一次绕组不接电源，在电阻分压器低压臂电阻R ₂ 上接一个小量程的高输入电阻有效值电压表V，由电压表指示值U _b 可得到耦合电容电流的有效值，即

而瞬时值为

式中 I _bm ——电容耦合电流最大值；

ω——电容耦合电流的角频率。

则在存在耦合电容电流I _b 的情况下进行直流耐压试验时，电阻分压器低压臂电阻R ₂ 上的电压为

式中 I _d ——低压臂上流过的直流电流。

如果接在电阻分压器R ₂ 上的电压表是测量有效值的电压表（如静电电压表等），则电压表的指示值为

此时被测直流试验电压的实测值为

由上述可知，无外界电场干扰时，被测直流试验电压的计算式为

比较上述两式，便可得到周围带电导体电场引起的测量误差，即

或

分析上式可知，如果有交流高压导体存在而引起的耦合电容电流的干扰，用电阻分压器和低压有效值电压表的测量系统测量直流试验电压，加在被试设备上的实际电压值有可能低于标准中规定的电压值，这样就有可能使不合格的被试设备通过试验。

为了减小或消除这种误差，可以采取远离交流高压导体和选用高阻器与微安表串联的测量系统进行测量，这种测量系统不受外界电磁场的影响，这也是在行业标准DL/T 1015—2006中首先推荐采用高阻器与微安表串联的测量系统测量直流试验电压的原因。在Z-Ⅶ型直流高压发生器中也采用这种测量系统。

为了减小或消除直流试验电压测量系统的测量误差，DL/T 848.1—2004《高压试验装置通用技术条件：直流高压发生器》规定，对直流试验电压测量系统的参数应每年校验一次，校验用的测量系统或仪表的误差应不大于0.5%，并在去现场试验前，应该用下列任一种方法进行校核。如果校核结果不满足要求，则应用误差不大于0.5%的系统或仪表再校验一次。

（1）对比法。这种方法是用误差不大于1%的直流测量系统，在全电压下，与待校核的测量系统对比，两测量系统之间的相对误差应不大于1%。

（2）伏安特性法。这种方法是用误差不大于1%的直流电压测量系统和直流电流表，在25%、50%、75%和100%的工作电压下测定高阻器的伏安特性，由伏安特性确定电阻值，与以往的校验数值比较，其阻值的变化值应不大于1%。如果高阻器的阻值呈非线性，则电阻分压器的分压比或高阻器的电阻值应采用与试验电压对应的数值。

（3）电桥法。这种方法是用误差不大于1%的电桥校核高阻器的电阻值，与以往的校验数值比较，其变化值应不大于1%。因为测量直流电压用的高阻器的电阻值很大，所以一般只能进行元件的校核，而不能进行整个高阻器的校核。

微安表在图2-3中位置Ⅰ的接线的优点是高压变压器只需要一个引出套管，由于微安表处于高压端，故测出的泄漏电流准确，不受杂散电流的影响。但这种接线也有很多缺点，如微安表对地需要良好的绝缘，并必须屏蔽；在试验中改变微安表的量程时，应用绝缘棒，操作不便；微安表距人较远，读数时不易看清，有时需用望远镜，不太方便。

（二）微安表处于低电压

由于微安表处于高电位时存在读数和操作不方便等缺点，故在现场试验中往往将微安表接在低电位，即接在图2-3中的位置Ⅱ处。但是，这样一接又产生了新的问题，即变压器需要有两个套管；高压导线对地的电晕电流将通过微安表，如图2-12所示，电晕电流往往会严重影响测量结果。如在50kV及潮湿天气下，电晕引起的电流可高达数百微安，以致比被试设备的泄漏电流还大。若将微安表接至图2-3中的位置Ⅲ，则可克服这一缺点。但被试设备的下端若是接地的，就要采用位置Ⅰ或位置Ⅱ的接线了。

应指出，在有条件的地方宜尽量采用位置Ⅲ的接线，它既可以获得相当准确的测量结果，操作也很简便。而尽量不采用位置Ⅱ的接线，以减小测量误差。

二、倍压整流电路及其测量接线

由上述可知，在简单的半波整流电路中，直流输出电压至多只能接近试验变压器高压侧电压的幅值。实际上，由于负载电流流过回路电阻，包括整流硅堆的正向电阻，输出电压总要比幅值低一些。当要求产生较高的直流电压，又希望试验装置体积小、重量轻时，常常采用倍压整流电路。

（一）两倍压整流电流

图2-13所示为一种全波两倍压整流电路及其测量接线。当电源电压在正半周时、硅堆V ₁ 导通，使下方的电容器充电到电源电压的幅值；相反，在负半周时，硅堆V ₂ 导通，使上方的电容器也充电到电源电压的幅值。这样，加在被试设备上的电压为两倍电源电压的幅值。而且输出电压是对地而言的，所以这种电路适用于一极接地的被试设备。但这种电路要求高压电源变压器高压绕组的两个引出端都要对地绝缘，一个端子对地直流电压为电源电压幅值，另一个端子对地电压是脉动电压，其最大值可达两倍电源电压的幅值。

（二）三倍压整流电路

图2-14所示为三倍压整流电路及其测量接线。

由图可见，它由五部分组成，即：

（1）控制部分。包括开关1、3，继电器4，指示灯6、7等。

（2）高压电源部分。包括调压器8和升压变压器9。

（3）三倍压整流电路。包括主电容C ₁ 、C ₂ 、C ₃ ，高压硅堆V ₁ 、V ₂ 、V ₃ ，保护电阻R ₁ 、R ₂ 、R ₃ 。

（4）测压、测流部分。包括测压电阻R、串接微安表及测流微安表。

（5）被试设备。用C _x 表示。

当升压变压器高压侧电压u ₁ 的上端头为负半波时，通过V ₁ 向C ₁ 充电至-u ₁ ；当u ₁ 为正半周时，升压变压器高压侧电压u ₁ 与C ₁ 上的两端电u ₁ 串联起来通过V ₂ 向C ₂ 充电至2u ₁ 。当升压变压器高压侧电压u ₁ 在第二个负半波时，升压变压器高压侧电压u ₁ 又与C ₂ 两端的电压2u ₁ 及C ₁ 两端的电压-u ₁ 串联，通过V ₃ 对C ₃ 充电至-2u ₁ ，故输出到负载上的电压为-3u ₁ 。实际上，充电至-3u ₁ 是经过几个周期后才完成的。

三、直流串级电路及其测量接线

由于三倍压整流电路存在一定的缺点，如输出电压不够高、输出功率较小、带电容性试品的能力差、可连续运行的时间短，对潮湿气候的适应性差、整流元件易损坏等。因此人们开始研究新的电路，在研究的过程中，紧紧抓住小型、轻便、实用这一核心，提出由直流串级整流电路构成的直流高压发生器。已由20世纪60年代末的JGS型系列、20世纪70年代末的KGS系列发展到当今的ZGF、Z-Ⅶ系列。它们的共同特点如下。

（一）采用串级整流电路

图2-15所示为三级串级整流电路。在空载时，当升压变压器的高压绕组电压为u ₁ 时，直流高压端输出的电压可达-6u ₁ 。下排每台电容器C ₂ 上的电压分别达-2u ₁ ，1、2、3点对地电压分别为-2u ₁ 、-4u ₁ 、-6u ₁ 。上排电容器串中最左一台电容器C ₀ 上的电压为u ₁ ，其余两台电容器C ₁ 上的电压均为2u ₁ 。由于升压变压器a端的对地电压在u ₁ ～-u ₁ 间周期性变化，因此上排1′、2′、3′各点的对地电压均是脉动性的，1′点的对地电压为0～2u ₁ ，2′点对地电压为2u ₁ ～4u ₁ ，3′点对地电压为4u ₁ ～6u ₁ 。

下面说明为什么会有上述的倍数关系。

设投入电源后，在第一个半波里升压变压器a点对地电位为正，变压器经V ₁ 对C ₀ 充电，在不计装置压降等其他因素下，C ₀ 将充电到电压u ₁ 。第二个半波电源变压器a点对地电位为负时，因C ₀ 上已有电压u ₁ ，所以1′～0之间的电压u _1'0 在变压器电压达到u ₁ 时等于-2u ₁ 。在u _1'0 的作用下，经过V ₂ 使下排最左一台电容器C ₂ 充电，如果C ₀ ≫C ₂ ，则此C ₂ 上的最高电压可达-2u ₁ 。第三个半波里，a点对地电位又变为正，由于u ₁₀ =-2u ₁ ，故1点和a点之间的电压为-3u ₁ ，此电压通过V ₃ 对上排左边的两台电容器C ₁ 、C ₀ 充电，如果C ₂ ≫C ₁ ，则可使它们的串联电压达到-3u ₁ 。由于在第三个半波和上述第一个半波相同，变压器经V ₁ 把C ₀ 充电到u ₁ ，故2′～1′间的C ₁ 在此半波里将充电到2u ₁ 。第四个半波时，2′对0的电压可达-4u ₁ ，这个电压经V ₄ 对下排左边的两台电容器C ₂ 充电，如上所述，若C ₁ 远大于下排中间的C ₂ 则可使u ₂₀ 充电到-4u ₁ ，和上述第二个半波相同，变压器经C ₀ 、V ₂ 对下排最左一台C ₂ 充电到-2u ₁ ，故下排中间一台电容器C ₂ 充电到电压-2u ₁ 。同理可知，最后输出电压u ₃₀ =-6u ₁ 。

当有负载时，假定输出的负载电流为I _R ，则输出电压会有脉动，而且和空载时输出电压相比有了电压降。为方便起见，把串级整流电路上下两排电容器在每周期内的充放电过程分成下列四个步骤：

（1）在时间间隔t ₀ 内，上排电容器经V ₆ 、V ₄ 、V ₂ 向负载及下排电容器放电。

（2）在时间间隔t ₁ 内，下排电容器向负载放电。

（3）在时间间隔t ₂ 内，下排电容器向负载放电并经V ₅ 、V ₃ 、V ₁ 向上排电容器C ₂ 、C ₁ 放电（而C ₀ 则由电源充电）。

（4）在时间间隔t ₃ 内，下排电容器向负载放电。

电容器的充放电过程都是按指数函数规律进行的，该串级整流电路输出电压的波形可按上述四个过程表示成图2-16，图中还将对应的电源电压波形u ₁ 画出。根据分析计算，当C ₁ =C ₂ =C ₀ 时，电压脉动、电压降和脉动因数分别为

式中 n——级数；

I _d ——输出的负载电流， ，Q ₁ 为一个周期内流经负载的电荷；

f——电源电压频率；

C——每台电容器的电容量；

U _d ——直流输出电压，近似等于U _a （最大输出电压的平均值）；

R _x ——负载电阻。

若要获得高的输出电压，可适当增加级数，但δu与ΔU也迅速增加，这是串级电路级数受到限制的原因。

（二）采用中高频电源

由于输出电压的纹波因数是直流高压发生器的重要技术指标之一。所以在GB/T 16927.1—2011中对加于试品上电压的纹波系数作了明确规定，要求s≤3%。而金属氧化物避雷器直流相关试验，对纹波因数要求更高，国家标准《交流无间隙金属氧化物避雷器》（GB 11032—2010）就要求直流电压纹波因数应不超过±1.5%。由式（2-6）可知，要减小纹波因数有三种方法：

（1）减少串级级数。为保证输出电压不变，在减少串级级数的条件下，只能提高高压变压器的输出电压及单台高压电容器的工作电压，这将增加高压直流电源的体积与重量。

（2）增大电容器的电容量。这会受到电容器额定容量的限制，此方法同样会使直流高压发生器的体积与重量增加。

（3）提高串级回路工作频率。这是最有效的方法。提高工作频率f将使电压降、电压脉动及脉动因数均减小，所以通常采用这种办法。

下面以苏州工业园区海沃科技有限公司生产的Z-Ⅶ型直流高压发生器为例，说明其原理及特点。

Z-Ⅶ型直流高压发生器的工作原理如图2-17所示。其产品特点如下：

（1）首家采用计算机控制技术，控制PWM脉宽调制、测量、保护及显示，在大屏幕LCD显示屏上显示输出高压电压、电流、过压整定、计时时间及保护信息。

（2）可自动实现氧化锌避雷器直流1mA参考电压功能及0.75%的1mA参考电压下的泄漏电流测量功能，在按下自动升压键后，电流自动升至1mA，同时自动记录数据，按下0.75功能键后，电压自动降75%，准确度1.0%，同时自动记录数据。对电缆、发电机设备试验时，设定试验电压值后，可自动分段升压，自动计时，并记录结果。

（3）首创智能接地不良保护及报警功能（接地不良不能升压），测压回路断线保护（高压测量回路断线仪器不能升压），有紧急停机按钮，大大提高了操作人员在作业过程中安全性。在特殊情况下还可解除接地不良保护报警功能（如采用发电机作为电源或现场接地不良但仍可试验的情况下。）

（4）Z-Ⅶ型直流高压发生器具有多种保护功能，如：低压过流、低压过压、高压过流（在额定电压输出带容性负载状态下，发生器输出高压端突然接地，试验装置立即出现高压过流保护，输出高压立即切断保证仪器设备安全）、高压过压、零位保护、不接地保护、内部测压回路断路保护等，保护动作时在大屏幕LCD显示屏上有中文提示。

（5）苏州工业园区海沃科技有限公司还设计出了HV-B型红外线遥测多功能直流高压微安表，该表由高压侧微安表及微型接收器组成。高压微安表可测量、显示高压侧泄漏电流，并将测量结果由红外发射传输至微型接收器上，微型接收器安装在Z-Ⅶ型直流高压发生器控制箱上，可将接收结果直接显示在控制箱的LCD显示屏上。高压侧微安表也可直接读数，高压显示与微型接收器完全实时同步。配套的Z-Ⅶ型直流高压发生器控制箱还有测量避雷器底部电流功能，可在LCD显示屏上直接显示底部电流值，可自动计算总电流与高压侧泄漏电流及避雷器底部电流的差值。因而HV-B型红外线遥测多功能直流高压微安表配套Z-Ⅶ型直流高压发生器后可用于多节避雷器不拆导线完成每节避雷器的试验任务。量程0～5mA，精度1.0%，接收角度≤60°，接收距离≤10m。

近年来，大连理工大学特种电源厂研制出了ZGF系列便携式直流高压发生器。这种发生器将工频电压经变压器升压，再进行串级倍压整流，实现了小型化，其主要特点如下：

（1）发生器的全部器件做成集成块，并用金属壳全密封，机械强度高，不怕潮湿、灰尘，不出故障。

（2）工频50Hz供电，无须变频，体积小。

（3）用球形数字表在高压端测泄漏电流，精度高，读数清晰准确，1～1999μA测量不用换挡。

（4）有零位、过压、过流保护，阀值可调，灵敏可靠，不会误操作。

四、纹波因数的测量

如上所述，输出电压的纹波因数是各种直流高压发生器的重要技术指标。所以测量纹波因数具有重要意义。

由于纹波因数的定义为： ，所以为计算纹波因数，首先要测量纹波电压幅值δU，其主要办法有：

（1）半波整流法。也称电容电流整流法，其原理接线如图2-18（a）所示。

设被测电压为u，当它随时间变化时，流过隔直电容C （可用高压标准电容器）的电流 。因u随时间作正弦变化，则i _C 在相位上超前于电压u90°作正弦变化。V ₁ 及V ₂ 为两个二极整流管，μA为微安表。当i _C 为正半波时，电流经V ₁ 及微安表入地。从图2-18（b）可以看出0～t ₁ ，t ₂ ～t ₃ ，…时间内整流管V ₁ 导通，电流流过微安表；在t ₁ ～t ₂ ，t ₃ ～t ₄ ，…时间内，则V ₁ 不通而V ₂ 导通，电流不流经微安表，故在1周期内，流过微安表的平均电流为

式中 f——直流高压电源频率。

可见，由微安表测得整流电流的平均值I _d ，即可算出纹波电压幅值。

（2）全波整流法。全波整流法的原理接线如图2-19所示。可见微安表在正负半周内均有电流流过，流过隔直电容C中的电流 ，而流过微安表的平均电流为

所以

可见，由微安表测得的整流电流的平均值I _d ，即可算出脉动电流幅值δU。

（3）分压器法。分压器法测量的原理接线如图2-20所示。图中M为显示仪器，只要用示波器或峰值电压表测出C ₂ 两端的电压幅值U _2m ，即可得

式中 C ₁ ——分压器高压臂电容；

C ₂ ——分压器低压臂电容。

当用有效值表测量时，测出的是脉动电压的有效值。

若将C ₂ 改为电阻R ₂ ，也可测出脉动电压的幅值或有效值。如果有效值为U，R ₂ 上测得的电压有效值为U ₂ ，则

当R ₂ ωC ₁ ≫1时，则U ₂ ≈U。

测出脉动电压幅值δU后，便很容易地计算出S了。

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[1] ppm=10 ^-6 . oPIOSJxoWVP0BsTsxWvDAb1KpLcB4uGIeGbyLHRDWZUfii2okxR3Z6IfzVFKapqA