高电压大电流测量技术课件

2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院1第六章高电压大电流测量技术高电压的直接测量高电压、大电流的衰减测量采用霍尔传感器的高压大电流测量

——任意波形的测量2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院2一.高电压的直接测量1.球隙测量球隙可用于交流、直流和冲击电压幅值的测量。球隙击穿电压按照国际电工委员会的球隙放电电压表来确定。球隙连接回路有两种：对称回路和不对称回路。空气间隙的击穿决定于施加电压的幅值，所以测量火花间隙就能够测量电压的幅值。任何形式的电极之间空气间隙的长度都可以用来量度引起间隙击穿的电压。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院3在球隙对称连接的情况下，对于所有的电压形式和极性，击穿电压都是一样的不对称连接时，极性效应发挥作用，但只对冲击电压需要考虑，而直流电压下，由于测量误差大，击穿电压的分散性超过了极性效应引起的差别，因此不考虑。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院4在测50Hz及直流电压时，球隙要串接一个保护电阻R，以限制放电时实验设备的过电压和短路电流，并防止球表面被电弧烧坏。电阻值为1~10欧/伏。用球隙测量50Hz和直流电压的缺点：不能在测试中对电压的变化进行观察。并且在每次击穿之后都必须切断实验设备。所以在这种情况下，球隙主要用来绘制高压设备的校正曲线，以及在淋雨实验时测量电压。击穿电压服从统计规律，在几次测量同一个电压时，所得的结果有分散性。因为这个缘故，测量不应少于三次，剔除偶然很大的偏差，取读数的算术平均值作为被测值。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院5电极在电场力作用下移动的仪表称为静电仪表。由电工理论知道，处于电位差下的两个电极相互作用的机械力一般由下式确定：2.高压静电电压表由上式可知，如果电容C可以相当准确地计算，力fx可以准确地测量，则直流电压或交流电压的有效值就可以测量。满足上述前提条件的电压表称为绝对型静电电压表。fx:在ＸＣ方向上作用的力C:电极间的电容2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院6绝对型静电电压表2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院7绝对型静电电压表是一种在电压测量之前被平衡的天平。在接地平衡杆４的Ａ端悬挂着平板电极（圆盘）2。由于静电力fx的相互作用，这个圆盘被处于被测电压U下的不动圆盘１所吸引。由于有保护环３包围着圆盘２，从而消除了其周围边的边缘效应，所以圆盘１和２之间的电场是严格均匀的，电极间的电容可按公式准确计算。用小砝码５使天平平衡，由此就确定了力fx。平衡位置由接点系统６及小灯泡７和８来监视。绝对型静电电压表用来测量300～400kV的电压，为了减小尺寸，通常把它们放在高气压的容器里。电压表的测量误差为0.01~0.4%。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院83.高压电子示波器电子示波器是研究高压回路中稳定和过渡过程时不可缺少的仪器。当研究过电压和游离现象、在冲击试验时，都广泛使用了电子示波器。采用周期性的激励，就可以在这种示波器的荧光屏上得到所研究的静止的扫描波形。冲击电压的示波是相当复杂的一项工作，因为这时必须保证在电子射线沿示波器屏单次和非常快的移动时把过程记录下来，并且必须使示波器的所有单元与被研究的现象同步动作。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院9示波器的方框图2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院10二、高电压、大电流的衰减测量采用电阻、电感、电容的高电压衰减测量方法采用采样电阻（分流器）的大电流衰减测量方法采用交流互感器的电压、电流衰减测量方法采用LEM传感器的衰减测量方法2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院111.采用电阻、电感、电容的电压衰减测量方案⑴电阻分压网络优点：可以不失真地测量电压缺点：分压网络存在功耗⑵电感分压网络优点：对不同的频率具有选择作用、功耗较小缺点：波形失真——幅值、相位⑶电容分压网络优点：对不同的频率具有选择作用、功耗较小缺点：波形失真——幅值、相位

测量电路无法与被测电路实现电气隔离2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院122.采用采样电阻（分流器）的大电流衰减方法

优点：可以不失真地测量电流

需要解决的问题：采样电阻的温度系数要小、且稳定采样基准电位的选择分流器的参数选择——25~100mV输出

缺点：测量电路无法与被测电路实现电气隔离2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院13分流器即电流比率仪器，有时也指电流电压转换器。实际上是一个阻值已知的电阻，串联在待测电流的回路中，将电流转换为便于测量的电压信号。主要参数是电阻值，通常也以额定电流及输出电压表示，例如：1000A/75mVshunt2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院14电阻分压、分流方案在功率测量中的应用

——电能表（瓦特表）的原理2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院153.采用交流互感器的电压、电流衰减方法⑴电流互感器——CT

用途：工业用电领域交流大电流的测量，例如400A:5A特点：稳定性好，准确度较高结构：与普通变压器相似，原副边两组绕组，但原边匝数很少且串联在回路中

在理想情况下，如果忽略激磁电流，则原副绕组的磁通势是平衡的，即：

I1W1=I2W2

所以根据副边电路仪表的读便可以确定原边电流2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院16扩大仪表量程隔离测量仪表与被测电路没有电的直接联系，保证人员安全在现代磁性材料和工艺条件下，可以制作误差不超过10-4的电流互感器交流电流互感器的作用副绕组一端必须接地，以防止原、副边之间击穿而引起事故在使用时决不允许副边开路，否则副边电流为零而失去“去磁”作用，导致铁心中的激励磁通很大，在副绕组两端感应出危及人生安全的高电压注意事项2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院17电流互感器的外观2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院18⑵电压互感器——PT原理：变压器的原理，例如：10kV100V使用注意事项:副边绕组不允许短路

电流、电压互感器只适用于特定频率的电流、电压测量2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院192026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院20三.采用LEM传感器的测量方案

——任意波形的高压大电流测量霍尔效应如图所示，在一个N型半导体薄片（霍尔元件）相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体两侧面会产生一个大小与控制电流I

和磁场B乘积成正比的电势UH。即这一现象称为霍尔效应，UH称为做霍尔电势，KH

称为灵敏度系数。当I一定时，UH正比于B。2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院211.开环式霍尔电流传感器的原理被测电流经由原边线圈及聚磁环而产生磁场B霍尔元件通过恒定的已知电流IC由B和IC产生霍尔电势UH当B正比于被测电流IP时，UH将正比于被测电流IP对于电压传感器，需要先将被测电压转换为电流2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院22开环式霍尔电流传感器的局限性几个问题磁路会不会饱和？

——测量范围问题磁路是否线性？

——线性度问题恒流源的精度如何？能否实现？

——精度问题外界因素有无影响？能否消除？

——温度、外磁场影响结论：该测量方案存在一定的局限性2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院23一、结构组成

1．原边线圈

次边线圈

2．聚磁环

3．霍尔元件

4．恒流源

5．电压放大器

PI调节器

6．推挽输出级2.闭环式霍尔电流传感器的原理改动不大呀！怎么能解决前面所说的所有的技术难点呢？2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院24电路结构2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院25二、工作原理

霍尔器件的输出电压考虑次边电流的负反馈控制后，工作流程可表示为

如果次边电流是独立的，就不能解决任何问题！那么，次边电流是如何控制的呢？

2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院26二、工作原理（续）上述控制流程也可以用控制框图表示这是一个带有PI调节器的负反馈系统系统调节的最后结果是PI调节器的输入等于0，也就是霍尔元件的输出电压等于0所以，测量采样电阻RM两端的电压UO可求出IS，再求IP问题解决了！2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院27三、几点分析被测电流所在的系统与测量系统没有电路的直接连接

——电气上隔离PI调节完成时，磁路中的磁通很小（近似为0），所以即使磁路的尺寸很小也不易饱和——磁平衡式电流传感器

一般能保证工作在磁路的线性区

——即使磁路非线性，其影响也不大

原边线圈、次边线圈都经过相同的磁路，因而温度、磁路的变化的影响能够相互抵消——抗非测量因素影响能力强

恒流源的输出电流对原、副边的影响是相同的，因此对该电流源的精度要求不高

——抗非测量因素影响能力强

这个传感器方案太好啦！2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院28四、特点原、副边电气隔离线性好、精度高动态性能好，可测任意波形的电流（DC~几

kHz）稳态时，磁通Φ=0，因而不会发生磁路饱和体积小，价格较低外界因素对其性能的影响很小2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院29五、霍尔式电压传感器的工作原理基本思路：把待测电压转换为待测电流，然后采用霍尔电流传感器的方法测出该电流，换算出电压。

理解了霍尔电流电流传感器的原理，霍尔电压传感器的原理就很好理解了。——如何转换呢？

用电阻！问题是不是解决了？是不是不用研制霍尔电压传感器，直接用霍尔电流传感器代替就可以了？

2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院30霍尔电压传感器——特殊点简单地用霍尔电流传感器测电压的方案行不通因为霍尔电流传感器是为了测量很大的电流而设计的，因此它的原边线圈匝数很小，甚至是单匝线圈；要是直接用霍尔电流传感器测电压，势必也要在原边产生很大的电流才行。

——这显然是不经济的，功耗太大必须设计专门的霍尔电压传感器

在设计霍尔电压传感器时，希望原边只输入很小的电流。为保持很高的灵敏度系数，采用增加原边线圈匝数的办法。

特点：时间延迟比较大，几十~100微秒2026/8/22电子测量——北京交通大学电气工程学院31六、霍尔传感器的选用电