直流高压电阻分压器泄漏电流测量研究

张煌辉， 林飞鹏， 邵海明， 张钟华1,

(1. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院， 北京 100191；

1 引 言

直流高压电阻分压器是直流高电压测量和计量标准的主要设备，通常由多只高电压电阻元件串联组成的高压臂和低压臂电阻串联组成[1]。高压臂电阻阻值范围一般在106～109Ω量级，支撑高压臂电阻元件的绝缘支架阻值在1012～1015Ω量级[2]。然而，由于受到电阻元器件绝缘支架老化、尘埃污染、分压器线路结构和制作工艺等因素的影响，在对直流高压电阻分压器施加高电压时，总工作电流除了从电阻元件流过，还可能被支撑高压臂电阻元件的绝缘支架分流、被电阻元件表面分流[3，4]，因此，流入高压臂的电流和流出低压臂的电流不相等。流入与流出电流的差值称为泄漏电流[5]，它是除电阻的温度系数和电压系数外[6，7]，导致直流高压电阻分压器电压变差(分压比与工作电压的相关性)的另一个重要原因。

直流高压分压器泄漏电流的精确测量，有助于分压器在研制阶段选材、调整结构中提供理论依据，也为定量评定直流高压分压器电压变差起到重要作用。但是，由于漏电流的获得需要在分压器的高压端测量其输入电流，工作电压高达几百kV，电场强，并且高压电源存在一定的漂移等，无法简单采用商用的高精度数字电流表对分压器的泄漏电流进行精确测量[8，9]。本文提出一种基于电池供电、ZigBee技术无线数据传输的同步高精度直流电流测量方法，不仅能防止因高压电场破坏测量仪器的风险，还能有效克服高压电源的漂移对测量精度的影响，可显著改善泄漏电流测量的不确定度。

2 分压器结构和电路模型

直流高压电阻分压器高压臂局部结构见图1，它是由多只电阻元件螺旋状线路串联组成，电阻元件通过高绝缘支架固定在绝缘支柱上。高压端连接到圆盘状均压环上，以保证整个工作线路区域的电场强度均匀。

图1 分压器高压臂结构

分压器分压比的电压变差主要来源于：绝缘支架的绝缘电阻，特别是电阻随电压的非线性；高压电阻元件的温度系数和电压系数导致的阻值变化。因此，直流高压电阻分压器采用图2表示的简化电路模型。其中，RH1、RH2为高压臂电阻，rL为低压臂电阻，R3为绝缘支架的绝缘电阻(可能存在随电压的变化)。

图2 分压器电路模型

设流入高压臂电流为I1，低压臂流出电流为I2，则经过R3的泄漏电流为I3，则

I1=I2+I3

(1)

I3R3=I2RH2+I2rL

(2)

由式(1)、式(2)，分压器比例可表示为

(3)

由式(3)，如果RH1、RH2和rL的电压系数可以忽略，电流比I1/I2的电压系数将导致分压器分压比K的电压变差。

一般认为，在较低电压下，如10%～30%额定电压内，泄漏电流对分压器比例的影响基本不变，为此将分压器低电压比例值作为参考值K。随着电压增大，等效绝缘电阻R3下降，泄漏电流I3对I2占比增加，电流I1/I2值将增加，泄漏电流对分压器比例产生“正”电压变差。因此，通过测量分压器在不同工作电压下I1/I2的值，可以评价泄漏电流产生的分压器电压变差。

3 泄漏电流测量装置

泄漏电流和绝缘密切相关，在高电压分压器设计中，泄漏电流是产生比例误差的主要因素之一。如果绝缘支持材料的绝缘电阻不随电压变化，则由绝缘电阻的泄漏电流可能引起分压比误差，但不会导致分压比的电压系数。但实际情况是，材料的绝缘电阻具有显著的电压依赖性——电压越大，绝缘电阻越小，泄漏电流分流占比显著增加。

3.1 直流高压电阻分压器泄漏电流测量难点

准确地测量分压器的泄漏电流，可以为评定高压分压器的性能提供重要依据。然而，高压分压器中支持电阻元件的绝缘材料是分布安装的，无法直接测量泄漏电流。由上述分析可知，可以从宏观上等效测量分压器高、低端的电流差，或者电流比I1/I2来等效估计宏观泄漏电流。

对I1/I2的测量主要存在以下问题：(1)I1位于线路高压端，测量I1的电流表需要完全与电网隔离，如由电池供电，并具有高准确度；(2)I1、I2两值相差较小，由于直流高压源纹波和正常输出电压时出现的漂移现象将给测量结果带来重大干扰，在极端情况下，高压源的纹波和漂移甚至可能掩盖掉I1、I2两值之差。

3.2 泄漏电流测量方案

为解决泄漏电流测量的上述问题，本文提出一种基于ZigBee技术测量高压电阻分压器泄漏电流的新方法,该方法的测量原理示意图见图3。r1为测量I1时在分压器的高压端引入的采样电阻，r2为分压器低压臂电阻，r1≈r2，DVM1和DVM2分别为八位半数字电压表，电压基本量程的精度优于1×10-6。直流高压发生器的输出高压施加于被测量直流高压电阻分压器上，流过分压器的高、低端电流I1、I2通过数字电压表DVM1和DVM2测量采样电阻r1、r2上的电压V1、V2计算得到。为了克服高压源纹波和漂移对泄漏电流测量的影响，本文设法让2台数字表测量同一时段下的V1、V2，即同步测量流入直流高压电阻分压器高压臂电流I1=V1/r1和低压臂流出电流值I2=V2/r2，计算机同步处理电流测量装置测得的电流比Δ=I1/I2，Δ的值用于表征被测直流高压电阻分压器在该电压下的泄漏电流的大小。

图3 测量原理框图

为更好地得到直流高压发生器的稳定性指标，在高压发生器和标准分压器充分预热后，控制发生器输出100 kV电压，通过八位半数字电压表采样测量标准分压器(额定电压150 kV，额定分压比15002)的二次输出电压，实验数据见图4。每个电压采样点的时间间隔为7 s，一共测量30个点。从数据上分析，二次电压的相对变化小于2×10-6。由于2台无线通信装置距离PC控制端的距离不是严格地相等，以及数字表本身采集电压时，采样、积分时间不完全一致等问题，最终2台数字表获取电压V1、V2的时间间隔在ms量级。但是，在高压发生器充分预热后，可以认为高压发生器在ms量级的时间间隔中，电压波动相对变化远小于2×10-6。因此，认为这种方法得到的V1、V2值为同一时刻的电压，从而克服了高压源纹波和漂移对泄漏电流测量的影响。

图4 高压发生器短期稳定性测量实验数据

由于分压器高压臂的流入电流测量装置在高电压和强电场下工作，设计的电流测量装置如图3中的虚线框所示，由采样电阻r1、数字电压表DVM1和无线通信装置1等模块组成。其中无线通信装置的硬件原理图见图5，整个无线通信装置的电源由锂电池模块提供；数字电压表DVM1的电源通过UPS(uninterruptible power system/uninterruptible power supply， 通过逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备)提供。整个电流测量装置放置在高压分压器顶端的均压环内，避免局部尖端放电损坏测量设备。

图3中无线通信装置采用核心板+底板的模式，核心版上有S5PV210处理器、RAM、FLASH等，构成一个独立的最小系统。底板上有核心板接口、RS232接口、ZigBee接口、电源模块等。其中ZigBee无线传输模块与MCU的接口电路见图6。

图5 无线通信装置硬件结构图

图3中，无线通信装置1(在星型网中无线通信装置1即为节点1)、无线通信装置2(在星型网中无线通信装置2即为节点2)与上位机ZigBee中心节点组成星型网，上位机通过中心节点获取一次测量数据的过程示意图见图7。上位机中心节点通过广播方式发送数据读取命令，在通信正常的情况下，可以认为节点1与节点2同时接收到读取数据命令。节点1、节点2在接收到读取数据命令时，同时分别控制数字电压表DVM1、DVM2读取当前电压数据，并存储当前的采样值及采样时间。尽管中心节点接收每一次采样数据的时间不在一个点上，但对于测量某一段时间内的平均值而言，测量时间远远大于节点间距离造成的时延，因此，近似可以认为2个数字电压表达到了同步采样。

图6 ZigBee模块与MCU的接口电路

图7 读取数据过程示意图

无线通信装置1和2的程序流程见图8。装置1和2在正常启动后，程序进入到循环体，等待控制DVM1和DVM2的ZigBee信号。装置在接收到控制数字表读取数据的命令后，与数字表通信，初始化数字表，按照预设的读取次数，读取数字表测量得到的电压值并发送到上位机。

图8 无线通信装置程序流程图

4 泄漏电流测量

根据图3测量100 kV直流高压电阻分压器的泄漏电流，施加在分压器上的电压从10 kV到20、50、80、100 kV变化，分别测量各电压下的V1、V2，根据I1=V1/r1、I2=V2/r2，计算泄漏电流表征值Δ=I1/I2。 实验中，在每个测试电压下，装置1、装置2每隔2 s读取1次电压值，共读取60个点。

测量结果见图9，图中数据标签显示的值为电压上升过程中测量点Δ=I1/I2的值和标准偏差，如数据(1.000 228，0.9)是指在测试电压100 kV下，Δ=I1/I2=1.000 228，该点测量的标准偏差为0.9×10-6。

图9 分压器泄漏电流测量数据

图9测量结果表明：直流高压电阻分压器的工作电压在50 kV以下时，表征泄漏电流的输入输出电流比I1/I2随加载电压的变化小于1×10-6，与通常认为的“在较低电压下，泄漏电流对分压器比例的电压系数影响不大”的结论吻合。加载电压超过50 kV时，泄漏电流随工作电压近似二次函数显著增大，10 kV到100 kV，漏电流I1/I2值增大了0.002 0%。

通过双数字表同步触发法测量该分压器分压比的电压变差[5]，结果见表1。由表1可以看出，分压器比例减小了0.001 6%。根据式(3)，结合图9中的测量数据，可得出被测分压器的高压臂电阻元件在电压上升过程中，因电压系数和温度系数导致的阻值变化呈减小趋势，因此分压器在电压上升过程中分压比变小。

表1 双数字表同步触发法测量分压器电压变差结果

5 不确定度评定

本文提出的泄漏电流测量方法是基于ZigBee无线通信模式，通过计算机远程控制，同步测量I1和I2，克服了分压器加载电压高、高压电源纹波及飘移对测量结果的影响。实验中，采样电阻r1≈r2，且r1和r2随电压的变化远小于1×10-6，在考核泄漏电流表征值Δ=I1/I2随分压器加载电压变化时，r1、r2的变化可忽略不计。因此，分压器在不同工作电压下的泄漏电流表征值Δ=I1/I2=V1/V2。Δ的测量不确定度取决于：DVM1测量V1的不确定度uV1和DVM2测量V2的不确定度uV2。

表2 泄漏电流测量不确定度 V

6 结 论

流经支撑电阻元件的绝缘支架的泄漏电流是直流高压电阻分压器的分压比电压变差的重要原因之一。高压分压器泄漏电流的精确测量，有助于在分压器研制阶段选材、调整结构中提供数据支撑；通过减小直流高压电阻分压器泄漏电流的结构设计，或者采用等电位保护，可减小泄漏电流导致的电压变差。文中提出的基于ZigBee技术的测量直流高压电阻分压器泄漏电流的方法，采用电池供电、均压环等技术，为测量高压电流提供了安全保障；同步采集方法还能有效克服高压电源漂移的影响。实验数据表明，该方法的泄漏电流测量不确定度优于9.8×10-6V，k=2。

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