Vitrek先進的4700高壓電錶和SmartProbes為校準高壓系統的傳統方法提供了替代方案.

 

簡介

在使用高壓測試和測量設備時,電氣和測試工程師力求獲得最精確的讀數,同時還要保持安全的工作區域.通常,他們會使用外部探頭,例如高壓分壓器,但這些儀器存在缺點,並且容易出錯.

本文介紹了一種校準高壓系統的替代方法.該先進解決方案包括Vitrek的4700高壓電錶,可直接測量高達10 kV的電壓,以及SmartProbes,可將測量範圍擴展至150 kV.本文還提供了電錶和探頭的安全注意事項,以及安全操作高壓設備的一般指導.

高壓應用

高壓應用無處不在.它們涵蓋眾多行業,包括高科技,醫療,汽車,工業製造,航空航天,研究實驗室,政府安全等等.這些應用中使用的高壓系統包括:

  • 開關設備
  • 開關
  • 電力變壓器
  • 儀器變壓器
  • 無功功率設備
  • 絕緣體
  • 控制設備
  • 繼電器面板

高壓測試和測量儀器

在設計,製造或校準實驗室中測量高壓系統對於滿足各種全球可靠性和安全標準以及製造商的保修要求至關重要.用於此校準的高壓測試和測量儀器包括:

  • 電錶
  • 分壓器
  • 電源
  • 信號源
  • 射頻功率放大器
  • 耐壓測試儀
  • 示波器

傳統方法:分壓器

圖1.典型分壓器示例

一種常用的外部探頭,用於測量更高電壓的是分壓器.它由一系列相同的精密電阻器組成.例如,一個100:1的分壓器(圖1)將允許一個最大輸入為1 kV的儀器測量高達100 kV的施加電壓.

分壓器大量精心匹配的電阻器將(理論上)消除自熱或其他以均勻方式影響電阻串的因素所引起的誤差.即便如此,仍然存在許多導致誤差和不確定性的因素:

  • 電阻器之間的電阻變化
  • 溫度係數的變化(儘管很小)
  • 電磁效應
  • 電容效應
  • 電錶輸入阻抗的變化,這使得它必須與電錶一起校準

分壓器:精度問題

分壓器網絡容易受到許多產生誤差的影響,其中包括自熱,交流測量中的電容效應和電磁效應.

分壓器與電錶的校準還需要識別不確定性來源.正如一家製造商的材料中所述:

對於高阻抗,低輸入電容類型中的最高精度,必須考慮引線中的感應電壓拾取,接觸電位,電暈,有效電容,以及與高壓源,接地平面,牆壁,外殼和負載的接近度相關的電壓梯度和電容漂移.

如果需要極高的精度,最好使用特定的儀器和特定的接近度來校準分壓器.最高的精度,特別是交流精度,是通過適當的接地平面和最大程度地清除可能導致電容變化和電暈的導電材料來實現的.如果可用,校準時將模擬用戶的接近度尺寸.

替代解決方案:VITREK 4700高壓電錶和SMARTPROBES

Vitrek的4700高壓電錶(圖2)提供的性能可與傳統高壓參考分壓器相媲美——但與使用分壓器不同,4700以高度便攜的方式提供即時,直接的高壓測量,"""緊湊而堅固的台式機箱. Vitrek的4700無需使用外部探頭即可直接精確測量高達10 kV的電壓（直接測量10m kV DC或rms AC）.

4700能夠滿足高壓規格:

  • 基本精度: 0.03% DC, 0.1%真有效值加上限制和附加值（無需量程附加值）: 最大電壓: 10 kVDC, 10 kVACRMS
  • 阻抗: 110 Mohm
  • 量程: 無
  • 本底噪聲: 30 mV
  • 頻率響應: 0.01 Hz至600 Hz
  • 偏移: 高達800 V
  • 如果使用兩個外部探頭進行差分量測

為了將高壓測量範圍從10 kV擴展到35 kV, 70 kV, 100 kV和高達150 kV, 可以將Vitrek SmartProbes（圖3）添加到4700高壓表.

與必須與儀表校準的分壓器不同, 每個SmartProbe都存儲自己的校準數據, 這些數據在插入4700高壓表時會被下載. 這會產生高度準確, 校準的讀數, 並允許任何SmartProbe與任何4700一起使用.

 

圖2. Vitrek 4700高壓電錶

圖3. 三個Vitrek SmartProbes帶有可拆卸探頭尖端.

 

高壓儀器 – 精度和安全考慮

高壓測量容易受到環境因素的影響而產生誤差, 例如附近的電容物體, 水, 灰塵和化學品. 在高電壓下, 必須考慮電磁效應. 僅僅走過測量設置就可能導致誤差. 其他誤差來源是:

  • 隨時間漂移: 一年校準週期
  • 隨溫度漂移: 距校準溫度+- 5C
  • 電容: 附近的物體, 移動的物體
  • 電暈效應: 洩漏能量的紫色輝光
  • 濕度

4700高壓表注意事項

Vitrek 4700精密高壓表操作手冊中的說明提供了在受控環境中工作的重要性:

  • 4700不應在可能發生導電污染的環境中使用（例如, 在室外環境中）.
  • 如果液體或其他導電材料進入設備外殼, 即使未通電, 也應立即停止使用並進行維修, 因為安全性可能已受到損害.
  • 如果設備在不同環境之間運輸並懷疑有冷凝, 則設備應保持斷電足夠長的時間以使冷凝消散.
  • 當存在交流電壓時, 即使連接處有足夠的絕緣, 也可能存在顯著的電容耦合, 這可能導致不安全的電流流入附近的物體, 並且即使在絕緣外部也可能發生電暈. 尖角會使這些影響惡化. 在嚴重的情況下, 電暈會干擾4700的測量, 並會隨著時間的推移降低電線絕緣的能力, 最終導致絕緣失效.

SmartProbe注意事項

4700高壓表的測量範圍可以通過使用一個或兩個（差分）SmartProbes來擴展. 用戶只需根據需要插入一個或多個（35 kV, 70 kV, 100 kV, 150 kV）SmartProbe即可.

每個SmartProbe都帶有自己的校準係數, 可以插入任何兼容的儀表. 在較高電壓下, 半徑會增加; 對於150 kV SmartProbe, 圓柱體的半徑增加到48英寸. 用戶必須確保在施加任何電壓之前將探頭插入儀表.

與任何探頭一樣, 也必須仔細遵循有關SmartProbe位置的規則. Vitrek 4700操作手冊再次提供了安全指導. 手冊對35 kV SmartProbe的探頭位置做出了以下規定:

假設在探頭主體周圍, 從手柄（或底座）延伸到探頭尖端6英寸處的半徑為18英寸的圓柱體內沒有物體, 則所有精度規格均有效. 探頭尖端的連接假定從探頭尖端沿探頭方向延伸至少6英寸.通常，一個手掌大小的接地物體在距離探頭4英吋處對60Hz的影響小於0.01%，在距離探頭18英吋處對400Hz的影響小於0.1%。只要物體相對於探頭不移動，附近物體對直流測量造成的影響可以忽略不計。產生磁場的物體可能需要放置在比這些數字更遠的地方。

 

手持探頭注意事項

大多數高壓電錶能夠使用手持探頭直接測量高達1kV的電壓。(如前所述，像Vitrek 4700這樣的高級電錶可以測量高達10 kV的電壓。)考慮到危險潛力，使用此類手持探頭附帶嚴重的警告，例如Vitrek 4700操作手冊中發現的警告：

警告 – 電錶在直接端子處測量高達10kVrms的電壓。這些電壓可能導致嚴重傷害或死亡。用戶必須確保與這些端子的連接具有足夠的絕緣以應對這些電壓。即使存在足夠的絕緣，在高電壓存在時，用戶也不應將身體的任何部分靠近連接處（建議每kV至少1英吋）。

在高電壓存在時，用戶不應插入或移除與4700的任何連接。

警告 – 在未正確插入電錶的情況下，請勿對探頭施加高電壓。

安全使用高壓儀器

圖4. 高壓設備測試的圍欄工作區示例

使用高壓測試和測量設備時的主要目標是避免電流通過心臟或大腦。根據IEC 61010標準，任何超過30V的電壓都是危險的。

校準高壓儀器時，建議設置安全屏障，例如圖4所示的圍欄工作區。這是一個重要的安全預防措施，因為電容耦合可能在三到四英尺遠的地方產生電弧。

此外，應遵循以下步驟：

圖5. 高壓測試安全工作站設置示例。

  • 為所有設備建立適當的接地
  • 確保所有高壓區域周圍有足夠的間隙，以避免意外閃絡
  • 為任何未經培訓的人員設置屏障或指示，以避免潛在的事故
  • 在進行物理調整之前，確保電壓已放電至安全水平
  • 確保遵循所有製造商的額定值和建議

工作站和外殼

當測試工程師設置工作站時，最好使用腳踏或手動的遠程啟動開關。例如，他們可以使用連接到聯鎖裝置的兩個手掌開關，以使雙手遠離帶電電路（圖5）。他們還應該：

  • 在地面上和可能的工作台上使用橡膠墊
  • 如果靠近帶電電路，將一隻手放在口袋裡或背後。
  • 取下任何導電首飾
  • 張貼安全標誌

使用高壓設備時，強烈建議測試操作員使用安全外殼（圖6）。由於外殼接地，因此提供了安全性。使用外殼時，測試工程師應：

  • 盡可能使用聯鎖測試夾具
  • 將被測設備（DUT）放入外殼內
  • 測試時始終保持在外殼外部
  • 定期測試外殼上的接地並檢查從測試儀進入外殼的高壓接線
  • 使用高壓警告燈

圖6. 高壓測試外殼示例

結論

使用測試和測量儀器進行高壓測量需要考慮，以確保測量準確以及設備周圍人員的安全。與使用傳統分壓器相比，測試操作員可以通過使用Vitrek的4700高壓電錶和SmartProbes來提高安全性和準確性。