电弧电压是能够较多反映高压断路器灭弧室性能的一个参数，多年来产品设计人员一直对它很感兴趣。早在二十多年前，就有人对此进行过研究［1］。那时的测试系统是由光线示波器和低阻分压器构成的，低阻分压器影响回路的等价性，仅适用于电弧电压较高的油断路器弧压测试。而目前广泛使用的电弧电压较低的真空断路器和SF6断路器，其弧压测试工作则很少有人研究。
本文介绍一套大容量合成试验回路中高压断路器电弧电压数字化测试系统。合成试验回路是单相接地回路，适用于40．5 kV及以上高压断路器的开断试验。本文利用该测试系统对40．5～252 kV高压断路器开断短路电流的电弧电压进行了实测，得到了电弧电压波形。使用这套系统可从型式试验中收集更多有价值的信息。
2 测试系统构成
测试系统如图1所示。
传感器———300 kV （测电弧电压专用分压器对）隔离保护环节———包括限幅保护装置和隔离放大器数字式光纤信号传输系统（简称数字光纤）———分辨率12位，采样率10 MS／s
暂态记录仪———多通道，256 k内存，IEEE488接口 绘图仪———HPcolorpro CAD绘图仪
3 系统要求和特点
3．1 系统安全性
众所周知在电弧电压测试中，测试系统可能承受几百千伏的恢复电压，而该测量系统采用了数字全性至关重要。
为此，专门研究设计了一套限幅保护装置，通过与分压器的有效配合，成功地保护了测量系统的安全。该限幅保护装置有如下特点：（1）反应速度10－12s；（2）既能抑制暂态高能冲击电压（持续时间几十～几百微秒），也能抑制高能稳态持续电压（持续时间几百毫秒～几十秒）；（3）动作可靠稳定，因该测试系统必须满足工业化运行条件，因此对其可靠性与稳定性要求很高，必须作到万无一失。通过对大容量试验站几十台产品上百次的电弧电压测试，证明该装置性能良好，动作稳定可靠；（4）阻抗高，漏流少。
3．2 传感器的共模抑制比高
由于测量现场电磁干扰强（测试现场断路器的短路电流可达50 kA，电压达几百千伏），要求系统有很强的抗共模干扰能力。
电弧电压一般在几十到几百伏数量级，经传感器衰减后，只有几百毫伏，很小的共模干扰电压迭加上去都将会掩盖电弧电压波形，使幅值测试失真，且很难判定起弧点，因此弧压测试的一个重点是要将共模干扰抑制到最低。
传感器的共模抑制能力的合理性分析如下：
假设传感器参数为：
传感器1：分压比K1，输入电压Uin1，输出电压Uout1传感器2：分压比K2，输入电压Uin2，输出电压Uout2在共模电压UE作用下，Uin1＝Uin2＝UE，则有Uout1＝K1 UE，Uout2＝K2 UE。那么，不平衡输出电压ΔU＝Uout1－Uout2＝（K1－K2）UE。定义不平衡度γE＝ΔU／UE，则有γE＝K1－K2，即为两个分压比之差。
在差模电压Uin作用下，考虑共模干扰电压UE时，传感器输出分别是：Uout1＝K1（Uin／2＋UE），Uout2＝K2（（－Uin／2）＋UE）。那么，差模输出电压为：
Uout＝Uout1－Uout2＝（K1＋K2）Uin／2＋（K1－K2）UE。
设输出电压实际值为K2 Uin，则测量误差Uout－K2 Uin＝（K1－K2）Uin／2＋γEUE＝γE（Uin／2＋UE）；测量相对误差γ＝（Uout－K2 Uin）／（K2 Uin）＝γE（Uin／2＋UE）／（K2 Uin），即γ＝γE（UE／K2 Uin＋1／2 K2）。
假设UE＝6 000 V，Uin＝500 V，K2＝1／300，则γ＝γE×3750→γE＝γ/3750。讨论如下：
当γ＝3%时，γE＝8×10-6，即6KV共模电压作用下平衡电压为48mV;当γ＝2%时，γE＝5.4×10-6，即6 kV共模电压作用下不平衡电压为32 mV。 这就是说，在6 kV共模电压作用下，分压器不平衡电压如果控制在32 mV，那么它给电弧电压测试造成的误差仅为2％，这意味着分压器的设计制作技术难度很大，要求两分压器的分压比之差不超过5．4×10－6。
3．3 数字式光纤信号传输系统
由于测量现场的强电磁场，测量系统的二次部分采用了封闭在EMC外壳中的、具有全自备电源的数字式光纤，它将数据采集与光电隔离做成一体，在其前端直接将模拟量信号转换为数字量，然后将数字信号利用光纤传输到暂态记录仪中存储处理。由于采用数字式光纤，大大提高了系统抗共模干扰能力和整个测试系统的安全性。
数字光纤系统的技术参数如下：
输入 差分方式
阻抗 1 MΩ，50 pF
频带 5 MHz 3 dB
耦合方式 AC、DC或Ground
滤波 采用贝塞尔滤波
分辨率 12位
采样率 10 MS／s
内存 256 k
不准确度 ±9 LSB
非线性 ±3／4 LSB
采用三重屏蔽， 电池供电 16 h
量程 100 mV～±100 V
传输率 240 MBit／s
4 系统性能评定
（1）绝缘强度 300 kV下1 min耐压通过。
（2）共模抑制比测量
表1为共模抑制比测量结果，其中：Uin为共模输入电压，50Hz，有效值，用静电电压表测量；Uout为差模输出电压，用数字万用表测量。
（3）差模分压比测量
表2为差模分压测量结果，其中：Uin为差模输入电压，50Hz，有效值，标准交流电压源；Uout为差模输出电压，用数字万用表测量。
（4）频带宽度
表3示出了该系统的频带宽度测量值，其中：Uin为差模输入电压，50Hz，有效值，标准交流电压源；F为电压频率；Uout为差模输出电压，用数字存储示波器测量。
5 电弧电压实测
该测量系统投入试运行以来工作正常，测试了SF6断路器和真空断路器开断短路电流的电弧电压。
实例1：产品型号LW9－145／31．5，自能灭弧方式开断电流31．5 kA，所测的电弧电压波形如图2所示。
从波形上可见明显的熄弧尖峰和起弧点，由此可准确测定燃弧时间；电弧电压波形平滑，变化趋势符合电弧理论的分析［2］，从波形上可定量测定各点的电弧电压。
实例2：产品型号ZW－40．5／31．5，灭弧方式为杯状纵吹；开距20～22 mm；刚分速度1．6 m／s。所测的电弧电压波形如图3所示。
所测电弧电压同时记录短路电流波形，可以更清楚地分析电弧电压上各点状态，从波形上，可见真空电弧的起弧点、熄弧点、各点电弧电压（几十伏）以及波形上迭加的延弧干扰。
6 结论
该系统具有良好的电磁兼容性，能够定量测量断路器开断短路电流时的电弧电压，可以满足工业运行要求。
在电弧电压测试时，还可同时提供短路电流波形测试，所以电弧功率也可实时给出，为电弧研究和断路器性能分析和改善提供了直接依据，也可为其它等级的高电压、大电流场合下的测试提供参考。
参考文献
［1］ 彭文达.电弧电压的测量［J］.高压电器，1975，No.3
［2］ 张节容等，高压电器原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，1989.
