CN102809677B - 一种标定薄膜电容分压器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种标定薄膜电容分压器的方法，其特征在于：利用气体开关导通时前后单元的分压关系，计算出气体开关后续单元的电压，以此代替高电压的真实值来计算出分压比。在应用该方法时，由于气体开关自身电阻不可忽略，所以需要设计一个长度可调的高压电极，以此测得不同开关间隙下的分压比，从而获得开关间隙逼近零时的真实分压比。由该方法得出的分压比准确、可靠。该方法的提出解决了高压脉冲下气体开关击穿电压测量的技术难题。

Description

一种标定薄膜电容分压器的方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，特别涉及一种标定薄膜电容分压器的方法。

背景技术

典型的脉冲功率系统一般包括初始储能单元、高压充电单元、脉冲形成单元，脉冲压缩单元以及负载，其工作过程首先是由初始储能单元结合高压充电单元及脉冲形成单元产生所需要的初级脉冲波形毫秒或微秒量级，然后再利用脉冲压缩单元对脉冲进一步压缩，最终在负载上形成脉宽为一定数值的电脉冲。

脉冲功率系统一般采用气体开关作为脉冲压缩单元，气体开关的击穿电压在数百kV~MV量级，实际中普遍采用电容分压器对该电压进行测量。在设计并布防好电容分压器之后，需要对分压器进行标定。传统标定方法是通过在气体开关段引入高压探头，在高压探头与分压器上所获得波形一致的前提下通过比较两者幅度来获得分压比。该方法简单，但该方法涉及高压探头，高压探头的介入会对分压器附近的电场分布形成干扰，进而会影响所得分压比的准确度。为解决该问题，可利用气体开关放电时前后单元的分压关系来获取待测电压的真实值，进而获得分压器的分压比。具体在获得气体开关间隙取不同值时对应的分压比的前提下，采用逐渐逼近的办法，通过对不同分压比进行外插处理，来获得间隙为零时的分压比，该分压比即真实分压比。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种标定薄膜电容分压器的方法，解决气体开关击穿电压测量的问题。

一种标定薄膜电容分压器的方法，其特征在于：在气体开关后的高压单元上设有高压电极，该电极与高压单元以螺纹方式连接，通过调节螺距改变气体开关间隙；具体标定步骤如下：

步骤1：调整螺距使得高压电极与阴极球头的间隙d为气体开关4间隙的1/10~1/20，测量薄膜电容分压器上的电压U1，与脉冲形成线3的充电电压幅值一半相比U2/U1，得到分压比β₁；

步骤2：调整螺距使得高压电极与阴极球头的间隙为步骤1中间隙d的2倍，再次测量薄膜电容分压器上的电压U1’，与脉冲形成线3的充电电压幅值一半相比U2/U1’，得到分压比β₂；

步骤3：对不同间隙下的分压比进行线性拟合，得到开关间隙为零时的分压比，该分压比为薄膜电容分压器上的真实分压比。

多次重复步骤2，改变高压电极与阴极球头的间隙为步骤1间隙d的n倍，所述n为重复的次数。

本发明提出的一种标定薄膜电容分压器的方法，在气体开关后的高压单元上引入高压电极，该电极与高压单元以螺纹方式连接，通过调节螺距，可以改变气体开关间隙。在间隙取不同值的前提下获得相应的分压比，通过对分压比进行拟合并外插处理，进而获得间隙为零时的真实分压比。

本发明的优点：在不需要高压探头的介入前提下，可以获得气体开关的击穿电压，所发明方法简单，可行；根据该方法得出的结果准确。

附图说明

图1：为Tesla型脉冲功率源气体开关分压器分压比标定示意图；

图2：为Tesla型脉冲功率源放电时气体开关的等效电路图；

图3：为典型Tesla型脉冲功率源结构图；

1-，2-电容分压器，3-脉冲形成线，4-气体开关，5-脉冲传输线，6-传输线内筒。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的薄膜电容分压器的标定方法，在气体开关后的高压单元上引入高压电极，该电极与高压单元以螺纹方式连接，通过调节螺距，可以改变气体开关间隙。在间隙取不同值的前提下获得相应的分压比，通过对分压比进行拟合并外插处理，进而获得间隙为零时的真实分压比。

如图1所示，Tesla型脉冲功率源TPG700L的气体开关4两侧采取等阻抗方式设计，其脉冲形成线3与脉冲传输线5的阻抗均为40Ω。当气体开关2导通时，在忽略气体开关导通击穿电阻的情况下，脉冲传输线5上会分得形成线电压幅值的一半。

结合图2，实际上，气体开关导通时，会产生导通电阻R_s，R_s与脉冲形成线阻抗Z_PFL、传输阻抗Z_TL共同参与分压，传输线3上分配的电压可表示为V_TL：

$V_{\mathrm{TL}}=\frac{Z_{\mathrm{TL}}}{Z_{\mathrm{PFL}}+R_s+Z_{\mathrm{TL}}}{V}_0,---\left(1\right)$

其中V₀为脉冲形成线3的充电电压。在脉冲平顶，R_s与开关间隙d成正比，具体可表示为：

R_s＝C·d，            (2)

式中，C为常数，d表示开关间隙。将式2带入式1，得：

$V_{\mathrm{TL}}=\frac{Z_{\mathrm{TL}}}{Z_{\mathrm{PFL}}+C\·d+Z_{\mathrm{TL}}}{V}_0,---\left(3\right)$

设图1中主开关电容分压器的真实分压比为β₀，并且在电容分压器上测得的电压为V_test，则有：

$V_{\mathrm{test}}=\frac{V_{\mathrm{TL}}}{{\mathrm{\β}}_0},---\left(4\right)$

如果以d接近于0时的电压V₀/2代替探头上测得的真实电压，则在不同距离d下的分压比可表示为：

$\mathrm{\β}\left(d\right)=\frac{\frac{V_0}{2}}{V_{\mathrm{test}}},---\left(5\right)$

将(4)和(5)带入(3)，化简，可得：

$\mathrm{\β}\left(d\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_0}{2}[(1+\frac{Z_{\mathrm{PFL}}}{Z_{\mathrm{TL}}})+\frac{C}{Z_{\mathrm{TL}}}\·d],---\left(6\right)$

可见β(d)与d呈线性关系，进而可以进行线性拟合。特别地，对于脉冲形成线3和传输线4等阻抗设计的脉冲功率源Z_PFL=Z_TL，有β(0)＝β₀。所以可以测出不同开关间隙下的分压比β(d)，之后对数据点进行线性拟合，再令d＝0，即可计算出真实分压比。

结合图1，实际中气体开关分压器的标定可实施如下：

首先，调节高压电极的螺距，使开关间隙等于0.5mm，在该间隙下对电容分压器进行标定，得出分压比β₁。

其次，调节高压电极的螺距，使开关间隙等于1mm，在该间隙下获得分压比β₂；重复上述步骤，分别获得间隙为1.5mm，2mm，2.5mm，3mm对应的分压比β₃-β₆。

第三，将不同分压比β₁-β₆绘制于直角坐标系下，并线性拟合，如图3所示，得到分压比的表达式：

β(d)＝0.6d+10.3，            (7)

令d＝0；得到β(0)=10.3；则β(0)即电容分压器3的真实分压比β₀。

Claims (1)

1.一种标定薄膜电容分压器的方法，其特征在于：在气体开关后的高压单元上设有

高压电极，该电极与高压单元以螺纹方式连接，通过调节螺距改变气体开关间隙；

具体标定步骤如下：

步骤1：调整螺距使得高压电极与阴极球头的间隙d为气体开关(4)间隙的1/10～1/20，测量薄膜电容分压器上的电压U1，与脉冲形成线(3)的充电电压幅值一半相比U1/U2，得到分压比β₁；

步骤2：调整螺距使得高压电极与阴极球头的间隙为步骤1中间隙d的2倍，再次测量薄膜电容分压器上的电压U1’，与脉冲形成线(3)的充电电压幅值一半相比U1’/U2，得到分压比β₂；

步骤3：对不同间隙下的分压比进行线性拟合，得到开关间隙为零时的分压比，该分压比为薄膜电容分压器上的真实分压比；

多次重复步骤2，改变高压电极与阴极球头的间隙为步骤1间隙d的n倍，所述n为重复的次数。