CN103513081A

CN103513081A - 一种高精度快响应的电阻型冲击分压器

Info

Publication number: CN103513081A
Application number: CN201210391671.6A
Authority: CN
Inventors: 潘洋; 徐真; 傅正财; 来磊; 石雷兵
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: CN103513081B

Abstract

一种高精度快响应的电阻型冲击分压器，其特征在于包括：双环状高压屏蔽电极、绝缘筒、上法兰、下法兰、高压臂电阻、高低压臂连接线、低压臂电阻、匹配电阻、低压臂屏蔽盒，具有结构简单、稳定性好、方波响应快、测量准确度高等优点，适用于us级乃至亚ns级的冲击高电压的测量。本发明电阻型冲击分压器的高、低压臂电阻温度系数很低，受温度变化影响小，稳定性好；并将高压臂电阻高置以减小高压臂电阻对地的杂散电容，并通过双环状高压屏蔽电极来增大高压臂电阻对高压侧的杂散电容，从而有效减少分压器的方波响应时间，提高测量准确度。同时，该分压器双环状高压屏蔽电极经过模拟计算采用最优的曲率半径及尺寸大小，减少了高压屏蔽电极自身对地的杂散电容，并杜绝了发生电晕放电的可能，从而进一步提高测量准确度。

Description

一种高精度快响应的电阻型冲击分压器

技术领域

本发明涉及冲击分压器，具体涉及一种高精度快响应的电阻型冲击分压器，适用于亚纳秒级至微秒级冲击高电压的精确测量。

背景技术

在电力传输、电子技术、大功率微波和激光等高科技领域科研中，冲击高电压的使用日益普遍。电阻型冲击分压器是一种用于精确测量冲击高压的装置，其能够将冲击高电压按照一定比例缩小，以进行测量。由于冲击高压电场的存在，电阻体与屏蔽电极之间以及自身各部分之间都存在着杂散电容，这些杂散电容的存在，会增大分压器的方波响应时间，从而造成较大的测量误差。

现有技术中要减少这类误差，提高测量准确度主要有以下几种方法：

第一种方法：减小高压臂电阻值，以较大的阻性电流来减弱空间杂散电容电流所占的比例，从而减小空间杂散电容造成的测量误差。这种方法加大了分压器的消耗功率，使电阻体发热增加，加大了电阻体因温度变化引起的测量误差。

第二种方法：纵补偿法，通过加大高压臂电阻的纵电容以减少对地杂散电容的影响。这种方法要使纵电容比对地杂散电容大很多才能取得较好的补偿效果。

第三种方法：电位补偿法，在分压器电阻外面加装一层屏蔽用的电阻，形成一个同轴圆柱体，两个电阻上下端均相连。对地的杂散电容电流主要流经外层，故外层对地的电位分布是不均匀的。但内、外层之间对应部分的电位差比较小，故流经内层电阻的电容电流减少了，使得内层电阻的电位分布比较均匀。如专利【高值电阻、基于该高值电阻的分压器】（申请号：200810112653.3）提供了一种采用电阻膜作为屏蔽层的分压器方案。这种方法，屏蔽层电阻体增加了额外功率消耗，会使内层电阻的发热增加，加大了电阻体因温度变化引起的测量误差。

第四种方法：横补偿法，在分压器的顶端增加较大的高压屏蔽电极，用高压电极与高压臂电阻之间的杂散电容来平衡高压臂电阻对地的杂散电容。常见的电极形状如图1所示，有工字形和锥形等。只有当电极直径至少等于分压器高度时，以上电极才会产生比较理想的补偿效果，而此时分压器的高压屏蔽电极对地杂散电容也会增大，从而增大分压器的方波响应时间，增大测量误差。

除了上述传统方式外，还有一些比较新颖的电极结构。专利【高压脉冲电阻分压器】（申请：200510094137.9）提供了一种具有套筒电极的分压器结构。该分压器用套筒电极来收集原来的高压臂对地杂散电容电流，并将此电流补偿到低压臂中区，从而减小了杂散电容的影响。该分压器通过调节套筒电极的长度来达到电容电流的最佳补偿，但由于套筒电极同时会增大空间脉冲电磁场对低压臂的干扰，降低了低压臂的屏蔽效果，从而影响测量的准确度。实际过程应用中，低压臂的影响甚至会比高压臂的影响更剧烈。专利【一种高阻抗宽频带高压分压器的电极结构】（申请号：201010034005.8）提供了一种由圆筒电极经倾斜切割而成的三角圆筒形结构，其通过高压侧屏蔽电极与低压侧屏蔽电极相对于高压臂电阻的特殊空间关系而获得杂散电容影响相互抵消的效果，可以提高分压器的测量准确度。但该分压器的高、低压屏蔽电极形状在脉冲高电压下极易产生电晕放电，从而影响测量准确度。

经对现有技术的检索未见类似的电阻型冲击分压器公开或使用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高精度快响应的电阻型冲击分压器，该分压器将高压臂电阻高置以减小高压臂电阻对地的杂散电容，并通过双环状高压屏蔽电极来增大高压臂电阻对高压侧的杂散电容，从而有效减少分压器的方波响应时间，提高测量准确度。同时，该分压器双环状高压屏蔽电极经过模拟计算采用最优的曲率半径及尺寸大小，减少了高压屏蔽电极对地的杂散电容，并杜绝了发生电晕放电的可能，从而提高测量准确度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高精度快响应的电阻型冲击分压器，其特征在于，包括双环状高压屏蔽电极、绝缘筒、上法兰、下法兰、高压臂电阻、高低压臂连接线、低压臂电阻、匹配电阻和低压臂屏蔽盒，上述部件的连接关系如下：

所述的双环状高压屏蔽电极紧贴绝缘筒外壁并套于其上半部，绝缘筒的两端分别设有上法兰和下法兰，绝缘筒内设有高压臂电阻，高压臂电阻的一端固定在上法兰下方，高压臂电阻的另一端与高低压臂连接线连接，低压臂屏蔽盒固定于下法兰下方，将低压臂电阻和匹配电阻完全屏蔽起来，所述的高低压臂连接线通过低压臂屏蔽盒上部的输入电缆接口分别与所述的低压臂电阻和匹配电阻相连，低压臂电阻7的另一端与低压臂屏蔽盒内侧盒壁连接，匹配电阻的另一端通过低压臂屏蔽盒下部的输出电缆接口输出信号。

所述的绝缘筒是一环氧树脂制成的空心管。

所述的双环状高压屏蔽电极包括两个内径大小相同的上环和下环，上环曲率半径较小，下环的曲率半径较大。

所述的上环中间还设有十字金属支架。

所述的上环与下环之间通过四根铝棒连接。

所述的高压臂电阻是一种精密线绕电阻，采用温度系数<5ppm的卡玛丝电阻丝、双线单层反绕方式在板型绝缘骨架上绕制而成。

所述的低压臂电阻和匹配电阻分别是由多个温度系数<5ppm（百万分之一）的金属膜电阻并联而成。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1、能有效减小高压臂电阻对地杂散电容的影响，从而减少分压器的方波响应时间，提高了测量准确度。

2、能有效减小高压屏蔽电极自身的对地杂散电容，从而减少分压器的方波响应时间，提高了测量准确度。

3、通过调节高压屏蔽电极双环之间的距离，可以改变分压器的方波响应过冲量，从而改变上升沿，以满足不同测量的需要。

4、双环状高压屏蔽电极相比传统的高压屏蔽电极补偿效果更好，尺寸更小。

5、结构简单易行。

附图说明

图1是常见分压器的电极结构。

其中，（a）工字形，（b）锥形。

图2是本发明高精度快响应的电阻型冲击分压器的结构示意图。

其中，1-双环状高压屏蔽电极，2-绝缘筒，3-上法兰，4-下法兰，5-高压臂电阻，6-高低压臂连接线，7-低压臂电阻，8-匹配电阻，9-低压臂屏蔽盒。

图3是测定本发明电阻型冲击分压器方波响应的试验回路图。

其中L=2.0m，H=h=1.2m，低压测量电缆长约20m。

图4是方波源的波形图。

图5是本发明高精度快响应电阻型冲击分压器的方波响应波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步的说明。

图2是本发明高精度快响应电阻型冲击分压器的结构示意图，如图所示，一种高精度快响应的电阻型冲击分压器。该分压器的额定电压为300kV，主要包括双环状高压屏蔽电极1、绝缘筒2、上法兰3、下法兰4、高压臂电阻5、高低压臂连接线6、低压臂电阻7、匹配电阻8和低压臂屏蔽盒9。绝缘筒2是一种环氧树脂制成的空心管，外径为100mm，壁厚为5mm，长度为900mm。上法兰3和下法兰4均为厚度为10mm的铝制圆板，固定于绝缘筒2的上下两端，分别用来固定高压臂电阻和低压臂屏蔽盒。双环状高压屏蔽电极1为铝制，上环截面直径为50mm，下环截面直径为80mm，两环环内径都为100mm。上、下环之间由4根细铝棒相连，中心距为235mm，两环内径大小正好套在绝缘筒外，紧贴绝缘筒外壁，上环中间有十字金属支架固定于绝缘筒顶部。通过调节两环之间的距离从而可以改变分压器的方波响应波形。高压臂电阻5是一种精密线绕电阻，采用温度系数<5ppm的卡玛丝电阻丝采用双线单层反绕方式在板型绝缘骨架上绕制而成，阻值为5.1437kΩ，其剩余电感非常小，且阻值非常稳定。高低压臂连接线6是铜导线，其一端连接于高压臂电阻5，另一端通过电缆接口连接于低压臂屏蔽盒9内低压臂电阻7和匹配电阻8。低压臂屏蔽盒9固定于下法兰4下方，将低压臂电阻7和匹配电阻8完全屏蔽起来，低压臂电阻7和匹配电阻8有一端相连并通过低压臂屏蔽盒9上的输入电缆接口与高低压臂连接线6相连，低压臂电阻7的另一端与于低压臂屏蔽盒9内侧盒壁相连，匹配电阻8的另一端通过低压臂屏蔽盒9的输出电缆接口输出信号。低压臂电阻7由24个阻值为120Ω、温度系数<5ppm、精度为0.5‰的金属膜电阻并联而成，其剩余电感非常小，且阻值非常稳定。匹配电阻8由2个阻值为140Ω、温度系数<5ppm、精度为0.5‰的金属膜电阻并联而成，其剩余电感非常小，且阻值非常稳定。匹配电阻8和低压臂电阻7之和正好匹配输出信号所接的同轴高频信号电缆的波阻抗75Ω。

图3是测定本发明电阻型冲击分压器方波响应的试验回路图，其中L=2.0m，H=h=1.2m，低压测量电缆长约20m。

图4是方波源的波形图。

图5是本发明电阻型冲击分压器的方波响应波形图，该分压器部分响应时间T_α=3.9ns，过冲β=21%。

考虑到方波源自身的上升时间以及低压测量电缆长度的影响，该分压器的响应时间还会减少。

因此，本发明电阻型冲击分压器效果良好，能有效减小杂散电容的影响，从而减少分压器的方波响应时间，提高了测量准确度。还可通过调节高压屏蔽电极双环之间的距离，改变分压器的方波响应过冲量，从而改变上升沿，以满足不同测量的需要。经试验表明，本发明电阻型冲击分压器，方波响应时间小于4ns，测量范围可达300kV，与现有国内类似分压器相比结构更简单性能更好。

以上是对本发明的一个实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种高精度快响应的电阻型冲击分压器，其特征在于，包括双环状高压屏蔽电极（1）、绝缘筒（2）、上法兰（3）、下法兰（4）、高压臂电阻（5）、高低压臂连接线（6）、低压臂电阻（7）、匹配电阻（8）和低压臂屏蔽盒（9），上述部件的连接关系如下：

所述的双环状高压屏蔽电极（1）紧贴绝缘筒（2）外壁并套于其上半部，绝缘筒（2）的两端分别设有上法兰（3）和下法兰（4），绝缘筒（2）内设有高压臂电阻（5），高压臂电阻（5）的一端固定在上法兰（3）下方，高压臂电阻（5）的另一端与高低压臂连接线（6）连接，低压臂屏蔽盒（9）固定于下法兰（4）下方，将低压臂电阻（7）和匹配电阻（8）完全屏蔽起来，所述的高低压臂连接线（6）通过低压臂屏蔽盒（9）上部的输入电缆接口分别与所述的低压臂电阻（7）和匹配电阻（8）相连，低压臂电阻（7）的另一端与低压臂屏蔽盒（9）内侧盒壁连接，匹配电阻（8）的另一端通过低压臂屏蔽盒（9）下部的输出电缆接口输出信号。

2.根据权利要求1所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的绝缘筒（2）是一环氧树脂制成的空心管。

3.根据权利要求1所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的双环状高压屏蔽电极包括两个内径大小相同的上环和下环，上环曲率半径比下环的曲率半径小。

4.根据权利要求3所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的上环中间还设有十字金属支架。

5.根据权利要求3或4所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的上环与下环之间通过四根铝棒连接。

6.根据权利要求1所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的高压臂电阻是一种精密线绕电阻，采用温度系数<5ppm的卡玛丝电阻丝、双线单层反绕方式在板型绝缘骨架上绕制而成。

7.根据权利要求1所述的电阻型冲击分压器，其特征在于，所述的低压臂电阻和匹配电阻分别是由多个温度系数<5ppm（百万分之一）的金属膜电阻并联而成。