CN109003766B - 真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，目的在于解决现有水电阻分压器加工制作、安装调试、运行维修复杂以及实际操作不方便的问题。该水电阻分压器的绝缘拉筒为侧壁带孔的中空圆柱状结构，将高压电极和地电极分别设置于绝缘拉筒的两端，在地电极中部空心圆柱状凸起，并在空心圆柱状凸起的顶部设开孔，绝缘套管依次穿过空心圆柱状凸起的内腔及其顶部的开孔与中间电极密封连接；中间电极的纵截面呈“T”形结构，中间电极穿过绝缘套管的第一圆柱段伸入第二圆柱段内与绝缘套管密封连接，通过金属连接件与固体电阻连接，简化了加工制作、安装调试、运行维修以及实际操作的难度。

Description

真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及可测量脉冲高电压信号的二级分压水电阻分压器，具体涉及一种在真空环境下使用、高压臂电阻、堆栈式结构的二级分压水电阻分压器。
背景技术
脉冲功率技术在电子器件辐射效应模拟、基础物理研究、高新技术产业等领域发挥着重要作用。高电压快脉冲测量技术是其不可或缺的重要组成部分。由于测量问题的复杂性和被测信号的极端性，测量高电压快脉冲面临许多难点。快脉冲对测量系统的上升时间要求，使得测量系统在设计时必须细致考虑杂散参数和不连续性的影响。被测脉冲电压高，就要求测量系统对幅值的衰减倍数达到104量级甚至更高，该量级衰减倍数的测量系统设计和制作难度均较大。此外，快脉冲在测量过程中产生的电磁波会严重干扰衰减后的输出信号，大大降低被测信号的信噪比。
在真空环境中测量高电压快脉冲更为困难。比如脉冲功率装置的二极管电压测量系统，除了考虑上述影响因素外，还要考虑其所处真空环境带来的影响。高电压真空空间中存在一些自由电子，这容易引起一般的电阻分压器表面电子雪崩，进而导致其沿面闪络，输出电压畸变。耦合式电容分压器由于高压臂电容较小，输出电压较小，复杂的电磁环境容易对其造成严重干扰，难以获得较好的信噪比。综上所述，一般的电阻分压器和电容分压器难以满足真空环境中测量高电压快脉冲的要求，因此设计和制作可测量真空环境中高电压快脉冲的测量系统很有必要。
文献[1-3]均描述了用于脉冲电压测量的水电阻分压器，它们均为二级分压，且二级分压均依次采用水电阻长度分压和固体电阻分压。
[1]《脉冲功率系统的原理与应用》，H.Bluhm(著)，江伟华(译)。北京，清华大学出版社，2008，p173。
[2]卫兵，关永超，卿艳玲等。“一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器”，强激光与粒子束，2012，24(1)：239-241.
[3]G.C.Burdiak，S.V.Lebedev,G.N.Hall et al.Determination of theinductance of imploding wire array Z-pinches using measurements of loadvoltage.Phys.Plasmas,20,032705(2013).
文献[1-3]的水电阻分压器可用于真空中脉冲电压测量。其第一级分压均采用了堆栈结构，由倾角45°的绝缘子和均压环相间叠加组成，中间由一根实心尼龙拉筒固定。该结构可有效避免电子雪崩导致的表面闪烁问题。
文献[1]和文献[2]比较相似，二者均在低压端的尼龙拉筒处沿轴线方向开孔，再向外壁钻孔，将中间电极伸出至水溶液以引出低压臂电压。文献[3]中分压器中间电极引出更复杂：首先最接近地电极的均压环即为中间电极，其次在半径超过密封圈位置的最后一个绝缘子上垂直打孔，最后利用穿过绝缘子和接地电极的金属引线，将电压信号引至二级分压电路。文献[1-3]中，高压电极处的密封普遍采用径向密封，并且采用帽状金属结构封装突出的尼龙拉筒。这几种结构的加工制作、安装调试和运行维修均比较复杂，实际操作并不方便。
发明内容
本发明目的在于解决现有水电阻分压器加工制作、安装调试、运行维修复杂以及实际操作不方便的问题，提出一种真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器。
本发明的基本构思是：采用壁部带孔的空心尼龙圆柱拉筒，从而使得中间电极可直接安装在电解质溶液中，改进了现有方案中的实心尼龙拉筒固定结构，简化了中间电极引出的设计和降低了安装难度。同时，采用螺钉紧固的轴向密封，简化了高压电极处的密封方式。
为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，包括一级水电阻分压器和二级固体电阻分压器；其特征在于：
所述一级水电阻分压器包括高压电极、中间电极、地电极、绝缘堆栈、绝缘拉筒和绝缘套管；
所述绝缘堆栈包括多个依次交替叠置的倾角为45°的中空绝缘子和均压环，相邻均压环与中空绝缘子之间均密封连接，绝缘堆栈设于高压电极与地电极之间，其中一端的中空绝缘子与高压电极直接相连，另一端的中空绝缘子与地电极直接相连；
所述绝缘拉筒为侧壁带孔的中空圆柱状结构，
绝缘拉筒设在中空绝缘子与均压环的中心轴线上，绝缘拉筒的一端与地电极连接，另一端与高压电极连接；
所述高压电极包括堵头和压环，所述堵头塞入绝缘拉筒内并与其密封连接，压环与绝缘拉筒端部和绝缘堆栈端部的中空绝缘子均密封连接；
所述地电极包括圆筒和设在圆筒一端的凸缘，所述圆筒的顶部设有开孔，
所述圆筒的封闭端与绝缘拉筒紧密结合将地电极与绝缘拉筒固定在一起；
绝缘套管包括同轴设置的第一圆柱段和第二圆柱段，其中第二圆柱段的外径与所述圆筒的内径相适配，第一圆柱段与圆筒顶部的开孔孔径相适配；绝缘套管依次穿过圆筒的内腔及其顶部的开孔与中间电极连接；
所述中间电极的纵截面呈“T”形，安装在绝缘套管上；中间电极穿过绝缘套管的第一圆柱段伸入第二圆柱段内与绝缘套管密封连接；
所述二级固体电阻分压器包括固体电阻，所述固体电阻插入绝缘套管内与中间电极连接。
进一步地，中间电极竖直段包括同轴设置的中间段和末段；中间段与绝缘套管第一圆柱段的内径相适配，并且其外侧设有螺纹，通过螺母与中间段螺接，将中间电极与绝缘套管连接在一起。
进一步地，所述固体电阻两端分别焊接金属连接件和电缆座，其中设置金属连接件的一端插入绝缘套管内通过金属连接件与中间电极的末端连接，设置电缆座的一端通过紧固法兰与地电极连接。
进一步地，所述堵头与绝缘拉筒螺纹连接，压环和绝缘拉筒端面均设有螺纹孔，压环通过螺钉与绝缘拉筒连接。
进一步地，所述绝缘拉筒靠近高压电极的一端设有用于注水和排气的通孔。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明水电阻分压器的绝缘拉筒为侧壁带孔的中空圆柱状结构，将高压电极和地电极分别设置于绝缘拉筒的两端；在地电极的圆筒顶部设开孔，绝缘套管依次穿过圆筒的内腔及其顶部的开孔与中间电极密封连接；中间电极的纵截面呈“T”形结构，中间电极穿过绝缘套管的第一圆柱段伸入第二圆柱段内与绝缘套管密封连接，通过金属连接件与固体电阻连接，大大简化了加工制作、安装调试、运行维修以及实际操作的难度。
附图说明
图1是本发明测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器结构示意图；
图2为图1中A部位的局部放大图。
图中：1—高压电极；11—堵头；12—压环；2—中间电极；21—中间段；22—末段；23—螺母；3—地电极；31—圆筒；32—凸缘；4—绝缘堆栈；41—中空绝缘子；42—均压环；5—绝缘拉筒；51—通孔；6—绝缘套管；61—第一圆柱段；62—第二圆柱段；7—固体电阻；71—金属连接件；72—电缆座；8—紧固法兰。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1和图2，真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器整体呈圆柱同轴结构，包括一级水电阻分压器和二级固体电阻分压器；一级水电阻分压器包括高压电极1、中间电极2、地电极3、绝缘堆栈4、绝缘拉筒5和绝缘套管6；
所述绝缘堆栈4包括多个依次交替叠置的倾角为45°的中空绝缘子41和均压环42，相邻均压环42与中空绝缘子41之间均密封连接，绝缘堆栈4设于高压电极1与地电极3之间，其中一端的中空绝缘子41与高压电极1直接相连，另一端的中空绝缘子41与地电极3直接相连；
所述绝缘拉筒5为侧壁带孔的中空圆柱状结构，绝缘拉筒5设在中空绝缘子41与均压环42的中心轴线上，绝缘拉筒5的一端与地电极3连接，另一端与高压电极1连接；
所述高压电极1包括堵头11和压环12，所述堵头11塞入绝缘拉筒5内通过螺纹密封连接，压环12与绝缘拉筒5端部和绝缘堆栈4端部的中空绝缘子41密封连接；
所述地电极包括圆筒31和设在圆筒31一端的凸缘32，所述圆筒31的顶部设有开孔，所述圆筒31的封闭端与绝缘拉筒5螺纹连接，将地电极3与绝缘拉筒5紧密固定在一起；
绝缘套管6包括同轴设置的第一圆柱段61和第二圆柱段62，其中第二圆柱段62的外径与所述圆筒31的内径相适配，第一圆柱段61与圆筒31顶部的开孔孔径相适配；绝缘套管6依次穿过圆筒31的内腔及其顶部的开孔与中间电极2连接；
所述中间电极2的纵截面呈“T”形，其竖直段包括同轴设置的中间段21和末段22，中间电极2穿过绝缘套管6的第一圆柱段61伸入第二圆柱段62内；
所述二级固体电阻分压器包括固体电阻7，所述固体电阻7两端分别焊接金属连接件71和电缆座72，其中设置金属连接件71的一端插入绝缘套管6内与中间电极2连接，设置电缆座72的一端通过紧固法兰8与地电极3连接。
水电阻分压器的安装：首先将绝缘套管6的第二圆柱段62套上密封圈后依次穿过地电极圆筒31的内腔及其顶部的开孔，通过紧固法兰8与地电极3连接在一起。中间电极2穿过绝缘套管6的第一圆柱段61伸入第二圆柱段62内，中间电极2中间段21外侧设有螺纹，从绝缘套管6的第二圆柱段62内放入螺母23与中间电极2的中间段21螺纹连接，确保密封性。中间电极2末端22直径与固体电阻7安装孔大小匹配，固定电阻7一端插入绝缘套管6内通过金属连接件71与中间电极2末端22相连，另一端通过电缆座72连接同轴电缆并与示波器相连。同轴电缆与示波器之间需安装匹配电阻。
将组装好的中间电极引出结构水平固定，依次安装中空绝缘子41和均压环42组成一级分压的绝缘堆栈4，均压环42的两侧均设有密封环，安装时确保相邻中空绝缘子41与均压环42的严格密封。绝缘堆栈4安装好后，将绝缘拉筒5插入绝缘堆栈4中，通过圆筒31的外侧面与绝缘拉筒5的内侧面紧密结合将地电极3与绝缘拉筒5螺纹连接在一起；
高压电极分为两部分，包括中间的堵头11和外侧的压环12，安装好压环12上的密封圈，使压环12与绝缘拉筒5的外端面以及绝缘堆栈4最外端中空绝缘子41的端面充分压合，采用螺钉穿过压环12和绝缘拉筒5外端面的孔位将压环12固定；然后往绝缘堆栈4内部缓慢注入配好的电解质溶液，静置一段时间后，将堵头11塞入绝缘拉筒5内，采用螺钉穿过其顶部孔位完成最终密封。
水电阻分压器的绝缘材料采用聚乙烯、尼龙或有机玻璃等绝缘材料均可；本发明中绝缘材料全部采用尼龙，金属材料采用不锈钢。一级水电阻分压器的分压比约为40:1。二级固体电阻分压器高压臂电阻为13kΩ，示波器匹配电阻为50Ω，因此第二级的分压比为260:1。整个水电阻分压器的总分压比为10400:1。通过理论分析和实验测试，该分压器可响应前沿约1ns的脉冲信号，幅频响应性能优良，-3dB的高频截止频率约为1000MHz。实验结果表明，该水电阻分压器安装方便，密封性好，结构牢靠，性能稳定。
应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，包括一级水电阻分压器和二级固体电阻分压器；其特征在于：
所述一级水电阻分压器包括高压电极(1)、中间电极(2)、地电极(3)、绝缘堆栈(4)、绝缘拉筒(5)和绝缘套管(6)；
所述绝缘堆栈(4)包括多个依次交替叠置的倾角为45°的中空绝缘子(41)和均压环(42)，相邻均压环(42)与中空绝缘子(41)之间均密封连接，绝缘堆栈(4)设于高压电极(1)与地电极(3)之间，其中一端的中空绝缘子(41)与高压电极(1)直接相连，另一端的中空绝缘子(41)与地电极(3)直接相连；
所述绝缘拉筒(5)为侧壁带孔的中空圆柱状结构，
绝缘拉筒(5)设在中空绝缘子(41)与均压环(42)的中心轴线上，绝缘拉筒(5)的一端与地电极(3)连接，另一端与高压电极(1)连接；
所述高压电极(1)包括堵头(11)和压环(12)，所述堵头(11)塞入绝缘拉筒(5)内并与其密封连接，压环(12)与绝缘拉筒(5)端部和绝缘堆栈(4)端部的中空绝缘子(41)均密封连接；
所述地电极(3)包括圆筒(31)和设在圆筒(31)一端的凸缘(32)，所述圆筒(31)的顶部设有开孔，
所述圆筒(31)的封闭端与绝缘拉筒(5)紧密结合将地电极(3)与绝缘拉筒(5)固定在一起；
绝缘套管(6)包括同轴设置的第一圆柱段(61)和第二圆柱段(62)，其中第二圆柱段(62)的外径与所述圆筒(31)的内径相适配，第一圆柱段(61)与圆筒(31)顶部的开孔孔径相适配；绝缘套管(6)依次穿过圆筒(31)的内腔及其顶部的开孔与中间电极(2)连接；
所述中间电极(2)的纵截面呈“T”形，安装在绝缘套管(6)上；中间电极(2)穿过绝缘套管(6)的第一圆柱段(61)伸入第二圆柱段(62)内与绝缘套管(6)密封连接；
所述二级固体电阻分压器包括固体电阻(7)，所述固体电阻(7)插入绝缘套管(6)内与中间电极(2)连接。
2.根据权利要求1所述的真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，其特征在于：中间电极(2)竖直段包括同轴设置的中间段(21)和末段(22)；
中间段(21)与绝缘套管(6)第一圆柱段(61)的内径相适配，并且其外侧设有螺纹，通过螺母(23)与中间段(21)螺接，将中间电极(2)与绝缘套管(6)连接在一起。
3.根据权利要求2所述的真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，其特征在于：所述固体电阻(7)两端分别焊接金属连接件(71)和电缆座(72)，其中设置金属连接件(71)的一端插入绝缘套管(6)内通过金属连接件(71)与中间电极(2)的末端(22)连接，设置电缆座(72)的一端通过紧固法兰(8)与地电极(3)连接。
4.根据权利要求3所述的真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，其特征在于：所述堵头(11)与绝缘拉筒(5)螺纹连接，压环(12)和绝缘拉筒(5)端面均设有螺纹孔，压环(12)通过螺钉与绝缘拉筒(5)连接。
5.根据权利要求1-4任一所述的真空环境下测量脉冲高电压的堆栈式水电阻分压器，其特征在于：所述绝缘拉筒(5)靠近高压电极(1)的一端设有用于注水和排气的通孔(51)。
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