CN1967265A - 高精密高压分压器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力测量技术领域，具有为一种高精密高压分压器。该高压分压器由金属球冠、内外筒体、高阻值电阻R₁、低阻值电阻R₂、温度传感器和温度反馈控制器等组合构成。内筒中填充耐高压的六氟化硫气体，内、外筒之间有间隙，供空气流通，并通过温度反馈控制器调节流通空气温度，以保证温度稳定；本发明还通过对高阻值电阻和低阻值电阻的温度系数和电压系统的遴选和控制，以减少分压比的误差。本发明大大提高了对高电压的测量精度。

Description

高精密高压分压器

技术领域

本发明属于电力测量技术领域，具体涉及一种高压分压器。

背景技术

高电压(1千伏以上)在电力传输、电子技术、加速器相关的科研中使用日益普遍。在很多情况下，比如测量高电荷态离子双电子复合共振能量时，人们需要精确的知道高电压值。对于超过1千伏的高压，直接测量往往会造成测量仪器的损坏，目前人们使用的精密高压分压器对高压进行分压后测量，绝对精度都在1％左右，远远不能满足科研的要求。其中主要原因是无法解决电阻的温度系数和电压系数带来的误差。

发明内容

本发明目的在于提出一种能实现高精度测量的高压分压器，其精度可达到高于百万分之一(1ppm)。

本实用新型提出的高精密高压分压器，其原理如附图1所示，高电压U加在串联的电阻R₁和R₂上，那么R₂两端的电压U_out可以表达为

                U_out＝UR₂/(R₁+R₂)

R₂/(R₁+R₂)称为分压比，通过分压可以由测量低电压来测量高电压。可是R₁和R₂的阻值是随着温度和电压变化的，称为温度系数和电压系数。为了减少温度系数带来的误差，以及对电压系数进行修正，本发明采用了新的设计，结构如图2所示。该高压分压器由金属球冠1、内筒2、外筒13、高阻值电阻R₁、低阻值电阻R₂、滤波电容5、信号输出BNC接口6、内筒温度传器4、外筒温度传感器10、加热电阻8和温度反馈控器9经电路连接组成，其中，内筒2设置于外筒13中，内筒与外筒之间由挡板3固定；内筒与外筒之间有间隙，挡板3下端部开有圆孔14，挡板3下端圆孔14外安装有风扇7，在风扇7的作用下，使空气在内筒和外筒之间循环流通；金属球冠1设置于外筒13的顶部，用于连接待测高压端，高阻值电阻R₁和低阻值电阻R₂串联，并设置于内筒中，高阻值电阻R₁上部与金属球冠1连接，低阻值电阻R₂下部接地；加热电阻8设置于外筒3内侧下部、内筒外侧底部下面；温度反馈控制器9通过外筒温度传感器10测量到的温度控制加热电阻8的加热功率，温度反馈控制器9采用PID控制(比例、积分、微分控制)；滤波电容5和信号输出BNC接口6连接在低阻值电阻R₂的两端。

本发明中，内筒2内可以填充耐高压的六氟化硫气体，以提高放电电压阈值。高阻值电阻R₁、低阻值电阻R₂可分别由高阻值的电阻串和低阻值的电阻串组成，电阻串的电阻个数和阻值由具体的设计要求确定。连接R₁和R₂的焊点需经过打磨光滑处理，以避免尖端放电。

为了进一步减小温度带来的分压比误差，本发明采用高精密金属模电阻来组成R₁和R₂，另外利用恒温箱测量所有电阻的温度系数，对电阻进行遴选，选出的所有电阻温度系数小于50ppm/℃。当R₁＞＞R₂时，分压比的温度系数等于R₁和R₂的温度系数之差，利用这个原则，本发明把高阻值电阻和低阻值电阻进行匹配，使分压比的温度系数达到最小(绝对值小于10ppm/℃)。对于电压系数，我们利用Keithley公司的6位电压表MODEL2701和MODEL2000在0～1100伏范围内测量了各个电阻的阻值随着电压的变化，利用已知电磁理论和量子理论公式进行拟合，得出拟合参数，对分压比作出修正。为了让电阻更加稳定，加长校刻周期，所有电阻都经过长时间在不同电压和不同温度条件下的老化。

本发明的工作过程如下：

将待测高压端接在金属球冠1的铜质接线柱上，将加热电阻8、温度传感器4和10、接地端按照图2所示连接，并把信号输出BNC接口接在万用表上(6位或者更高精度)。设定工作温度高于周围环境温度3～10℃，当温度低于设定温度的时候，控制器就驱动电源对加热电阻加热，然后调节温度控制系统的PID参数，使温度浮动达到最小。然后对测量得到的电压值用拟合得到的电压系数公式进行修正。

跟其他分压器相比，本分压器解决了温度系数和电压系数带来的影响，使测量精度达到1ppm以上，精度提高了几个量级。

附图说明

图1为分压器原理图。

图2为分压器结构图(轴向剖示)。

图3为分压器的内外筒结构图示。

图4为挡板结构图示。

图5为产品DV36温度浮动测试结果。

图6为产品DV36的R₁平均单个电阻电压系数修正曲线。

图中标号：1为金属球冠，2为内筒，3为挡板，4为内筒温度传感器，5为滤波电容，6为信号输出BNC接口，7为风扇，8为加热电阻，9为温度反馈控制器，10为外筒温度传感器，11为空气，12为六氟化硫气体，13为外筒，14为挡板下端的洞孔。

具体实施方式

下面通过一个实施例进一步描述本发明。根据图2所示。金属球冠1用密封螺纹固定在外筒13的顶盖上，其主要目的是避免尖端放电。内筒2和外筒13分别为有机玻璃，双层结构能够保持温度的恒定，内筒和外筒的顶盖之间有25mm的间隔，用于空气流通，保持温度均匀。内筒2和外筒13之间用挡板3固定，挡板3底端打有圆孔14，见图3，风扇7固定在挡板下端部，圆孔14处。内筒温度传感器4采用热敏电阻温度传感器，型号PT100，它通过硬质导线固定在内筒中部靠近挡板面的方向，和内筒壁有2mm的间隔。滤波电容5的主要作用是滤去输出信号中的噪音。滤波电容5和信号输出BNC接口6分别连接在低阻值电阻R₂的两端。加热电阻8通过铜质散热片固定在底板上。外筒温度传感器10采用热敏电阻温度传感器，型号为PT100，传感器10的信号反馈给温度控制器9来控制加热功率，调节控制器的PID(比例积分微分)参数使内外筒夹层间的空气温度浮动小于0.1℃，内筒工作气体温度浮动小于0.03℃。空气11通过风扇7的驱动在内筒和外筒间循环。内筒2内填充耐高压的六氟化硫气体12，可以提高放电电压阈值。R₁和R₂分别为串联的高阻值和低阻值电阻，电阻的个数和阻值由具体设计要求决定。连接R₁和R₂的焊点经过打磨光滑处理，避免尖端放电。

该分压器为MODEL-DV36，下面以此为例来说明分压器的工作过程。

此分压器量程为36千伏，工作温度31℃，1000V条件下分压比等于7433.29，10天内电压系数修正后误差小于1ppm。DV36的R₁由深圳意杰公司提供的12个500MΩ的金属厚膜电阻(SGT52)串联组成，R₂由3个400kΩ金属膜电阻(SGT39)组成，每两个电阻间的间距为20mm。金属球直径30mm，内筒内径70mm，外径8mm，外筒内径120mm，外径130mm，内外筒均使用有机玻璃材质。温度控制器采用台达DTA4848型号，温度控制采用PID控制。滤波电容5电阻大于5GΩ，信号输出测量采用Keithley万用表(MODEL2701)。下面是内筒温度浮动测试和电压系数修正测试结果：

温度浮动范围测试结果如图5。此温度是放置在内筒的温度传感器的测试结果，测量时间为11小时，在此期间室内温度由空调调节，温度浮动为22～25℃。从图中可以看出绝大部分温度测量值都落在31±0.025℃范围内，对应于分压比的浮动为0.25ppm(10ppm/℃×0.025℃)。

R₁电压系数测试结果如图6。此电压系数为组成R₁的SGT52电阻并联得到的总电阻随电压的变化关系(以31℃，100伏条件下电阻值为单位1，对应于串联R₁电压为1200伏)，可以通过换算关系得到串联组成的R₁电压系数(串联电压系数是并联的12倍)，然后通过电磁理论的场致发射和量子暗电流理论的拟合公式来修正分压比。从拟合曲线的残余值可以看出，修正后分压比的误差为±0.4ppm，对于串连电阻R₁修正后精度为0.033ppm(0.4ppm/12)。

Claims (4)

1、一种高精密高压分压器，其特征在于由金属球冠(1)、内筒(2)、外筒(13)、高阻值电阻R₁、低阻值电阻R₂、滤波电容(5)、信号输出BNC接口(6)、内筒温度传器(4)、外筒温度传感器(10)、加热电阻(8)和温度反馈控器(9)经电路连接组成，其中，内筒(2)设置于外筒(13)中，内筒与外筒之间由挡板(3)固定；内筒与外筒之间有间隙，挡板(3)下端部开有圆孔(14)，挡板(3)下端圆孔(14)外安装有风扇(7)；金属球冠(1)设置于外筒(13)的顶部，用于连接待测高压端，高阻值电阻R₁和低阻值电阻R₂串联，并设置于内筒中，高阻值电阻R₁上部与金属球冠(1)连接，低阻值电阻R₂下部接地；加热电阻(8)设置于外筒(3)内侧下部、内筒外侧底部下面；温度反馈控制器(9)通过外筒温度传感器(10)测量到的温度控制加热电阻(8)的加热功率，温度反馈控制器(9)采用PID控制；滤波电容(5)和信号输出BNC接口(6)连接在低阻值电阻R₂的两端。

2、根据权利要求1所述的高精密高压分压器，其特征在于所述内筒(2)中填充有六氟化硫气体。

3、根据权利要求1所述的高精密高压分压器，其特征在于所述高阻值电阻R₁和低阻值电阻R₂分别由电阻串串联组成。

4、根据权利要求3所述的高精密高压分压器，其特征在于所述高阻值电阻R₁和低阻值电阻R₂分别采用金属膜电阻。

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