CN202033398U - 一种高阻抗高温度稳定性高压分压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种高阻抗高温度稳定性高压分压器，在互相平行设置的高压电极和低压电极之间倾斜放置地安装有片式电阻器，高压臂电阻器一侧靠近高压电极，另一侧靠近低压电极，且高压臂电阻器与高、低压电极之间的夹角小于30度；高压臂电阻器靠近高压电极一侧的引线接高压电极，靠近低压电极一侧的引线从低压电极附近引出；高压臂电阻器的高压臂电阻器电阻膜在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内；高压电极和低压电极之间及高压臂电阻器周围填充绝缘介质。在保证输出精度的同时，可以设计更高的输入阻抗，并且具有较高的温度稳定性。

Description

一种高阻抗高温度稳定性高压分压器

技术领域

本实用新型涉及一种主要应用于电力系统电力器件领域的高压分压器，具体涉及一种高阻抗高温度稳定性高压分压器。

背景技术

电力行业中常常需要测量上万伏的交流高电压。电阻式高压分压器是一种高压测量器件，能够将高电压按照固定比例缩小，以进行测量。其原理如图1所示，其中U₀为被测高压，U₁为分压器输出的低压信号，高压臂电阻R₂远大于低压臂电阻R₁。其中高压臂电阻器R₂由于承受高电压，需要考虑绝缘、散热、防止电晕等问题，体积一般需要做得很大，同时为了防止外界环境对其干扰，外部往往需要采取屏蔽措施。由于高压电场的存在，高压臂电阻器与屏蔽体之间及自身各部分之间存在着分布电容，这些电容由空间杂散电容来替代表示。空间杂散电容的存在引起的电容电流造成分压器输出幅度和相位的改变，进而造成测量结果的幅度误差和相位误差。且空间杂散电容的大小与绝缘介质的介电常数有关。由于固体绝缘介质介电常数的温度系数较大，在环境温度改变时空间杂散电容的容量将引起较大的变化，从而导致测量结果发生了较大的误差。现有技术中要减少这类误差，提高测量精度有以下几种方法：

第一种方法：降低高压臂电阻阻值，以较大的阻性电流来减弱空间杂散电容电流所占的比例，从而减弱温度变化导致杂散电容变化造成的影响，这是目前主流的解决方法，这种方法导致高压分压器输入阻抗不能做的很大，这就加大了分压器的消耗功率，引起高压臂电阻器发热增加，进一步加大了空间杂散电容的电容电流变化幅度，同时还加大了高压臂电阻器本身温度引起的误差，且因此需要更大的散热面积，这增大了分压器的体积。

第二种方法：专利【高值电阻、基于该高值电阻的分压器】(申请号：200810112653.3，公开号：CN 101281809A，公开日：2008.10.08，申请国：中国)，提供了一种实现等电位屏蔽的高值电阻器及基于该高值电阻器的分压器方案。该方案包括电阻器及围绕电阻器由内向外依次设置的绝缘层和屏蔽层，其中屏蔽层为电阻膜；在电阻器的两端和屏蔽层的两端分别施加相同的电压。采用该技术方案，高值电阻器上的压降与屏蔽层上的压降相等，因此两者之间不存在电压差，也就解决了杂散电容电流问题，若干高值电阻器连接可以组成不同比例的分压器。该方案，屏蔽层采用电阻器均压方案，屏蔽层电阻器增加了额外功率消耗，需要增强散热性能，以减轻温度升高对高压电阻精度的影响。

第三种方法：专利【三相电能测量装置】(申请号：200910000667.0，公开号：CN 101458277A，公开日：2009.06.17，申请国：中国)提供了另一种实现高压臂电阻器等电位屏蔽的方法。其等电位屏蔽结构由多个电容串联连接的导电环构成。这种方法，在高压电极与低压电极之间串联多个等容量分压电容器而构成多个等电位面，高压臂电阻器从中导电环中穿过，从而达到基本上等电位的屏蔽效果。这些电容器存在高压击穿短路的潜在风险，对质量要求交高，且需要增加相应防范措施。

第四种方法：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，公开号：CN 101788583A，公开日：2010.07.28，申请国：中国)公开了一种高阻抗宽频带高压分压器的电极结构，所述电极结构是由圆筒电极经倾斜切割而成三角圆筒形结构，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器的特殊的相对空间关系而获得杂散电容相互抵消的效果，从而减小了杂散电容的影响，可以提高分压器的输入阻抗。

上述几种高压分压器方案有一个共同的特点，就是分压器主体结构呈圆柱形，高压臂电阻器置于圆柱的中轴线上。这种结构导致高压电极与低压电极之间距离较长，这对防电晕和散热是有利的。但从另一方面看，会存在靠近高压电极或低压电极处温度分布不均的问题，温度不均导致高压电极与低压电极附近绝缘介质介电常数变化不一致，影响了空间杂散电容的分布，进而影响了电场的分布，结果影响到分压器输出精度。

电阻式分压器有一个特点，如果高压臂电阻器和低压臂电阻器的电阻率温度系数相同，如果两者工作温度相同，温度引起的误差相互抵消，分压器输出不受温度影响，因而具有较高的温度稳定性，因此降低高压臂电阻器和低压臂电阻器之间的温差可提高分压器的温度稳定性。上述电阻器按轴向排列方式还导致低压臂电阻器远离高压臂电阻器，从而导致高压臂电阻器与低压臂电阻器所处的温度环境难以保持一致，难以抵消温差对分压器输出精度产生的影响。

另外这类圆筒形中轴线对称结构使得在横截面直径方向上，电阻器与屏蔽层之间为双倍的绝缘距离，这增加了高压分压器的体积，在需要将高压分压器集成到某些小型化设备内部时有时会受到限制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种高阻抗高温度稳定性高压分压器，具有输入阻抗高，功耗低，温度稳定性好，输出精度更高，体积小的特点。

本实用新型的技术方案如下。

一种高阻抗高温度稳定性高压分压器，包括互相平行设置的高压电极和低压电极，在高压电极和低压电极之间安装有高压臂电阻器，其特征在于：高压臂电阻器为片式电阻器，它倾斜放置于高压电极和低压电极之间，高压臂电阻器一侧靠近高压电极，另一侧靠近低压电极，且高压臂电阻器与高、低压电极之间的夹角小于30度；高压臂电阻器靠近高压电极一侧的引线接高压电极，靠近低压电极一侧的引线从低压电极附近引出；高压臂电阻器的高压臂电阻器电阻膜在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内；高压电极和低压电极之间及高压臂电阻器周围填充绝缘介质。

高压臂电阻器的高压臂电阻器电阻膜安装在基片上，高压臂电阻器电阻膜两侧连接有引线，高压臂电阻器电阻膜上方有盖片；基片和盖片均为长条形片状，两者材质和电气性能相同。

还包括设置于低压电极外侧的低压臂电阻器，该低压臂电阻器一端引线与靠近低压电极的高压臂电阻器引线连接，另一端与低压电极连接。

低压臂电阻器为片式电阻器；其靠近低压电极并与低压电极平行；低压臂电阻带有与低压电极相连接的屏蔽罩。

高压电极、低压电极和高压臂电阻器都是长方体形状；高压臂电阻器电阻膜在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影的外边沿与所投影电极外边沿之间的距离不小于两个电极之间距离的一半。

在高压电极和低压电极外侧，分别连接有向相对电极方向弯曲的金属屏蔽罩；所述的金属屏蔽罩与相对的电极绝缘。

所述的绝缘介质为硅橡胶。

本实用新型的积极效果在于：第一、电极间电场分布的梯度与电阻器上电压分布的梯度基本一致，电阻器上各点与周围等电势，减弱了空间杂散电容和介质电阻对输出精度的影响，从而在保证输出精度的的同时，可以设计更高的输入阻抗。例如10kV高压分压器输入阻抗可设计到50MΩ，这样耗散功率只有2W，节省了能耗，降低了设备工作温度。第二、缩短了两个电极间的距离，并填充同种绝缘介质，减少了不同部位温差造成的影响，从而获得了较高的温度稳定性，并具有较低的温度系数，在户外严酷的工作环境中仍能保持较高的测量精度。第三、减少了高压分压器的体积，10千伏高压分压器体积可做到120mm×70×20mm，方便集成到其他产品中。

附图说明

图1是电阻式高压分压器电路图。

图2是本发明高压分压器的电场电势-位置关系图。

图3是本发明高压分压器的主体结构示意图。

图4是本发明高压臂电阻器结构示意图。

图5是本发明具有对称屏蔽罩的高压分压器的结构示意图。

图6是本发明具有低压臂电阻器屏蔽罩的结构示意图。

图7是本发明具有不对称屏蔽罩的高压分压器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图3所示，高压电极1和低压电极2为一对相互平行的扁平金属体；高压臂电阻器3为平板状的片式电阻器；高压臂电阻器3倾斜放置于高压电极1与低压电极2之间，一侧靠近高压电极1，另一侧靠近低压电极2，且高压臂电阻器3与高、低压电极之间的夹角小于30度。高压臂电阻器3靠近高压电极1一侧的引线接高压电极1，靠近低压电极2一侧的引线从低压电极2附近引出。高压臂电阻3的高压臂电阻器电阻膜31在高、低压电极上垂直方向上的投影在电极平面范围之内，也就是说，高压臂电阻器电阻膜31在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内。高压电极1与低压电极2之间及高压臂电阻器3周围填充相同绝缘介质9。

其中高压臂电阻器3由基片32、高压臂电阻器电阻膜31、第一引线34，第二引线35和盖片33组成，如图4所示。基片32和盖片33为长条形片状结构，它们的材质和电气性能相同；基片32上有蛇形的高压臂电阻器电阻膜31；高压臂电阻器电阻膜31两侧分别连接有第一引线34和第二引线35；电阻膜31上方有盖片33。

低压臂电阻器4的电阻膜与高压臂电阻器3的高压臂电阻器电阻膜31材料的电阻率温度系数相同。低压臂电阻器4一端引线与靠近低压电极2的高压臂电阻3引线连接，另一端与低压电极2连接。低压臂电阻器4为片式电阻器；其位置在低压电极2外侧并靠近低压电极2且与低压电极2平行。

高压电极1、低压电极2和高压臂电阻器3都是扁平的长方体形状，且高压臂电阻器电阻膜31在电极平面垂直方向上投影的外边沿距离电极平面外边沿不小于两个电极之间距离的一半，也就是说，高压臂电阻器电阻膜31在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影的外边沿与所投影电极外边沿之间的距离不小于两个电极之间距离的一半。高压电极1与低压电极2之间及高压臂电阻器3周围填充的绝缘介质9为硅橡胶。

如图5所示，在高压电极1和低压电极2外侧，还连接有向相对电极方向弯曲的第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12。所述的金属屏蔽罩与相对的电极绝缘。低压臂电阻器4带有屏蔽罩10，该屏蔽罩10与低压电极2连接。

图5-7所示的分压器输出端是第一接线柱5，分压器低压输入端即第二接线柱6接低压输入，第三接线柱7接高压输入。

下面给出几个实施例以详细说明本实用新型。

第一实施例：如图4、图6所示，高压电极1和低压电极2各用一个尺寸为120mm×70mm紫铜板，间距15mm，相互平行。高压臂电阻器3为长、宽尺寸为100mm×25mm的片式电阻器，电阻值为50MΩ，其基片32和盖片33都是由相同几何尺寸和材质的陶瓷材料制成。高压臂电阻器电阻膜31均匀地按蛇形图案涂覆在陶瓷基片32上；基片32和盖片33将电阻膜31密封在中间；高压臂电阻器3倾斜放置于高压电极1与低压电极2之间，一侧靠近高压电极1，另一侧靠近低压电极2，并且高压臂电阻器3的几何中心与两个电极构成的长方体的几何中心重合。高压臂电阻器3在电极垂直方向上的投影关于电极外边沿对称。高压臂电阻器3靠近高压电极1一侧的第一引线34就近与高压电极1相连后接分压器高压输入端7，靠近低压电极2一侧的第二引线35从靠近低压电极处开孔8引出到低压电极2的另一面。

低压臂电阻器4采用与高压臂电阻器3相同的电阻膜材料制成，其电阻值为6.8kΩ；低压臂电阻器4在靠近低压电极2中部的位置紧贴电极安装，低压臂电阻器4一端引线与从低压电极2开孔处引出的第二引线35连接并连接到第一接线柱5。低压臂电阻器4的另一端与低压电极2连接后接第二接线柱6。低压臂电阻器4外设置紫铜材质的屏蔽罩10，屏蔽罩10四周与低压电极2连接，屏蔽罩10上有开孔将第一接线柱5引出。高压电极1与低压电极2之间及高压臂电阻器3周围的空间用绝缘硅橡胶浇注，固化成型。

第二实施例：如图5所示，在第一实施例所描述的分压器的基础上，在高压电极1和低压电极2外侧，各有一个以相对电极边沿为轴线呈圆柱形弯曲的紫铜材质的第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12，在第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12与高压电极1和低压电极2之间的空间填充硅橡胶。由于第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12在空间上关于两个电极对称排列，在提供屏蔽的同时，对分压器的温度稳定性影响较小。

第三实施例：如图7所示，在第一实施例所描述的分压器的基础上，在低压电极2两侧，各有一个以高压电极1边沿为轴线呈圆柱形弯曲的第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12，在第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12与高压电极1之间的空间填充硅橡胶。本实施例由于第一金属屏蔽罩11和第二金属屏蔽罩12在空间上关于两个电极不对称排列，在提供屏蔽的同时，对分压器的温度稳定性影响较第二实施例大。

下面结合工作原理更进一步地阐述本实用新型。

本实用新型的原理如图2所示，一对相互平行的扁平金属体电极即高压电极1和低压电极2之间充满均匀绝缘介质9，在两个电极之间施加电压U₀，则两电极之间的电场是一个电势梯度由高压电极1到低压电极2线性降低的均匀电场E₀，其电场内某点的电势E₁由该点到两个电极之间的分布电容和绝缘介质9电阻分压比决定，而在介质材料电气性能相同的前提下分布电容的容量和绝缘介质9电阻的电阻值都与距离成线性比例关系，即电场内各点的电势为E₁＝d₁/d₀*E₀。如果一个电阻值在电阻体长度方向上分布均匀的电阻器倾斜地放置于该电场中，并且两端与两个电极等电势，根据几何原理可证明该电阻器某点位置上的分压U₁＝l₁/l₀*U₀＝d₁/d₀*E₀＝E₁，因此电阻器在该点上与周围电场之间电势相等，周围的分布电容的电容电流及绝缘体的泄漏电流对电阻不产生分流，则不需要增加电阻器的电流来降低分布电容的电容电流及泄漏电流的影响，因此高压臂电阻器3的阻抗可以设计的很高。

温度对绝缘介质9的介电常数及电阻率都有影响。如果电场中某点到两个电极之间均匀绝缘介质9的温度是相同的，则E₁＝d₁/d₀*E₀关系成立，温度因素的影响被抵消，可获得较低的温度系数。但如果温度不同，则E₁＝d₁/d₀*E₀不再成立，将产生较大的温度影响。因此减少各点与两电极之间的温度差将有效地降低温度影响。本实用新型中由于高压臂电阻器3是以较小的夹角倾斜放置于两个电极之间，电阻上各点与两平行电极距离较近，两者之间的温差较小，因此能获得较高的温度稳定性。而已有技术中的圆柱形结构，电极是在电阻器的两端，距离较远，两者之间的温差难以减小，因此难以获得较高的温度稳定性。

电阻器倾斜放置于电场中，片式电阻器由于电阻膜蛇形排列，且横截面中心线与电极平行，电阻器上的电压梯度在长度方向上成单调趋势，可以提高电阻膜上各点电压与电场电势的一致性，从而可以减小电容电流和泄漏电流；而圆柱形电阻器由于电阻膜呈圆周排列，电压梯度在轴线方向上不能形成单调趋势，电阻膜上各点电压与各点电场电势不一致，存在较大电势差，造成较大电容电流和泄漏电流，降低了温度稳定性。

作为电阻膜的载体，电阻器基片32不可缺少，但由于其介电常数与电极间填充的绝缘介质9的介电常数难以保持一致，它使得电阻器相对两个电极间的绝缘介质不一致，对电场分布的将产生不利影响。如在电阻膜上方对称地加装一个材质和电气性能相同的盖片，使得电阻器两面的绝缘介质9电气性能保持一致，将抵消这个不利影响。

为了减小高压臂电阻器3与低压臂电阻器4间的温度误差，一方面要求两个电阻器具备相同的电阻率温度系数，这需要两者的电阻膜选用相同材料制作；另一方面要求减小两个电阻器间的温差，这可通过将低压臂电阻器4也设计成片状，并且平行安装在低压电极2外侧，在高压臂电阻器3在低压电极2的垂直投影范围内，紧贴低压电极2的方式来获得。低压臂电阻器4可增加金属屏蔽层来消除空间干扰，金属屏蔽层接低压电极2。

相互平行的高、低压电极所产生均匀电场的范围应大于高压臂电阻器3的安装范围，这样才能保证高压臂电阻器3工作于均匀电场中，上述的关系才成立。因此高压臂电阻器电阻膜31在电极平面垂直方向上投影的外边沿距离电极平面外边沿的距离越大效果越好，原则上不小于两个电极之间距离的一半。同时，受空间限制，平行电极不能无限延伸，这就造成了从侧面进入不确定性的空间干扰。为减弱这种干扰，在长方形高压电极1和低压电极2外侧，连接有向相对电极方向弯曲的金属体。这种弯曲将削弱平行电极间电场的均匀度，从而降低分压器温度稳定性，这需要折中考虑。另一方面，如果两侧电极的弯曲是对称的，则可抵消一部分不利影响。

电极间可以填充多种绝缘介质，其中硅橡胶绝缘材料因具有耐高压、气候适应性好等优点，是一个较好的选择。

另外值得指出的是，由于本实用新型所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器的输出阻抗也比较高，在第一接线柱5加装一级高输入阻抗电压放大器或电压跟随器，并将其与低压臂电阻器4置于同一个屏蔽壳内，将有效地提高分压器输出信号的抗干扰能力。

Claims (10)

1.一种高阻抗高温度稳定性高压分压器，包括互相平行设置的高压电极(1)和低压电极(2)，在高压电极(1)和低压电极(2)之间安装有高压臂电阻器(3)，其特征在于：高压臂电阻器(3)为片式电阻器，它倾斜放置于高压电极(1)和低压电极(2)之间，高压臂电阻器(3)一侧靠近高压电极(1)，另一侧靠近低压电极(2)，且高压臂电阻器(3)与高、低压电极之间的夹角小于30度；高压臂电阻器(3)靠近高压电极(1)一侧的引线接高压电极(1)，靠近低压电极(2)一侧的引线从低压电极(2)附近引出；高压臂电阻器(3)的高压臂电阻器电阻膜(31)在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内；高压电极(1)和低压电极(2)之间及高压臂电阻器(3)周围填充绝缘介质(9)。

2.如权利要求1所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：高压臂电阻器(3)的高压臂电阻器电阻膜(31)安装在基片(32)上，高压臂电阻器电阻膜(31)两侧连接有引线，高压臂电阻器电阻膜(31)上方有盖片(33)；基片(32)和盖片(33)均为长条形片状，两者材质和电气性能相同。

3.如权利要求1或2所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：还包括设置于低压电极(2)外侧的低压臂电阻器(4)，该低压臂电阻器(4)一端引线与靠近低压电极(2)的高压臂电阻引线连接，另一端与低压电极(2)连接。

4.如权利要求3所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：低压臂电阻器(4)为片式电阻器；其靠近低压电极(2)并与低压电极(2)平行；低压臂电阻器(4)带有与低压电极(2)相连接的屏蔽罩(10)。

5.如权利要求1或2所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：高压电极(1)、低压电极(2)和高压臂电阻器(3)都是长方体形状；高压臂电阻器电阻膜(31)在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影的外边沿与所投影电极外边沿之间的距离不小于两个电极之间距离的一半。

6.如权利要求3所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：高压电极(1)、低 压电极(2)和高压臂电阻器(3)都是长方体形状；高压臂电阻器电阻膜(31)在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影的外边沿与所投影电极外边沿之间的距离不小于两个电极之间距离的一半。

7.如权利要求4所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：高压电极(1)、低压电极(2)和高压臂电阻器(3)都是长方体形状；高压臂电阻器电阻膜(31)在高、低压电极上与高、低压电极垂直方向上的投影的外边沿与所投影电极外边沿之间的距离不小于两个电极之间距离的一半。

8.如权利要求1或2所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：在高压电极(1)和低压电极(2)外侧，分别连接有向相对电极方向弯曲的金属屏蔽罩；所述的金属屏蔽罩与相对的电极绝缘。

9.如权利要求3所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：在高压电极(1)和低压电极(2)外侧，分别连接有向相对电极方向弯曲的金属板；所述的金属板与相对的电极绝缘。

10.如权利要求1或2所述的高阻抗高温度稳定性高压分压器，其特征在于：所述的绝缘介质(9)为硅橡胶。 

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