高压脉冲阻容分压器的设计.docx

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高压脉冲阻容分压器的设计

高压脉冲阻容分压器的设计

摘要：

在介绍阻容分压器基本原理的基础上，分析了脉冲信号时间与阻容分压器测量系统时间常数的关系。

建立分压器的等效电路图，对测量系统进行仿真分析，分析表明阻容分压器中的寄生电感和电容对分压器的影响较大，当他们达到一定的程度会使系统输出波形的振动剧烈，上升时间变长，输出波形失真[1]。

电容器中的电阻对分压器的性能有一定的影响，在设计高压脉冲阻容分压器时要适当给予考虑。

通过改变等效电路中的各个参数，分析不同参数对分压器测量性能的影响，对分压器的结构进行优化。

关键词：

分压器；阻容分压器；电压测量；响应时间；

DesignoftheCapacitorDividerforMeasuringofHigh

VoltagePulse

StudentmajoringinagricultureelectrificationandautomationShenJinyu

TutorChenWeifeng

Abstract：

Therelationbetweenthepulsesignal’sandthemeasurementsystem’stimeconstantofresistance-capacitancevoltagedividerareanalyzedonthebaseoftheintroductionoffundamentalprincipleofresistance-capacitancevoltagedivider.Equivalentcircuitofthevoltagedividerisestablishedinordertosimulatethemeasurementsystem,thesimulationanalysisshowedthattheresistanceandcapacitanceinthecapacityhavegreatereffectonresistance-capacitancevoltagedivider.Theoutputwaveformofthesystemwillvibrateintensively,therisingtimewillbecomelonger,andtheoutputwaveformwillbedistortedwhentheyreachacertainextent.Theresistanceofthecapacityhasacertaininfluenceonthefunctionofvoltagedividerwhichshouldbeconsideredindesigningahighvoltagepulsecapacityvoltagedivider.Thevoltagedivider’sstructurecanbeoptimizedbychangingthecircuit’sparametersandanalyzingtheinfluenceofdifferentparameters.Thevoltageratioofthedesignedcapacitancevoltagedivideris2100.

Keywords：

potentiometer；resistance-capacitancevoltagedivider；measure；responsetime

绪论

1）.研究分压器的功能和意义

将高压信号转换为示波器所能测量的低压信号，在整个测试系统中占有重要地位，分压器的性能好坏直接影响测试系统的整体性能的好坏。

分压器作为转换装置，是冲击测量系统常用的主要组成部分之一。

它的作用是把几万伏或几十万伏的冲击高电压转换成示波器等记录仪能够测量的低电压。

老式的高电压示波器最高能施加1KV-2KV,而通用的数字存储示波器一般只能加上几十伏或几伏，所以要通过高压分压器把高电压转换成几十伏或几伏的电压才可以输入同轴电缆上，通过同轴电缆把几百毫伏至几十伏电压传送到数字示波器上进行测量。

2）.脉冲分压器测量应满足的要[2]

（1）将被测电压波形的各部分按比例缩小后，波形无畸变；

（2）分压比恒定，在适用范围内，不随大气条件或被测电压的波形、频率、幅值等因素而变；

（3）分压器的接入对被测电压过程影响应微小到容许程度。

此外，分压器所消耗的电能应不大。

在一定的冷却条件下，分压器消耗的电能所形成的温升不应引起分压比的改变。

分压比在一定频带范围内应与被测电压的频率和幅值无关。

3）.设计的思路

在参阅相关文献资料的基础上，立足现有的实验条件、设备条件提出初步的设计方案，按照方案建立等效电路图进行仿真,分析仿真结果,确定分压器的参数。

随后进行焊接，工艺和结构优化，最终达到预期的要求和目标。

主要的工作内容包括:

1.理论分析,建立模型

2.电路仿真,确定参数

3.实物制作,试验验证

4.结果分析,不断改进

1脉冲测量技术

电磁脉冲测量，包括脉冲电场、脉冲磁场、脉冲电压及脉冲电流的测量。

由于电磁脉冲信号是上升时间仅几个纳秒、持续时间几十纳秒至几个毫秒的极高强度的瞬态信号，其频谱覆盖了零到几百兆赫的频带，因而要求测量系统具有与之相适应的频率响应范围，且既不能对被测环境产生明显的影响，又要具有较强的抗干扰能力。

1.1脉冲电压的测量

测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。

电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。

但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。

脉冲分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容串联分压器[3]。

电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。

但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10kΩ，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。

电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。

通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。

电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，比电阻分压器较为有利。

由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。

又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。

为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关。

微积分测量系统[4]（Differentiating-Integratingmeasuringsystems,简称D/I系统），是20世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的。

D/I系统的优点是：

对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。

其缺点是对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。

光电测量系统是利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。

其中利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可将高压设备与高灵敏度的测量仪器及计算机隔离开，可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影响。

但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差。

1.2脉冲电流的测量

脉冲强电流的测量常用分流器和数字示波器所组成的系统，也常用罗戈夫斯基线圈（Rogowskicoil）作为换能装置。

此外，也可用光电测量系统。

设计分流器要考虑三个因素：

残余电感应尽量小；在尽可能宽的频带内，分流器的有效阻抗必须为一常数；抗干扰性能要好，应尽可能减小流经电缆外导体的电流。

用分流器测量脉冲电流时，被测电流将在分流器内产生热效应和力效应。

如被测电流达几百千安，分流器的制造会有一定的困难，此时常用罗戈夫斯基线圈来测量电流。

罗戈夫斯基线圈是利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。

其实际上是一种电流互感器测量系统。

与分流器法相比，罗戈夫斯基线圈与被测电路没有直接的电的联系，可避免或减小电流源接地点的地电位瞬间升高所引起的干扰影响。

由于线圈输出端口上所得的电压信号与被测电流对时间的导数成正比关系，所以，为了直接得到与电流成比例的信号，在测量系统中需加入积分环节。

罗戈夫斯基线圈的积分法可分为LR积分式（自积分式）和RC积分式两种。

无论哪种积分方式，在参数选择及系统构建时，都必须使响应特性满足要求，自积分式方波响应上升时间可做到小于1ns。

目前最常用的测量方法有[6]：

（1）测量球隙；

（2）分压器与数字存储示波器组成的测量系统；（3）微分积分环节与存储示波器组成的测量系统；（4）光电测量系统。

球隙只能用来测量电压峰值，不能测量电压波形。

微分积分测量系统是20世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的，其优点是：

对高压源的负荷效应极小；具有足够高的响应特性。

缺点是：

当微分环节的电容值很小时，往往静态分压比的测量误差较大；对微分环节的电阻的无感要求很高；当被测脉冲上升沿很陡时，微分环节的电阻上会出现极高的尖峰脉冲电压。

光电测量系统是利用各种电光效应进行测量的系统，其突出优点是对被测对象的介入性较少、抗电磁干扰能力较强，但系统复杂，且测量的可靠性取决于光学、电子学系统的实际性能，因而这些技术仍在不断发展之中。

本章主要讨论高压脉冲电容分压器的原理和制作。

2高压脉冲阻容分压器[5]

阻容分压器分阻容串联分压器和阻容并联分压器，是在电阻分压器和电容分压器的基础上进行改脉冲高压强流测试装置的研制进而发展来的，其响应性能已经有了很大的改善，是更为优越的分压器。

2.1阻容分压器的基本原理

阻容分压器是采用RC串联网络来分压的，具有电阻分压器低频性能好的优点及电容分压器高频性能好的优点，缺点是高阻低电容网络测试复杂。

阻容分压器分为阻容并联和串联两种，阻容并联分压器尽管可以作为冲击电压信号的测量分压器，但电容和电阻分压比的同步调节困难，因此一般选用在阻容串联分压器。

阻容串联分压器包括高阻尼和低阻尼分压器，高阻尼分压器要考虑引线电感的影响，在高压引线上需要添加阻尼电阻Rd，且需要考虑阻尼电阻对分压器特性的影响，如图2。

图2高阻尼阻容分压器

图2中（包含阻尼电阻Rd）和C1组成高压阻尼臂，R2和C2组成低压臂。

高阻尼电容分压器在测量高频冲击信号是，利用电阻的特性转换；而在测量低频冲击信号是则利用电容的转换特性。

也就是说：

冲击信号起始按电阻比分配，最终按电容笔进行分配。

电阻和电容要求满足

（5）

高阻尼电容分压器的时间常数很大，当测量较小的负载时，会因为电容分压器的接入使波形的调节较为困难。

2.2电容分压器测试系统

2.2.1自积分电容分压器

图2-3带积分器的电容分压器测量回路

带积分的电容分压器的测试回路如图2-3[8]，C0、C1分别为高压、低压臂电容；Z为信号电缆的波阻抗；R为末端匹配电阻取值为50欧；积分电阻、电容分别为R1、C2；R2与Ｃ为示波器输入电阻、电容。

示波器的输入电阻R2远大于补偿电阻R1，C1的输出ｙ（t）的负载即为Ｒ，则

对上式整理可得：

对于式（2.5），当（C0+C1）dy（t）/dt>>y（t）/R时，

即：

假设被测量的电压u（t）频率是f，其上升沿r决定高频fh，而脉宽d决定于低频分f1。

一般0=30d就无需外加积分器。

，

当2πf