專利名稱：一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電力器件領(lǐng)域，具體涉及一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的
設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
1、問(wèn)題的提出 電力行業(yè)中常常需要測(cè)量上萬(wàn)伏特的高電壓。阻容分壓器是一種用于高電壓測(cè)量 的儀器，能夠?qū)⒏唠妷喊凑展潭ū壤s小，以進(jìn)行測(cè)量。其原理如圖1所示，其中仏為被測(cè) 高壓，U2為分壓器輸出的低壓信號(hào)，高壓臂電阻R1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低壓臂電阻R"由于被測(cè)電壓 很高，分壓器的高壓臂電阻和電容不但需要考慮絕緣、散熱和防止電暈等一系列問(wèn)題，而且 需要考慮對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生的影響，因而往往需要采用很大的高壓臂電阻(例如2MQ)和很 小的高壓臂電容(例如2pF)，以減小對(duì)被測(cè)電路的影響、減小分壓器的功率。通常高壓臂電 容由空間雜散電容來(lái)代替。 為了盡量提高分壓器的局部放電電壓、電暈電壓和擊穿電壓，確保使用安全，高壓 電極和低壓電極之間必須具有足夠的絕緣距離。因此，高壓臂電阻需要具備足夠大的尺寸。 在這種高壓臂電阻不但阻值大而且尺寸大的情況下，電極與高壓電阻本體之間的空間雜散 電容的影響很大，尤其是嚴(yán)重限制了分壓器的高頻測(cè)量頻帶。圖2給出了低壓電極(接地 電極，或者是大地)與高壓電阻之間存在空間雜散電容的示意情況，其中仏為被測(cè)高壓，U2 為分壓器輸出的低壓信號(hào)?？臻g雜散電容本身是分布參數(shù)，為了便于分析，由集中參數(shù)電容 Q來(lái)表示。根據(jù)圖2， &與Q組成了低通濾波器，使得分壓器對(duì)高頻信號(hào)的輸出偏小。
為了滿足分壓器從直流到高頻成份的寬頻帶范圍內(nèi)的準(zhǔn)確測(cè)量，要求分壓器具有 足夠高的高頻截至頻率。根據(jù)圖2所示原理來(lái)分析，要保證分壓器具有足夠高的高頻截至 頻率，&與d的乘積應(yīng)盡量小。然而，實(shí)際應(yīng)用中空間雜散電容Q難以減小，因?yàn)楦邏罕郾?須擁有足夠大的尺寸以保證足夠的絕緣距離；而如果高壓臂電阻過(guò)小，則不但會(huì)影響被測(cè) 電路，而且功耗太大散熱困難。因此，Ri與Q的乘積偏大是限制高壓分壓器的測(cè)量頻帶的 關(guān)鍵因素。 2、現(xiàn)有解決方案分析
1)傳統(tǒng)解決方案 為了在保持分壓器輸入阻抗很高的同時(shí)，提高分壓器的測(cè)量頻帶，現(xiàn)有的通常做 法是改變分壓器的電極結(jié)構(gòu)，用高壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容來(lái)平衡低壓電極與 高壓臂電阻之間的雜散電容。常見(jiàn)的電極形狀如圖3所示，有傘形、工字形、啞鈴型等等。圖 4示意了電極形狀改善分壓器高頻性能的原理。在圖4中，仏為被測(cè)高壓，仏為分壓器輸出 的低壓信號(hào)，Cu代表高壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容，C12代表低壓電極與高壓臂電 阻之間的雜散電容。當(dāng)Cn與(:12相等時(shí)，電容電流全部流經(jīng)雜散電容，而高壓臂電阻中只存 在阻性電流，就不存在圖2中所示的"低通濾波"，因此分壓器的高頻性能得以提高。
但是，由于空間雜散電容和高壓臂電阻均是分布參數(shù)，圖4所示只是理想狀態(tài)，實(shí)際中難以達(dá)到。按照分布參數(shù)設(shè)計(jì)等效電路，如圖5所示，其中U。為被測(cè)高壓，u為分壓器輸出的低壓信號(hào)，高壓臂電阻R被等分成n份，每份均與高壓電極之間存在雜散電容C『與低壓電極之間存在雜散電容C^r為低壓臂電阻，c為低壓臂電容。利用圖5所示分布參數(shù)電路，仿真計(jì)算分壓器擁有圖3所示的電極結(jié)構(gòu)下的幅頻特性，則發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極的直徑較小時(shí)，無(wú)論如何調(diào)整電容c、 C 和C2i的數(shù)值，分壓器的輸出電壓幅值總是與頻率相關(guān)，難以獲得不受頻率影響的輸出結(jié)果；只有當(dāng)電極直徑大于高壓臂電阻長(zhǎng)度的2倍時(shí)，傘形結(jié)構(gòu)和工字形結(jié)構(gòu)的分壓器才會(huì)顯出比較理想的幅頻特性，而此時(shí)分壓器的橫向尺寸變得很大。圖6顯示了一種傘形結(jié)構(gòu)下的分壓器幅頻特性，其中高壓臂電阻為2MQ，低壓臂電阻為333Q，低壓臂電容為100pF?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)解決方案在電極尺寸有限的情況下也難以解決問(wèn)題。
2)新型分壓器結(jié)構(gòu) 除了上述傳統(tǒng)方式之外，還有一些比較新穎的電極結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)1 ， 2提出了一種如圖7所示的形式，其中高壓電極帶有傘形屏蔽罩，低壓電極為圓筒，研究了高壓電極屏蔽罩的直徑、深度、角度等參數(shù)對(duì)分壓器性能的影響，并做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是根據(jù)參考文獻(xiàn)1中給出的電壓沿高壓臂電阻的分布曲線，如圖7所示，可以看到電壓分布曲線接近理想狀態(tài)下的直線分布，但是仍有彎曲，說(shuō)明分壓器的輸出仍受電壓頻率的影響。該高壓探頭的部分響應(yīng)時(shí)間為19ns，但是高壓臂電阻只有10kQ。按照這種結(jié)構(gòu)，若高壓臂電阻達(dá)到2MQ ，則其響應(yīng)時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于19ns。 參考文獻(xiàn)3，4提出了一種具有套筒電極的分壓器結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示。該分
壓器用套筒電極來(lái)收集原來(lái)的高壓臂對(duì)地電極雜散電容電流，并將此電流補(bǔ)償?shù)降蛪罕壑腥?，從而減小了雜散電容的影響。該分壓器通過(guò)調(diào)節(jié)套筒電極的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到電容電流的最佳補(bǔ)償，如圖8(b)所示3。但是該結(jié)構(gòu)仍然無(wú)法從根本上解決雜散電容影響，因?yàn)殡s散電容是分布參數(shù)，難以做到完全補(bǔ)償，從而出現(xiàn)圖8(b)中曲線要么過(guò)沖，要么上升沿緩慢的情況。根據(jù)參考文獻(xiàn)3所述，該分壓器經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了 0.8ns，但是其高壓臂電阻只有5k Q ，而且低壓臂有20nH的電感，使得階躍響應(yīng)有振蕩。按照這種結(jié)構(gòu)，如果高壓臂電阻達(dá)到2MQ ，則該分壓器的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于0. 8ns。實(shí)際上，申請(qǐng)人按照該結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算過(guò)高壓臂電阻為2MQ時(shí)的情形，也選用兩級(jí)分壓，總分壓器為10000 : 1。當(dāng)套筒電極的長(zhǎng)度為高壓臂電阻長(zhǎng)度的一半時(shí)，效果最好。圖9給出了此時(shí)一級(jí)分壓低壓臂不同電容數(shù)值下的分壓器階躍響應(yīng)波形，最好的響應(yīng)時(shí)間僅達(dá)到470ns。 參考文獻(xiàn)5，6提出了一種傳輸線形式的分壓器，并且利用硫酸銅溶液作為高壓
臂電阻。該分壓器的結(jié)構(gòu)如圖io所示，由兩級(jí)分壓組成，特別是第一級(jí)按照傳輸線模型設(shè)
計(jì)。為了使第一級(jí)阻抗匹配，要求第一級(jí)高壓臂電阻值下限為lk，上限為2kQ6。該分壓器經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后階躍響應(yīng)上升時(shí)間達(dá)到1. 843ns6。但是，由于分壓器的響應(yīng)時(shí)間與高壓臂電阻&和高壓臂電阻對(duì)低壓電極的雜散電容Q之間的乘積I^XQ成反比關(guān)系，如果高壓臂電阻達(dá)到2MQ時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間將遠(yuǎn)大于1. 843ns。
參考文獻(xiàn)1趙中原，邱毓昌，王建生，于永明，高壓換流閥組件沖擊電壓測(cè)量用高壓探頭，高電壓技術(shù)，2002年10月，第28巻第10期，第1 2轉(zhuǎn)15頁(yè)。2方志，趙中原，邱毓昌，王建生，于永明，直流輸電換流閥晶閘管電壓分布的光電測(cè)量系統(tǒng)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003年7月，第27巻第14期，第69 71頁(yè)。
3陳煒?lè)?，蔣全興， 一種電阻脈沖分壓器的研制，高電壓技術(shù)，2006年7月，第32 巻第7期，第76-78頁(yè)轉(zhuǎn)119頁(yè)。4陳煒?lè)?，蔣全興，電阻分壓器性能與高壓納秒雙指數(shù)脈沖的測(cè)量，東南大學(xué)學(xué) 報(bào)(自然科學(xué)版)，2006年5月，第36巻第3期，第374-379頁(yè)。5鄔昌峰，蔣全興，何鵬，趙才軍，新型脈沖分壓器的分析與誤差補(bǔ)償，高壓電器， 2008年4月，第44巻第2期，第168-171頁(yè)。6鄔昌峰，蔣全興，何鵬，電解液分壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，高壓電器，2008年6月，第44 巻第3期，第232-235頁(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)控制高壓電 極、低壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容的分布方式，使高壓電極與高壓臂電阻之間的 空間雜散電容值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端成線性遞減式分布；而低壓電極與高壓臂 電阻之間的空間雜散電容的值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端呈線性遞增式分布，從而使 得分壓器具有很高的輸入阻抗的同時(shí)，具有很寬的測(cè)量頻帶；并且提出了一種具有三角圓 筒形電極的阻容分壓器結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。 按照如圖11所示的分布參數(shù)電路進(jìn)行仿真計(jì)算。圖11中被測(cè)高壓為U。，分壓器
輸出電壓為u，高壓臂電阻R被等分成n份，每份均與高壓電極之間存在雜散電容C『與低
壓電極之間存在雜散電容&i，其中i = 1，2，3...n;r為低壓臂電阻，c為低壓臂電容。申
請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雜散電容Cu和C2i的數(shù)值分別顯現(xiàn)出線性遞減和遞增時(shí)，即 Cu-C^ = C12_C13 = C13_C14 = Cln_C1(n+1) = C (1) C2「C22 — C22_C23 — C23_C24 — C2n_C2(n+1) — _C (2)Cln = C21 = 0 (3) 其中C為某一固定的電容數(shù)值，分壓器的輸出與頻率無(wú)關(guān)。部分仿真計(jì)算結(jié)果如
圖12和圖13所示。在圖12中，顯示了外加電壓為lOkV時(shí)高壓臂電阻上的電壓分布情況，
其中高壓臂電阻為2MQ ;高壓臂電阻對(duì)高壓電極的總雜散電容l]Cw為o. 7pF(該數(shù)值的大
(=1
小不影響圖中曲線的形狀)；高壓臂電阻對(duì)低壓電極的總雜散電容1]C2'為0. 7pF(與高壓
電極的雜散電容相等)；電壓頻率為lOOMHz。即使在如此高的頻率下，高壓臂電阻上的電壓 顯現(xiàn)出理想的均勻分布，說(shuō)明雜散電容Cu和(^上的電流完全相互補(bǔ)償，沒(méi)有流經(jīng)高壓臂電 阻。 在圖13中，顯示了分壓器低壓臂輸出電壓幅值與電壓頻率之間的關(guān)系，其中高壓 臂電阻為2MQ ;高壓臂電阻對(duì)高壓電極的總雜散電容力Ch為0. 7pF ;高壓臂電阻對(duì)低壓電
極的總雜散電容l;C2,為o. 7pF(與高壓電極的雜散電容相等)，外加電壓為6kV。由圖可知，
從直流到lOOMHz的范圍內(nèi)(本文只仿真到了 lOOMHz)，分壓器的輸出電壓幅值與頻率無(wú)關(guān)。
因此，根據(jù)仿真分析，只要雜散電容滿足公式(1) (3)，而無(wú)論具體高壓臂電阻和總雜散
電容的大小，分壓器的輸出將與被測(cè)電壓的頻率無(wú)關(guān)，從而可以做到既有很大的輸入阻抗，又有很寬的測(cè)量頻帶。 本發(fā)明的有益效果是 1.所設(shè)計(jì)的分壓器能夠同時(shí)擁有高阻抗和寬頻帶。例如2MQ的輸入阻抗和25. 9MHz 2.提出了改善雜散電容的新思路，使得傳感器測(cè)量頻帶從理論上擺脫了雜散電容的影響，為實(shí)際的分壓器設(shè)計(jì)中電極的設(shè)計(jì)提供了新的理論指導(dǎo)。 3.按照本發(fā)明所涉及的理論所設(shè)計(jì)出來(lái)的分壓器不但具有高阻抗和寬頻帶，而且由于電極采用了三角圓筒式結(jié)構(gòu)，使得分壓器的直徑大為減小。若采用傳統(tǒng)的傘形或者工字形電極結(jié)構(gòu)，該分壓器的直徑需要增大一倍以上。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容被更清楚的理解，并便于具體實(shí)施方式
的描述，下面給出與
本發(fā)明相關(guān)的

如下 圖1是阻容分壓器等效電路圖； 其中，^ :被測(cè)高壓；U2 :分壓器輸出電壓:高壓臂電阻;R2 :低壓臂電阻;Q :高壓臂電容《2:低壓臂電容； 圖2是空間雜散電容對(duì)電阻分壓器的影響； 其中，^ :被測(cè)高壓；U2 :分壓器輸出高壓:高壓臂電阻;R2 :低壓臂電阻;Q :高
壓臂電容《2:低壓臂電容； 圖3是常見(jiàn)分壓器電極結(jié)構(gòu)； (a)傘形；(b)工字形；(C)啞鈴型； 1-高壓電極，2-高壓電阻臂，3-低壓電阻臂，4-低壓電極 圖4示出了借助于電極結(jié)構(gòu)改善分壓器的高頻性能； 其中，(a)雜散電容示意； (b)等效電路； 圖5是分壓器分布參數(shù)等效電路； 圖6是傘形電極結(jié)構(gòu)的分壓器幅頻特性仿真結(jié)果圖； 圖7是一種具有屏蔽罩的分壓器； 其中，(a)分壓器結(jié)構(gòu)示意圖； l-高壓電極引線端，2-有機(jī)玻璃罩，3-屏蔽環(huán)，4-低壓電極引線端，5-高壓臂，
6-鋁罩，7-低壓臂，8-測(cè)量引出線 (b)高壓電阻上的電壓分布圖； 圖8示出了一種具有套筒電極的分壓器； 其中，(a)分壓器結(jié)構(gòu)示意圖； 1-高壓臂電阻，2-絕緣套管，3-套筒電極，4-高壓臂支架，5-低壓臂電阻，6-第二高壓臂電阻，7-第二低壓臂電阻，8-分壓輸出極，9-外層屏蔽罩，10-高壓輸入極； (b)不同套筒電極下的階躍響應(yīng)； 圖9示出了高壓臂電阻為2M時(shí)具有套筒電極的分壓器的階躍響應(yīng)； 圖10示出了一種傳輸線式分壓器； l-高壓電極，2-低壓電極，3-旋轉(zhuǎn)指數(shù)曲線屏蔽罩，4-CuS04溶液(R》，5-聚四氟乙烯，6-電阻圈1 (R2) ， 7-電阻圈2 (R4) ， 8-第2極屏蔽罩，9-第2極高壓臂(R3) ， 10-接50 Q 同軸電纜，11-接高壓快脈沖，1-硫酸銅溶液有效長(zhǎng)度
圖11示出了分壓器分布參數(shù)等效電路圖； 圖12示出了本發(fā)明分壓器的高壓臂電阻上的電壓分布仿真結(jié)果； 圖13示出了本發(fā)明分壓器的低壓臂輸出電壓幅值與電壓頻率的關(guān)系仿真結(jié)果； 圖14是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的圖； 1-高壓電極；2-絕緣支撐；3-低壓電極和低壓臂盒；4-高壓臂電阻；5_低壓臂電
阻電容；6-絕緣墊塊；7-高壓引線柱 圖15是本發(fā)明實(shí)物的方波響應(yīng)； (a)全波波形;(b)上升沿;(C)下降沿;
具體實(shí)施例方式
下面是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，以下結(jié)合本附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案做進(jìn) 一步說(shuō)明。 按照上述設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了如圖14所示的具有三角形圓柱電極結(jié)構(gòu)的分壓器。其 中電極圓筒的外直徑為52mm，內(nèi)直徑為44mm ;高壓臂電阻長(zhǎng)度為50mm，直徑為9mm。高、低 壓電極之間的斜縫寬度大約為10mm。電極由金屬圓筒做傾斜切割而成，使得所述高壓電極 沿圓筒軸線的垂直方向切割所形成的截面圓弧的弧長(zhǎng)沿圓筒軸線從高壓端到低壓端成線 性遞減，所述低壓電極沿圓筒軸線的垂直方向切割所形成的截面圓弧的弧長(zhǎng)沿圓筒軸線從 高壓端到低壓端成線性遞增。由于電極與高壓臂電阻之間的分布電容與電極的圓周有線性 關(guān)系，因而高壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容沿電阻軸線顯線性遞增，低壓電極與高 壓臂電阻之間的雜散電容沿電阻軸線顯線性遞減。圖15顯示了圖14所示實(shí)物的方波響應(yīng)， 圖中方波的平均邊沿達(dá)到22. 5ns。由于測(cè)量中使用了光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的 響應(yīng)時(shí)間為18.ns，根據(jù)串連系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間合成規(guī)律計(jì)算公式(4)，該分壓器實(shí)物本身的 響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了 13. 5ns，所對(duì)應(yīng)的高頻截至頻率達(dá)到25.9MHz。若考慮到高壓方波源所產(chǎn) 生的高壓方波本身具有大約2ns的邊沿，該分壓器的頻帶還會(huì)更高。另外，本發(fā)明實(shí)物未采 用低壓臂串聯(lián)電感補(bǔ)償，因此方波響應(yīng)無(wú)振蕩。而現(xiàn)有許多分壓器施加了電感補(bǔ)償，雖然能 夠提高測(cè)量頻帶，但是也帶來(lái)了振蕩。 ~=VE (4) 因此，本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)方法效果良好，據(jù)此設(shè)計(jì)的實(shí)物擁有2M 的輸入阻抗
和25. 9MHz的測(cè)量頻帶，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)高電壓分壓器相比同時(shí)擁有高阻抗和寬頻帶。 上面通過(guò)特別的實(shí)施例內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員還可意識(shí)到變型
和可選的實(shí)施例的多種可能性，例如，通過(guò)組合和/或改變單個(gè)實(shí)施例的特征。因此，可以
理解的是這些變型和可選的實(shí)施例將被認(rèn)為是包括在本發(fā)明中，本發(fā)明的范圍僅僅被附上
的專利權(quán)利要求書及其同等物限制。
權(quán)利要求
一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設(shè)計(jì)方法，其中分壓器包括高壓電極、低壓電極、高壓臂電阻、低壓臂電阻和低壓臂電容，其特征在于通過(guò)控制高壓電極、低壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容的分布方式，使高壓電極與高壓臂電阻之間的空間雜散電容值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端成線性遞減式分布；而低壓電極與高壓臂電阻之間的空間雜散電容的值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端呈線性遞增式分布，則分壓器的輸出電壓幅值與被測(cè)電壓頻率無(wú)關(guān)，從而使得分壓器具有較高的輸入阻抗的同時(shí)，具有較寬的測(cè)量頻帶。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于如果將高壓臂電阻沿其軸線等分成n份，每 份與高壓電極之間的空間雜散電容分別為di，每份與低壓電極之間的空間雜散電容分別為 C^，其中i = 1，2，3…n，則雜散電容Qi和C2i的數(shù)值分別顯現(xiàn)出線性遞減和遞增，即Ci「C12 — C12_C13 —...... — Cm「C丄n — C (1)C2「C22 — C22_C23 —...... — C2H「C加一_c ②Cln = C21 = 0 (3)其中c為某一固定的電容數(shù)值。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于從0Hz到100MHz的測(cè)量頻帶范圍內(nèi)， 分壓器的輸出電壓幅值與被測(cè)電壓頻率無(wú)關(guān)。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述分壓器輸入阻抗至少為2MQ ，測(cè)量 頻帶至少為25. 9MHz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設(shè)計(jì)方法，屬于電力系統(tǒng)電力器件領(lǐng)域。通過(guò)控制高壓電極、低壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容的分布方式，使高壓電極與高壓臂電阻之間的空間雜散電容值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端成線性遞減式分布；而低壓電極與高壓臂電阻之間的空間雜散電容的值沿高壓臂電阻從高壓端到低壓端呈線性遞增式分布，則分壓器的輸出電壓幅值與被測(cè)電壓頻率無(wú)關(guān)，從而使得分壓器具有較高的輸入阻抗的同時(shí)，具有較寬的測(cè)量頻帶。
文檔編號(hào)G01R15/00GK101762733SQ20101003400
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者張春雨, 朱家騮, 李成榕, 查鯤鵬, 程養(yǎng)春 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院;華北電力大學(xué)