一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設計方法
2023-09-22 21:02:10 2
專利名稱：一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設計方法
技術領域：
本發明涉及電力系統電力器件領域，具體涉及一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的
設計方法。
背景技術：
1、問題的提出 電力行業中常常需要測量上萬伏特的高電壓。阻容分壓器是一種用於高電壓測量 的儀器，能夠將高電壓按照固定比例縮小，以進行測量。其原理如圖1所示，其中仏為被測 高壓，U2為分壓器輸出的低壓信號，高壓臂電阻R1遠遠大於低壓臂電阻R"由於被測電壓 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題，而且 需要考慮對被測電路產生的影響，因而往往需要採用很大的高壓臂電阻(例如2MQ)和很 小的高壓臂電容(例如2pF)，以減小對被測電路的影響、減小分壓器的功率。通常高壓臂電 容由空間雜散電容來代替。 為了儘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，尤其是嚴重限制了分壓器的高頻測量頻帶。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，其中仏為被測高壓，U2 為分壓器輸出的低壓信號。空間雜散電容本身是分布參數，為了便於分析，由集中參數電容 Q來表示。根據圖2， &與Q組成了低通濾波器，使得分壓器對高頻信號的輸出偏小。
為了滿足分壓器從直流到高頻成份的寬頻帶範圍內的準確測量，要求分壓器具有 足夠高的高頻截至頻率。根據圖2所示原理來分析，要保證分壓器具有足夠高的高頻截至 頻率，&與d的乘積應儘量小。然而，實際應用中空間雜散電容Q難以減小，因為高壓臂必 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小，則不但會影響被測 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量頻帶的 關鍵因素。 2、現有解決方案分析
1)傳統解決方案 為了在保持分壓器輸入阻抗很高的同時，提高分壓器的測量頻帶，現有的通常做 法是改變分壓器的電極結構，用高壓電極與高壓臂電阻之間的雜散電容來平衡低壓電極與 高壓臂電阻之間的雜散電容。常見的電極形狀如圖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，仏為被測高壓，仏為分壓器輸出 的低壓信號，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Cn與(:12相等時，電容電流全部流經雜散電容，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，由於空間雜散電容和高壓臂電阻均是分布參數，圖4所示只是理想狀態，實際中難以達到。按照分布參數設計等效電路，如圖5所示，其中U。為被測高壓，u為分壓器輸出的低壓信號，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所示分布參數電路，仿真計算分壓器擁有圖3所示的電極結構下的幅頻特性，則發現當電極的直徑較小時，無論如何調整電容c、 C 和C2i的數值，分壓器的輸出電壓幅值總是與頻率相關，難以獲得不受頻率影響的輸出結果；只有當電極直徑大於高壓臂電阻長度的2倍時，傘形結構和工字形結構的分壓器才會顯出比較理想的幅頻特性，而此時分壓器的橫向尺寸變得很大。圖6顯示了一種傘形結構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。可見，傳統解決方案在電極尺寸有限的情況下也難以解決問題。
2)新型分壓器結構 除了上述傳統方式之外，還有一些比較新穎的電極結構。參考文獻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、角度等參數對分壓器性能的影響，並做了優化設計。但是根據參考文獻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下的直線分布，但是仍有彎曲，說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時間為19ns，但是高壓臂電阻只有10kQ。按照這種結構，若高壓臂電阻達到2MQ ，則其響應時間將遠遠大於19ns。 參考文獻3，4提出了一種具有套筒電極的分壓器結構，如圖8(a)所示。該分
壓器用套筒電極來收集原來的高壓臂對地電極雜散電容電流，並將此電流補償到低壓臂中去，從而減小了雜散電容的影響。該分壓器通過調節套筒電極的長度來達到電容電流的最佳補償，如圖8(b)所示3。但是該結構仍然無法從根本上解決雜散電容影響，因為雜散電容是分布參數，難以做到完全補償，從而出現圖8(b)中曲線要麼過衝，要麼上升沿緩慢的情況。根據參考文獻3所述，該分壓器經優化設計後，響應時間達到了 0.8ns，但是其高壓臂電阻只有5k Q ，而且低壓臂有20nH的電感，使得階躍響應有振蕩。按照這種結構，如果高壓臂電阻達到2MQ ，則該分壓器的響應時間遠大於0. 8ns。實際上，申請人按照該結構仿真計算過高壓臂電阻為2MQ時的情形，也選用兩級分壓，總分壓器為10000 : 1。當套筒電極的長度為高壓臂電阻長度的一半時，效果最好。圖9給出了此時一級分壓低壓臂不同電容數值下的分壓器階躍響應波形，最好的響應時間僅達到470ns。 參考文獻5，6提出了一種傳輸線形式的分壓器，並且利用硫酸銅溶液作為高壓
臂電阻。該分壓器的結構如圖io所示，由兩級分壓組成，特別是第一級按照傳輸線模型設
計。為了使第一級阻抗匹配，要求第一級高壓臂電阻值下限為lk，上限為2kQ6。該分壓器經過優化設計後階躍響應上升時間達到1. 843ns6。但是，由於分壓器的響應時間與高壓臂電阻&和高壓臂電阻對低壓電極的雜散電容Q之間的乘積I^XQ成反比關係，如果高壓臂電阻達到2MQ時，其響應時間將遠大於1. 843ns。
參考文獻1趙中原，邱毓昌，王建生，於永明，高壓換流閥組件衝擊電壓測量用高壓探頭，高電壓技術，2002年10月，第28巻第10期，第1 2轉15頁。2方志，趙中原，邱毓昌，王建生，於永明，直流輸電換流閥晶閘管電壓分布的光電測量系統，電力系統自動化，2003年7月，第27巻第14期，第69 71頁。
3陳煒峰，蔣全興， 一種電阻脈衝分壓器的研製，高電壓技術，2006年7月，第32 巻第7期，第76-78頁轉119頁。4陳煒峰，蔣全興，電阻分壓器性能與高壓納秒雙指數脈衝的測量，東南大學學 報(自然科學版)，2006年5月，第36巻第3期，第374-379頁。5鄔昌峰，蔣全興，何鵬，趙才軍，新型脈衝分壓器的分析與誤差補償，高壓電器， 2008年4月，第44巻第2期，第168-171頁。6鄔昌峰，蔣全興，何鵬，電解液分壓器的優化設計，高壓電器，2008年6月，第44 巻第3期，第232-235頁。
發明內容
本發明提供了一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設計方法，即通過控制高壓電 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，具有很寬的測量頻帶；並且提出了一種具有三角圓 筒形電極的阻容分壓器結構的實現方式。 按照如圖11所示的分布參數電路進行仿真計算。圖11中被測高壓為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
請人發現，當雜散電容Cu和C2i的數值分別顯現出線性遞減和遞增時，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值，分壓器的輸出與頻率無關。部分仿真計算結果如
圖12和圖13所示。在圖12中，顯示了外加電壓為lOkV時高壓臂電阻上的電壓分布情況，
其中高壓臂電阻為2MQ ;高壓臂電阻對高壓電極的總雜散電容l]Cw為o. 7pF(該數值的大
(=1
小不影響圖中曲線的形狀)；高壓臂電阻對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 顯現出理想的均勻分布，說明雜散電容Cu和(^上的電流完全相互補償，沒有流經高壓臂電 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係，其中高壓 臂電阻為2MQ ;高壓臂電阻對高壓電極的總雜散電容力Ch為0. 7pF ;高壓臂電阻對低壓電
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的範圍內(本文只仿真到了 lOOMHz)，分壓器的輸出電壓幅值與頻率無關。
因此，根據仿真分析，只要雜散電容滿足公式(1) (3)，而無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電壓的頻率無關，從而可以做到既有很大的輸入阻抗，又有很寬的測量頻帶。 本發明的有益效果是 1.所設計的分壓器能夠同時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，使得傳感器測量頻帶從理論上擺脫了雜散電容的影響，為實際的分壓器設計中電極的設計提供了新的理論指導。 3.按照本發明所涉及的理論所設計出來的分壓器不但具有高阻抗和寬頻帶，而且由於電極採用了三角圓筒式結構，使得分壓器的直徑大為減小。若採用傳統的傘形或者工字形電極結構，該分壓器的直徑需要增大一倍以上。
為了使本發明的內容被更清楚的理解，並便於具體實施方式
的描述，下面給出與
本發明相關的
如下 圖1是阻容分壓器等效電路圖； 其中，^ :被測高壓；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是空間雜散電容對電阻分壓器的影響； 其中，^ :被測高壓；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是常見分壓器電極結構； (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示出了藉助於電極結構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是分壓器分布參數等效電路； 圖6是傘形電極結構的分壓器幅頻特性仿真結果圖； 圖7是一種具有屏蔽罩的分壓器； 其中，(a)分壓器結構示意圖； l-高壓電極引線端，2-有機玻璃罩，3-屏蔽環，4-低壓電極引線端，5-高壓臂，
6-鋁罩，7-低壓臂，8-測量引出線 (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)分壓器結構示意圖； 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； 圖9示出了高壓臂電阻為2M時具有套筒電極的分壓器的階躍響應； 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-旋轉指數曲線屏蔽罩，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-接高壓快脈衝，1-硫酸銅溶液有效長度
圖11示出了分壓器分布參數等效電路圖； 圖12示出了本發明分壓器的高壓臂電阻上的電壓分布仿真結果； 圖13示出了本發明分壓器的低壓臂輸出電壓幅值與電壓頻率的關係仿真結果； 圖14是本發明的一個實例的圖； 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是本發明實物的方波響應； (a)全波波形;(b)上升沿;(C)下降沿;
具體實施例方式
下面是本發明的一個優選實施例，以下結合本附圖對本發明實現的技術方案做進 一步說明。 按照上述設計思想，設計了如圖14所示的具有三角形圓柱電極結構的分壓器。其 中電極圓筒的外直徑為52mm，內直徑為44mm ;高壓臂電阻長度為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沿圓筒軸線從 高壓端到低壓端成線性遞增。由於電極與高壓臂電阻之間的分布電容與電極的圓周有線性 關係，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所示實物的方波響應， 圖中方波的平均邊沿達到22. 5ns。由於測量中使用了光纖信號轉換和傳輸系統，該系統的 響應時間為18.ns，根據串連繫統的響應時間合成規律計算公式(4)，該分壓器實物本身的 響應時間達到了 13. 5ns，所對應的高頻截至頻率達到25.9MHz。若考慮到高壓方波源所產 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更高。另外，本發明實物未採 用低壓臂串聯電感補償，因此方波響應無振蕩。而現有許多分壓器施加了電感補償，雖然能 夠提高測量頻帶，但是也帶來了振蕩。 ~=VE (4) 因此，本發明所提出的設計方法效果良好，據此設計的實物擁有2M 的輸入阻抗
和25. 9MHz的測量頻帶，與現有國內高電壓分壓器相比同時擁有高阻抗和寬頻帶。 上面通過特別的實施例內容描述了本發明，但是本領域技術人員還可意識到變型
和可選的實施例的多種可能性，例如，通過組合和/或改變單個實施例的特徵。因此，可以
理解的是這些變型和可選的實施例將被認為是包括在本發明中，本發明的範圍僅僅被附上
的專利權利要求書及其同等物限制。
權利要求
一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設計方法，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，其特徵在於通過控制高壓電極、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電壓頻率無關，從而使得分壓器具有較高的輸入阻抗的同時，具有較寬的測量頻帶。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於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的數值分別顯現出線性遞減和遞增，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值。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於從0Hz到100MHz的測量頻帶範圍內， 分壓器的輸出電壓幅值與被測電壓頻率無關。
4. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述分壓器輸入阻抗至少為2MQ ，測量 頻帶至少為25. 9MHz。
全文摘要
本發明提供了一種高阻抗寬頻帶高電壓分壓器的設計方法，屬於電力系統電力器件領域。通過控制高壓電極、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電壓頻率無關，從而使得分壓器具有較高的輸入阻抗的同時，具有較寬的測量頻帶。
文檔編號G01R15/00GK101762733SQ20101003400
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月8日 優先權日2010年1月8日
發明者張春雨, 朱家騮, 李成榕, 查鯤鵬, 程養春 申請人:中國電力科學研究院;華北電力大學