一种高阻抗宽频带高电压分压器的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种高阻抗宽频带高电压分压器的设计方法，属于电力系统电力器件领域。通过控制高压电极、低压电极与高压臂电阻之间的杂散电容的分布方式，使高压电极与高压臂电阻之间的空间杂散电容值沿高压臂电阻从高压端到低压端成线性递减式分布；而低压电极与高压臂电阻之间的空间杂散电容的值沿高压臂电阻从高压端到低压端呈线性递增式分布，则分压器的输出电压幅值与被测电压频率无关，从而使得分压器具有较高的输入阻抗的同时，具有较宽的测量频带。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统电力器件领域，具体涉及一种高阻抗宽频带高电压分压器的设计方法。
技术介绍
1、问题的提出 电力行业中常常需要测量上万伏特的高电压。阻容分压器是一种用于高电压测量 的仪器，能够将高电压按照固定比例縮小，以进行测量。其原理如图1所示，其中仏为被测 高压，U2为分压器输出的低压信号，高压臂电阻R1远远大于低压臂电阻R"由于被测电压 很高，分压器的高压臂电阻和电容不但需要考虑绝缘、散热和防止电晕等一系列问题，而且 需要考虑对被测电路产生的影响，因而往往需要采用很大的高压臂电阻(例如2MQ)和很 小的高压臂电容(例如2pF)，以减小对被测电路的影响、减小分压器的功率。通常高压臂电 容由空间杂散电容来代替。 为了尽量提高分压器的局部放电电压、电晕电压和击穿电压，确保使用安全，高压 电极和低压电极之间必须具有足够的绝缘距离。因此，高压臂电阻需要具备足够大的尺寸。 在这种高压臂电阻不但阻值大而且尺寸大的情况下，电极与高压电阻本体之间的空间杂散 电容的影响很大，尤其是严重限制了分压器的高频测量频带。图2给出了低压电极(接地 电极，或者是大地)与高压电阻之间存在空间杂散电容的示意情况，其中仏为被测高压，U2 为分压器输出的低压信号。空间杂散电容本身是分布参数，为了便于分析，由集中参数电容 Q来表示。根据图2， &与Q组成了低通滤波器，使得分压器对高频信号的输出偏小。 为了满足分压器从直流到高频成份的宽频带范围内的准确测量，要求分压器具有 足够高的高频截至频率。根据图2所示原理来分析，要保证分压器具有足够高的高频截至 频率，&与d的乘积应尽量小。然而，实际应用中空间杂散电容Q难以减小，因为高压臂必 须拥有足够大的尺寸以保证足够的绝缘距离；而如果高压臂电阻过小，则不但会影响被测 电路，而且功耗太大散热困难。因此，Ri与Q的乘积偏大是限制高压分压器的测量频带的 关键因素。 2、现有解决方案分析 1)传统解决方案 为了在保持分压器输入阻抗很高的同时，提高分压器的测量频带，现有的通常做 法是改变分压器的电极结构，用高压电极与高压臂电阻之间的杂散电容来平衡低压电极与 高压臂电阻之间的杂散电容。常见的电极形状如图3所示，有伞形、工字形、哑铃型等等。图 4示意了电极形状改善分压器高频性能的原理。在图4中，仏为被测高压，仏为分压器输出 的低压信号，Cu代表高压电极与高压臂电阻之间的杂散电容，C12代表低压电极与高压臂电 阻之间的杂散电容。当Cn与(:12相等时，电容电流全部流经杂散电容，而高压臂电阻中只存 在阻性电流，就不存在图2中所示的"低通滤波"，因此分压器的高频性能得以提高。 但是，由于空间杂散电容和高压臂电阻均是分布参数，图4所示只是理想状态，实际中难以达到。按照分布参数设计等效电路，如图5所示，其中U。为被测高压，u为分压器输出的低压信号，高压臂电阻R被等分成n份，每份均与高压电极之间存在杂散电容C『与低压电极之间存在杂散电容C^r为低压臂电阻，c为低压臂电容。利用图5所示分布参数电路，仿真计算分压器拥有图3所示的电极结构下的幅频特性，则发现当电极的直径较小时，无论如何调整电容c、 C 和C2i的数值，分压器的输出电压幅值总是与频率相关，难以获得不受频率影响的输出结果；只有当电极直径大于高压臂电阻长度的2倍时，伞形结构和工字形结构的分压器才会显出比较理想的幅频特性，而此时分压器的横向尺寸变得很大。图6显示了一种伞形结构下的分压器幅频特性，其中高压臂电阻为2MQ，低压臂电阻为333Q，低压臂电容为100pF。可见，传统解决方案在电极尺寸有限的情况下也难以解决问题。 2)新型分压器结构 除了上述传统方式之外，还有一些比较新颖的电极结构。参考文献1 ， 2提出了一种如图7所示的形式，其中高压电极带有伞形屏蔽罩，低压电极为圆筒，研究了高压电极屏蔽罩的直径、深度、角度等参数对分压器性能的影响，并做了优化设计。但是根据参考文献1中给出的电压沿高压臂电阻的分布曲线，如图7所示，可以看到电压分布曲线接近理想状态下的直线分布，但是仍有弯曲，说明分压器的输出仍受电压频率的影响。该高压探头的部分响应时间为19ns，但是高压臂电阻只有10kQ。按照这种结构，若高压臂电阻达到2MQ ，则其响应时间将远远大于19ns。 参考文献3，4提出了一种具有套筒电极的分压器结构，如图8(a)所示。该分压器用套筒电极来收集原来的高压臂对地电极杂散电容电流，并将此电流补偿到低压臂中去，从而减小了杂散电容的影响。该分压器通过调节套筒电极的长度来达到电容电流的最佳补偿，如图8(b)所示3。但是该结构仍然无法从根本上解决杂散电容影响，因为杂散电容是分布参数，难以做到完全补偿，从而出现图8(b)中曲线要么过冲，要么上升沿缓慢的情况。根据参考文献3所述，该分压器经优化设计后，响应时间达到了 0.8ns，但是其高压臂电阻只有5k Q ，而且低压臂有20nH的电感，使得阶跃响应有振荡。按照这种结构，如果高压臂电阻达到2MQ ，则该分压器的响应时间远大于0. 8ns。实际上，申请人按照该结构仿真计算过高压臂电阻为2MQ时的情形，也选用两级分压，总分压器为10000 : 1。当套筒电极的长度为高压臂电阻长度的一半时，效果最好。图9给出了此时一级分压低压臂不同电容数值下的分压器阶跃响应波形，最好的响应时间仅达到470ns。 参考文献5，6提出了一种传输线形式的分压器，并且利用硫酸铜溶液作为高压臂电阻。该分压器的结构如图io所示，由两级分压组成，特别是第一级按照传输线模型设计。为了使第一级阻抗匹配，要求第一级高压臂电阻值下限为lk，上限为2kQ6。该分压器经过优化设计后阶跃响应上升时间达到1. 843ns6。但是，由于分压器的响应时间与高压臂电阻&和高压臂电阻对低压电极的杂散电容Q之间的乘积I^XQ成反比关系，如果高压臂电阻达到2MQ时，其响应时间将远大于1. 843ns。 参考文献1赵中原，邱毓昌，王建生，于永明，高压换流阀组件冲击电压测量用高压探头，高电压技术，2002年10月，第28巻第10期，第1 2转15页。2方志，赵中原，邱毓昌，王建生，于永明，直流输电换流阀晶闸管电压分布的光电测量系统，电力系统自动化，2003年7月，第27巻第14期，第69 71页。3陈炜峰，蒋全兴， 一种电阻脉冲分压器的研制，高电压技术，2006年7月，第32 巻第7期，第76-78页转119页。4陈炜峰，蒋全兴，电阻分压器性能与高压纳秒双指数脉冲的测量，东南大学学 报(自然科学版)，2006年5月，第36巻第3期，第374-379页。5邬昌峰，蒋全兴，何鹏，赵才军，新型脉冲分压器的分析与误差补偿，高压电器， 2008年4月，第44巻第2期，第168-171页。6邬昌峰，蒋全兴，何鹏，电解液分压器的优化设计，高压电器，2008年6月，第44 巻第3期，第232-235页。
技术实现思路
本专利技术提供了，即通过控制高压电 极、低压电极与高压臂电阻之间的杂散电容的分布方式，使高压电极与高压臂电阻之间的 空间杂散电容值沿高压臂电阻从高压端到低压端成线性递减式分布；而低压电极与高压臂 电阻之间的空间杂散电容的值沿高压臂电阻从高压端到低压端呈线性递增式分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高阻抗宽频带高电压分压器的设计方法，其中分压器包括高压电极、低压电极、高压臂电阻、低压臂电阻和低压臂电容，其特征在于：通过控制高压电极、低压电极与高压臂电阻之间的杂散电容的分布方式，使高压电极与高压臂电阻之间的空间杂散电容值沿高压臂电阻从高压端到低压端成线性递减式分布；而低压电极与高压臂电阻之间的空间杂散电容的值沿高压臂电阻从高压端到低压端呈线性递增式分布，则分压器的输出电压幅值与被测电压频率无关，从而使得分压器具有较高的输入阻抗的同时，具有较宽的测量频带。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程养春，查鲲鹏，李成榕，张春雨，朱家骝，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]