CN101710137B

CN101710137B - 电感、电阻补偿型电容分压器

Info

Publication number: CN101710137B
Application number: CN2009102193883A
Authority: CN
Inventors: 翟小社; 王建华; 耿英三; 王妍; 王振兴; 刘志远; 张国钢
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: CN101710137A

Abstract

本发明旨在设计一种电感、电阻补偿型电容分压器，用于功率脉冲或电力系统纳秒级暂态高电压的测量。该分压器包括通过同轴连接头相连接的高压臂和低压臂，在高压臂上增加用以补偿低压臂的寄生参数效应的补偿电感及补偿电阻，低压臂采用分立元件构成的分压盒，并采用多个电容同轴并联而成放置在金属屏蔽盒中。本发明能够无损的将高幅值瞬态电压信号转换成示波器等记录仪器能够测量的低电压信号。

Description

电感、电阻补偿型电容分压器

技术领域

本发明涉及一种电容分压器，具体涉及一种用于脉冲功率或电力系统的用于纳秒级高压脉冲测量的电感、电阻补偿型电容分压器。

背景技术

目前用于测量冲击高电压的分压器主要有电容式和阻容式两种结构，而纯电容分压器尽管只有幅值误差，但电容分压器本身带有电感，在测量冲击电压时，波头处难免产生高频振荡。阻容并联分压器尽管也可用于脉冲电压的测量，但常用的阻容并联分压器难以满足分压比不变条件，在测量时同样存在波形畸变问题。

采用阻容串联分压的这种电阻型补偿方式，阻尼电阻不能过大，过大的阻尼电阻会使分压器高频响应变差，但小的阻尼电阻可能导致分压器产生较大的波头振荡，频带宽度的问题依然没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以电感、电阻补偿方式拓宽分压器测量频带目的的电感、电阻补偿型电容分压器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括通过同轴连接头相连接的高压臂和低压臂，在高压臂上增加用以补偿低压臂的寄生参数效应的补偿电感L₁及补偿电阻R₁，低压臂采用分立元件构成的分压盒，在分压盒内设置有与同轴连接头相连的电容，通过对低压臂阻抗频率特性的精确测量以及通过仿真对低压臂的寄生参数进行拟合，确定高压臂的补偿电感和补偿电阻，从而实现拓宽电容分压器测量频带。

本发明的高压臂采用同轴辐射结构，高压臂的一次侧导体处于中间，植入电极围绕着一次侧导体，二者之间的分布电容构成电容分压器的高压臂，且在一次侧导体与植入电极之间浇注有环氧树脂；在高压臂上增加用以补偿低压臂的寄生参数效应的精密电阻、高频电感线圈与植入电极相连构成高压臂补偿电感L₁及补偿电阻R₁；分压盒为金属屏蔽盒，低压臂的电容C₂采用八个大容值的高频陶瓷电容同轴并联呈辐射结构放置在金属屏蔽盒中。

本发明由低压臂阻抗频率特性出发，确定高压臂的补偿电感和补偿电阻，是实现拓宽电容分压器测量频带的有效方法。为了能够精确测量和标定低压臂的频域响应特性，用以确定高压臂的补偿参数，分压器的低压臂采用了分立元件构成分压盒。分压盒的以上结构特点，能够实现对其阻抗频域特性的精确测量，为高压臂补偿元件参数的确定提供基本的依据。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是高压臂结构；

图3是低压臂结构；

图4是低压臂的阻抗频响测量及参数拟合；

图5是分压器的脉冲响应仿真。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，由于电介质极化、电极的欧姆电阻、局部放电等消耗能量，低压臂的高频等效模型采用电阻R₂、电感L₂和电容C₂串联电路，如图1所示。图1中，C₁为高压臂电容，L₁、R₁分别为高压臂的补偿电感、补偿电阻。本发明包括通过同轴连接头相连接的高压臂和低压臂，在高压臂上电容C₁的两侧增加用以补偿低压臂的寄生参数效应的补偿电感L₁及补偿电阻R₁，根据电容元件的物理结构及频域响应特性，低压臂采用分立元件构成的分压盒，在分压盒内设置有与同轴连接头7相连的电容C₂，通过对低压臂阻抗频率特性的精确测量，确定高压臂的补偿电感和补偿电阻，从而实现拓宽电容分压器测量频带。电阻R₂、电感L₂是在高频测量中由电容C₂引起的分压盒的寄生参数，为达到以电感、电阻补偿方式拓宽分压器测量频带的目的，本发明根据电路理论，首先确定高压臂的补偿元件参数。

根据图1的电路分析，分压比β满足：

\frac{1}{β} = \frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{\frac{1}{jw C_{2}} + jw L_{2} + R_{2}}{\frac{1}{jw C_{1}} + jw L_{1} + R_{1} + \frac{1}{jw C_{2}} + jw L_{2} + R_{2}} - - - (1)

= \frac{(C_{1} - w^{2} L_{2} C_{1} C_{2}) + jw R_{2} C_{1} C_{2}}{(C_{1} + C_{2} - w^{2} L_{1} C_{1} C_{2} - w^{2} L_{2} C_{1} C_{2}) + jw R_{1} C_{1} C_{2} + jw R_{2} C_{1} C_{2}}

其中U₁是高压臂被测电压，U₂是低压臂分压盒两端电压。图1各元件在一般取值的情况下，分压比β为复数，其幅频、相频响应均与被测信号的频率有关，为实现测量结果与频率无关，令：

\frac{w R_{2} C_{1} C_{2}}{C_{1} - w^{2} L_{2} C_{1} C_{2}} = \frac{{wR}_{1} C_{1} C_{2} + {wR}_{2} C_{1} C_{2}}{C_{1} + C_{2} - w^{2} L_{1} C_{1} C_{2} - w^{2} L_{2} C_{1} C_{2}} - - - (2)

此时图1各电路元件满足：

\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{C_{2}}{C_{1}} = \frac{L_{1}}{L_{2}} - - - (3)

当参数满足等式(3)时，电容分压器的分压比为：

β = \frac{C_{1} + C_{2}}{C_{1}} - - - (4)

由上述分析，当分压器各元件参数满足(4)时，其分压比β为实常数，为高低压臂电容值之和与高压臂容值之比。可实现测量结果与被测信号的频率无关，从而极大的拓宽电容分压器的测量频带，无损的将高幅值瞬态电压信号转换成示波器等记录仪器能够测量的低电压信号。

参见图2，本发明的高压臂采用同轴辐射结构，高压臂的一次侧导体1处于中间，植入电极2围绕着一次侧导体1，二者之间的分布电容构成电容分压器的高压臂，且在一次侧导体1与植入电极2之间浇注有环氧树脂4；精密电阻5、高频电感线圈6与植入电极2相连构成高压臂补偿电感L₁及补偿电阻R₁。电容分压器通过屏蔽接地外壳3接地。

参见图3，本发明低压臂的电容C₂采用八个大容值的高频陶瓷电容(8)同轴并联呈辐射结构放置在金属屏蔽盒9中。

图4，5是低压臂分压盒的阻抗频响实测结果。根据测量结果可进行低压臂寄生参数的拟合，为高压臂补偿参数的确定提供依据。根据图4测量结果进行参数拟合，串连等效电阻：0.03Ω，串连等效电感：0.7nH。

Claims

1.一种电感、电阻补偿型电容分压器，其特征在于：包括通过同轴连接头(7)相连接的高压臂和低压臂，在高压臂上增加用以补偿低压臂的寄生参数效应的补偿电感(L₁)及补偿电阻(R₁)，低压臂采用分立元件构成的分压盒，在分压盒内设置有与同轴连接头(7)相连的电容，通过对低压臂阻抗频率特性的精确测量以及通过仿真对低压臂的寄生参数进行拟合，确定高压臂的补偿电感和补偿电阻，从而实现拓宽电容分压器测量频带。

2.根据权利要求1所述的电感、电阻补偿型电容分压器，其特征在于：所说的高压臂采用同轴辐射结构，高压臂的一次侧导体(1)处于中间，植入电极(2)围绕着一次侧导体(1)，二者之间的分布电容构成电容分压器的高压臂，且在一次侧导体(1)与植入电极(2)之间浇注有环氧树脂(4)；精密电阻(5)、高频电感线圈(6)与植入电极(2)相连构成高压臂补偿电感(L₁)及补偿电阻(R₁)。

3.根据权利要求1所述的电感、电阻补偿型电容分压器，其特征在于：所说的分压盒为金属屏蔽盒(9)，低压臂采用八个大容值的高频陶瓷电容(8)同轴并联呈辐射结构放置在金属屏蔽盒(9)中。