高壓脈沖阻容分壓器的設(shè)計(jì)

高壓脈沖阻容分壓器的設(shè)計(jì)摘要在介紹阻容分壓器基本原理的基礎(chǔ)上，分析了脈沖信號(hào)時(shí)間與阻容分壓器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的關(guān)系。建立分壓器的等效電路圖，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析表明阻容分壓器中的寄生電感和電容對(duì)分壓器的影響較大，當(dāng)他們達(dá)到一定的程度會(huì)使系統(tǒng)輸出波形的振動(dòng)劇烈，上升時(shí)間變長，輸出波形失真1。電容器中的電阻對(duì)分壓器的性能有一定的影響，在設(shè)計(jì)高壓脈沖阻容分壓器時(shí)要適當(dāng)給予考慮。通過改變等效電路中的各個(gè)參數(shù)，分析不同參數(shù)對(duì)分壓器測(cè)量性能的影響，對(duì)分壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞分壓器；阻容分壓器；電壓測(cè)量；響應(yīng)時(shí)間；DESIGNOFTHECAPACITORDIVIDERFORMEASURINGOFHIGHVOLTAGEPULSESTUDENTMAJORINGINAGRICULTUREELECTRIFICATIONANDAUTOMATIONSHENJINYUTUTORCHENWEIFENGABSTRACTTHERELATIONBETWEENTHEPULSESIGNALSANDTHEMEASUREMENTSYSTEMSTIMECONSTANTOFRESISTANCECAPACITANCEVOLTAGEDIVIDERAREANALYZEDONTHEBASEOFTHEINTRODUCTIONOFFUNDAMENTALPRINCIPLEOFRESISTANCECAPACITANCEVOLTAGEDIVIDEREQUIVALENTCIRCUITOFTHEVOLTAGEDIVIDERISESTABLISHEDINORDERTOSIMULATETHEMEASUREMENTSYSTEM,THESIMULATIONANALYSISSHOWEDTHATTHERESISTANCEANDCAPACITANCEINTHECAPACITYHAVEGREATEREFFECTONRESISTANCECAPACITANCEVOLTAGEDIVIDERTHEOUTPUTWAVEFORMOFTHESYSTEMWILLVIBRATEINTENSIVELY,THERISINGTIMEWILLBECOMELONGER,ANDTHEOUTPUTWAVEFORMWILLBEDISTORTEDWHENTHEYREACHACERTAINEXTENTTHERESISTANCEOFTHECAPACITYHASACERTAININFLUENCEONTHEFUNCTIONOFVOLTAGEDIVIDERWHICHSHOULDBECONSIDEREDINDESIGNINGAHIGHVOLTAGEPULSECAPACITYVOLTAGEDIVIDERTHEVOLTAGEDIVIDERSSTRUCTURECANBEOPTIMIZEDBYCHANGINGTHECIRCUITSPARAMETERSANDANALYZINGTHEINFLUENCEOFDIFFERENTPARAMETERSTHEVOLTAGERATIOOFTHEDESIGNEDCAPACITANCEVOLTAGEDIVIDERIS2100KEYWORDSPOTENTIOMETER；RESISTANCECAPACITANCEVOLTAGEDIVIDER；MEASURE；RESPONSETIME緒論1研究分壓器的功能和意義將高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為示波器所能測(cè)量的低壓信號(hào)，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中占有重要地位，分壓器的性能好壞直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體性能的好壞。分壓器作為轉(zhuǎn)換裝置，是沖擊測(cè)量系統(tǒng)常用的主要組成部分之一。它的作用是把幾萬伏或幾十萬伏的沖擊高電壓轉(zhuǎn)換成示波器等記錄儀能夠測(cè)量的低電壓。老式的高電壓示波器最高能施加1KV2KV,而通用的數(shù)字存儲(chǔ)示波器一般只能加上幾十伏或幾伏，所以要通過高壓分壓器把高電壓轉(zhuǎn)換成幾十伏或幾伏的電壓才可以輸入同軸電纜上，通過同軸電纜把幾百毫伏至幾十伏電壓傳送到數(shù)字示波器上進(jìn)行測(cè)量。2脈沖分壓器測(cè)量應(yīng)滿足的要2（1）將被測(cè)電壓波形的各部分按比例縮小后，波形無畸變；（2）分壓比恒定，在適用范圍內(nèi)，不隨大氣條件或被測(cè)電壓的波形、頻率、幅值等因素而變；（3）分壓器的接入對(duì)被測(cè)電壓過程影響應(yīng)微小到容許程度。此外，分壓器所消耗的電能應(yīng)不大。在一定的冷卻條件下，分壓器消耗的電能所形成的溫升不應(yīng)引起分壓比的改變。分壓比在一定頻帶范圍內(nèi)應(yīng)與被測(cè)電壓的頻率和幅值無關(guān)。3設(shè)計(jì)的思路在參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，立足現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備條件提出初步的設(shè)計(jì)方案，按照方案建立等效電路圖進(jìn)行仿真,分析仿真結(jié)果,確定分壓器的參數(shù)。隨后進(jìn)行焊接，工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)期的要求和目標(biāo)。主要的工作內(nèi)容包括1理論分析,建立模型2電路仿真,確定參數(shù)3實(shí)物制作,試驗(yàn)驗(yàn)證4結(jié)果分析,不斷改進(jìn)1脈沖測(cè)量技術(shù)電磁脈沖測(cè)量，包括脈沖電場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、脈沖電壓及脈沖電流的測(cè)量。由于電磁脈沖信號(hào)是上升時(shí)間僅幾個(gè)納秒、持續(xù)時(shí)間幾十納秒至幾個(gè)毫秒的極高強(qiáng)度的瞬態(tài)信號(hào)，其頻譜覆蓋了零到幾百兆赫的頻帶，因而要求測(cè)量系統(tǒng)具有與之相適應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍，且既不能對(duì)被測(cè)環(huán)境產(chǎn)生明顯的影響，又要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。11脈沖電壓的測(cè)量測(cè)量脈沖高電壓的常用方法是分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)、微積分環(huán)節(jié)與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)及光電測(cè)量系統(tǒng)等。電壓峰值不很高的脈沖電壓（幾千伏至50千伏），可以通過商品高電壓探頭或衰減器及通用的數(shù)字儲(chǔ)存示波器直接進(jìn)行測(cè)量。但當(dāng)被測(cè)脈沖電壓峰值很高時(shí)，則必須要通過分壓器等的轉(zhuǎn)換裝置及其他多個(gè)部件組成的沖擊高壓分壓系統(tǒng)進(jìn)行峰值及波形的測(cè)量。脈沖分壓器可分為電阻分壓器、電容分壓器和阻容串聯(lián)分壓器3。電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，長期穩(wěn)定性較好。但為追求高響應(yīng)性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10K，因而為防止過熱，被測(cè)峰值電壓不能高于2MV。電阻分壓器測(cè)量瞬態(tài)脈沖電壓時(shí)所產(chǎn)生的誤差，與阻值和對(duì)地雜散電容的乘積相關(guān)，所以應(yīng)盡量減小對(duì)地雜散電容的大小及影響。通常除盡量減小分壓器的尺寸外，還可以采取供給式或收集式分布電容補(bǔ)償及電感補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善分壓器的響應(yīng)性能。電容分壓器不消耗能量，沒有發(fā)熱的麻煩，對(duì)測(cè)量波前和半峰值時(shí)間較長的脈沖波，比電阻分壓器較為有利。由于存在回路雜散振蕩問題，對(duì)測(cè)量陡波脈沖而言，其額定電壓也不能太高。又當(dāng)存在高壓引線時(shí)，其響應(yīng)特性不如電阻分壓器好。為了阻尼電容分壓器回路的振蕩，發(fā)展了阻容串聯(lián)分壓器，其性能與補(bǔ)償度和阻尼度有關(guān)。微積分測(cè)量系統(tǒng)4（DIFFERENTIATINGINTEGRATINGMEASURINGSYSTEMS,簡(jiǎn)稱D/I系統(tǒng)），是20世紀(jì)80年代初，因數(shù)字化測(cè)量的發(fā)展而開始興起的。D/I系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高壓源的負(fù)荷效應(yīng)極小，具有足夠高的響應(yīng)特性。其缺點(diǎn)是對(duì)積分器的要求高，對(duì)微分部分的電阻的無感要求也比一般電阻分壓器的高得多。光電測(cè)量系統(tǒng)是利用各種電光效應(yīng)或光通信方式進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。其中利用光纖傳輸線路良好的絕緣性能，可將高壓設(shè)備與高靈敏度的測(cè)量儀器及計(jì)算機(jī)隔離開，可減弱射頻干擾和雜散寄生信號(hào)對(duì)測(cè)量回路的影響。但與傳統(tǒng)的高壓分壓器或分流器為主的測(cè)量系統(tǒng)相比，光電測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。12脈沖電流的測(cè)量脈沖強(qiáng)電流的測(cè)量常用分流器和數(shù)字示波器所組成的系統(tǒng)，也常用羅戈夫斯基線圈（ROGOWSKICOIL）作為換能裝置。此外，也可用光電測(cè)量系統(tǒng)。設(shè)計(jì)分流器要考慮三個(gè)因素殘余電感應(yīng)盡量?。辉诒M可能寬的頻帶內(nèi)，分流器的有效阻抗必須為一常數(shù)；抗干擾性能要好，應(yīng)盡可能減小流經(jīng)電纜外導(dǎo)體的電流。用分流器測(cè)量脈沖電流時(shí)，被測(cè)電流將在分流器內(nèi)產(chǎn)生熱效應(yīng)和力效應(yīng)。如被測(cè)電流達(dá)幾百千安，分流器的制造會(huì)有一定的困難，此時(shí)常用羅戈夫斯基線圈來測(cè)量電流。羅戈夫斯基線圈是利用被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓來測(cè)量電流。其實(shí)際上是一種電流互感器測(cè)量系統(tǒng)。與分流器法相比，羅戈夫斯基線圈與被測(cè)電路沒有直接的電的聯(lián)系，可避免或減小電流源接地點(diǎn)的地電位瞬間升高所引起的干擾影響。由于線圈輸出端口上所得的電壓信號(hào)與被測(cè)電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比關(guān)系，所以，為了直接得到與電流成比例的信號(hào)，在測(cè)量系統(tǒng)中需加入積分環(huán)節(jié)。羅戈夫斯基線圈的積分法可分為LR積分式（自積分式）和RC積分式兩種。無論哪種積分方式，在參數(shù)選擇及系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，都必須使響應(yīng)特性滿足要求，自積分式方波響應(yīng)上升時(shí)間可做到小于1NS。目前最常用的測(cè)量方法有6（1）測(cè)量球隙；（2）分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)；（3）微分積分環(huán)節(jié)與存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)；（4）光電測(cè)量系統(tǒng)。球隙只能用來測(cè)量電壓峰值，不能測(cè)量電壓波形。微分積分測(cè)量系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初，因數(shù)字化測(cè)量的發(fā)展而開始興起的，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高壓源的負(fù)荷效應(yīng)極?。痪哂凶銐蚋叩捻憫?yīng)特性。缺點(diǎn)是當(dāng)微分環(huán)節(jié)的電容值很小時(shí)，往往靜態(tài)分壓比的測(cè)量誤差較大；對(duì)微分環(huán)節(jié)的電阻的無感要求很高；當(dāng)被測(cè)脈沖上升沿很陡時(shí)，微分環(huán)節(jié)的電阻上會(huì)出現(xiàn)極高的尖峰脈沖電壓。光電測(cè)量系統(tǒng)是利用各種電光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，其突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)被測(cè)對(duì)象的介入性較少、抗電磁干擾能力較強(qiáng)，但系統(tǒng)復(fù)雜，且測(cè)量的可靠性取決于光學(xué)、電子學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際性能，因而這些技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中。本章主要討論高壓脈沖電容分壓器的原理和制作。2高壓脈沖阻容分壓器5阻容分壓器分阻容串聯(lián)分壓器和阻容并聯(lián)分壓器，是在電阻分壓器和電容分壓器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改脈沖高壓強(qiáng)流測(cè)試裝置的研制進(jìn)而發(fā)展來的，其響應(yīng)性能已經(jīng)有了很大的改善，是更為優(yōu)越的分壓器。21阻容分壓器的基本原理阻容分壓器是采用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來分壓的，具有電阻分壓器低頻性能好的優(yōu)點(diǎn)及電容分壓器高頻性能好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是高阻低電容網(wǎng)絡(luò)測(cè)試復(fù)雜。阻容分壓器分為阻容并聯(lián)和串聯(lián)兩種，阻容并聯(lián)分壓器盡管可以作為沖擊電壓信號(hào)的測(cè)量分壓器，但電容和電阻分壓比的同步調(diào)節(jié)困難，因此一般選用在阻容串聯(lián)分壓器。阻容串聯(lián)分壓器包括高阻尼和低阻尼分壓器，高阻尼分壓器要考慮引線電感的影響，在高壓引線上需要添加阻尼電阻RD，且需要考慮阻尼電阻對(duì)分壓器特性的影響，如圖2。圖2高阻尼阻容分壓器圖2中包含阻尼電阻RD和C1組成高壓阻尼臂，R2和C2組成低壓臂。1R高阻尼電容分壓器在測(cè)量高頻沖擊信號(hào)是，利用電阻的特性轉(zhuǎn)換；而在測(cè)量低頻沖擊信號(hào)是則利用電容的轉(zhuǎn)換特性。也就是說沖擊信號(hào)起始按電阻比分配，最終按電容筆進(jìn)行分配。電阻和電容要求滿足51D12（R）C高阻尼電容分壓器的時(shí)間常數(shù)很大，當(dāng)測(cè)量較小的負(fù)載時(shí)，會(huì)因?yàn)殡娙莘謮浩鞯慕尤胧共ㄐ蔚恼{(diào)節(jié)較為困難。22電容分壓器測(cè)試系統(tǒng)221自積分電容分壓器圖23帶積分器的電容分壓器測(cè)量回路帶積分的電容分壓器的測(cè)試回路如圖238，C0、C1分別為高壓、低壓臂電容；Z為信號(hào)電纜的波阻抗；R為末端匹配電阻取值為50歐；積分電阻、電容分別為R1、C2；R2與為示波器輸入電阻、電容。示波器的輸入電阻R2遠(yuǎn)大于補(bǔ)償電阻R1，C1的輸出T的負(fù)載即為，則0DYTTDUTY對(duì)上式整理可得010TTCR對(duì)于式25，當(dāng)C0C1DYT/DTYT/R時(shí)，00DYTUTC即1/UTT假設(shè)被測(cè)量的電壓UT頻率是F，其上升沿R決定高頻FH，而脈寬D決定于低頻分F1。一般030D就無需外加積分器。01RC，當(dāng)2FRC0C11時(shí)，即003TD是就不需要積分器就可以測(cè)量被測(cè)電壓信號(hào)。以TR15NS，TD40NS，（）200KV來說030D1200NS,由0RC0C1，R50可得C0C10/R120005024NF,電容分壓器的高壓臂電容C0遠(yuǎn)小于低壓臂電容C1，不防取C008PF,那么C124NF08PF23002NF可以得到0124830NFP222微分電容分壓器當(dāng)C0C1DYT/DT20分壓器必須加積分電路。23等效電路231電容器的等效電路電容器的一般結(jié)構(gòu)通常由三部分組成（1）電容器芯子主要有介質(zhì)和極板構(gòu)成，它是電容器的核心部分，等效電路中通常用Z1表示。（2）保護(hù)結(jié)構(gòu)它的作用是保護(hù)電容芯子，使其能夠長期可靠的工作。這部分阻抗通常以Z2表示。（3）引線或絕緣子引出端這部分阻抗通常以Z3表示。在交流電壓作用下這三部分均起作用，其中Z1，Z2取并聯(lián)形式并與Z3串聯(lián)。若把電容器中的各部分都已集中參數(shù)表示，則可得出電容的等效電路圖2410如下圖2電容器的等效電路圖在Z1部分中，R1，C1表示電容器芯子介質(zhì)的等效并聯(lián)電阻和電容；R1，L1表示極板的電阻和電感。Z2部分中，R2，C2中表示保護(hù)層介質(zhì)的并聯(lián)電阻和電容；R2，L2表示保護(hù)層內(nèi)引出片的電阻和電感。在保護(hù)層結(jié)構(gòu)的等效電路中，偶遇保護(hù)層內(nèi)的引出片很短，同時(shí)面積有很小，所以和R2,L2,C2,R2的數(shù)值比起相應(yīng)的電容器芯子介質(zhì)的參數(shù)要小的多，一般情況下這部分的對(duì)整個(gè)電容器的影響很小。為了分析和計(jì)算的方便，上述電容器的等效電路可以進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。用集中參數(shù)形式表示，有如圖25所示七種形式，其中CP是主介質(zhì)和保護(hù)介質(zhì)的各種極化電容量；R是介質(zhì)極化引入的等效并聯(lián)電阻；RM是電容器金屬部分的電阻；R1是漏導(dǎo)阻抗，是針對(duì)B直流的情況圖2電容分壓器的簡(jiǎn)化等效圖232電容中的電感當(dāng)電流不斷流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)將在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁通量并形成磁場(chǎng)，磁通量的大小和方向取決于該導(dǎo)體的電流大小和方向。因此，磁通量與電流之間有一比例關(guān)系，此比例或其增量之間的比例就稱為該段導(dǎo)體的電感。明顯，電容器也是金屬導(dǎo)體，所以電容也有電感。當(dāng)交流電或變化的電流經(jīng)電容器的引出線、極板、金屬外殼等導(dǎo)體部分時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電感。實(shí)際上電容器的電容量和電感是同時(shí)并存的。電感的大小取決于通過電流導(dǎo)體的幾何尺寸和導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，而與通過的電流的大小無關(guān)。雖然各種電容的具體尺寸和結(jié)構(gòu)不同，其電感各異，但一般電容器的電感是由三部分組成即芯子電感（主要指極板部分，也包括接觸用的引出片電感和多個(gè)芯子之間的連接部分）、引線電感和外殼電感（當(dāng)電容的外殼為金屬并與電容器的一端連接時(shí)）。在制造電容器分壓器時(shí)，為使電容器具有較小電感，可以考慮以下三個(gè)方面121電容器的載流部分應(yīng)盡可能配置的使其磁通量相互抵消。因此，應(yīng)使電流方向相反的導(dǎo)體靠近，電流方向相同的導(dǎo)體遠(yuǎn)離。2盡量縮短載流導(dǎo)體的長度，對(duì)導(dǎo)體的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)特殊考慮（增大電流流經(jīng)的寬度和厚度）。3電容器金屬部分的材料，應(yīng)當(dāng)選用非磁性材料。圖26可以認(rèn)為電感為零的結(jié)構(gòu)圖27引線錯(cuò)開，板間電流方向存在相同，形成磁場(chǎng)電感增大在電容器芯子中，如果能使流經(jīng)上、下兩個(gè)極板的電流方向相反，同時(shí)又假定在極板上的分布是均勻的，則從理論上講，這種情況對(duì)外呈現(xiàn)最小電感。如圖26所示電容極板兩側(cè)的電流方向都相反，就可以認(rèn)為其電感為零；而對(duì)圖27而言，其兩個(gè)極板間的引出線相互的錯(cuò)開，在極板間存在電流方向相同的區(qū)域，在該區(qū)間的就會(huì)形成磁場(chǎng)而使電感的值增大。33電容器的容量溫度特性電容器的電容除了受頻率的影響之外，也受溫度的影響。電容量隨溫度的變化首先決定于介質(zhì)材料，具有電子、電離位移極化的各種中性介質(zhì)和離子結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)屬于這一類；第二類是與溫度呈現(xiàn)強(qiáng)烈非線性關(guān)系的材料，具有明顯居里點(diǎn)的II型陶瓷材料。根據(jù)介質(zhì)介電常數(shù)隨溫度的變化情況將其也可以分為兩類第一類是與溫度有線性關(guān)，第二類是與溫度沒有線形關(guān)系。除此之外電容的結(jié)構(gòu)、工藝也會(huì)影響電容的溫度特性。234極化圖28夾板極化及等效電路圖中每一層介質(zhì)的面積及厚度均相等，外電壓為電壓U0，合閘瞬間兩層夾板的電壓U與各層的電容成反比關(guān)系（突然合閘的瞬間相當(dāng)于很高的頻率的電壓），即當(dāng)T0時(shí)有12C。穩(wěn)定后，各層電壓與電阻成正比，即與電導(dǎo)成反比，12GU如果介質(zhì)不均勻，即R1與R2、C1與C2、G1與G2都不相等，當(dāng)T0時(shí)和T為無窮時(shí)的U1/U2不相等，那么合閘后兩層介質(zhì)之間就有一個(gè)電壓分配的過程其中一個(gè)電容上的電荷要通過G放電，另一個(gè)要從電源吸收電荷，該部分成為吸收電荷。整個(gè)介質(zhì)的等值電容將增大。吸收過程完畢，極化過程結(jié)束，吸收過程要經(jīng)C1、C2和G1、G2進(jìn)行放電，其放電常數(shù)（C1C2）/G1G2。由于G很小，故很大，極化速度非常緩慢。所以在設(shè)計(jì)電容分壓器時(shí)極化因素可以忽略。235線路中的波電系統(tǒng)各個(gè)元件都是通過導(dǎo)線連接成的一個(gè)整體，在發(fā)生雷電或進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，線路上都可能產(chǎn)生以流動(dòng)形式出現(xiàn)的過壓波。過電壓波在線路上的傳播，就其本質(zhì)而言是電磁場(chǎng)能量沿線路的傳播過程，即在導(dǎo)體周圍空間逐步建立電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（H）的過程，也即是在導(dǎo)體周圍空間存儲(chǔ)和傳遞磁能的過程，空間各點(diǎn)的E與H相互的垂直。2351線路中的波的折射與反射13在電力系統(tǒng)中常會(huì)遇到兩種不同波阻抗的線路連接在一起的情況，如圖29。圖29行波在節(jié)點(diǎn)A的折射與反射當(dāng)行波傳播到連接點(diǎn)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)A前后都必須保持單位長度導(dǎo)線的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量總和相等的規(guī)律，故必然要發(fā)生電磁場(chǎng)能量的重新分配的過程，也就是說在節(jié)點(diǎn)A發(fā)生折射和反射。在節(jié)點(diǎn)A處只能有一個(gè)電壓值和電流值，即A點(diǎn)Z1側(cè)及Z2側(cè)的電壓和電流在A點(diǎn)必須連續(xù)，這是邊界條件。據(jù)此可以求出節(jié)點(diǎn)A電壓的折射系數(shù)和反射系數(shù)，有21Z；21Z；。3影響因素分析31模型及等效電路如圖31是電容分壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，銅芯和銅壁構(gòu)成分壓器高壓臂，兩個(gè)銅壁之間構(gòu)成分壓器低壓臂，高壓臂是一個(gè)管型電容器，電容的值比較的小。低壓臂是一個(gè)錐型電容器，電容的值遠(yuǎn)大于高壓電容值，即高壓臂的電容量較大。圖31電容分壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和第二章中關(guān)于電容器的知識(shí)我們可以建立如圖32所示的電容分壓器的等效電路圖RM0L0C0RC0RM1L1RC1C1C12CG1CG2CG3圖32分壓器的等效電路其中C0，C1為電容器高壓臂和低壓臂的主電容；RC1和RC2是高、低壓臂電容介質(zhì)（包括主介質(zhì)和保護(hù)層介質(zhì)）極化引起的并聯(lián)電阻；CG1到CG3是對(duì)地電容；C12是極板間的電容；L0、L1是電容器金屬部分電感；RM0和RM1是電容器金屬部分的電阻。32阻容分壓器相關(guān)參數(shù)計(jì)算321低壓臂相關(guān)計(jì)算同軸電容分壓器的低壓臂是一個(gè)同軸電容，即是管形電容器。圖33管型電容器（1）電容的計(jì)算14低壓臂是由兩個(gè)同軸的圓柱面所構(gòu)成，半徑分別為R1和R2，長度為B。在兩極板間間隔的介電常數(shù)為的介電質(zhì)，其間點(diǎn)位設(shè)為U。由靜電學(xué)的基本定律可知，距軸心R處的電場(chǎng)強(qiáng)度為02QERB由電場(chǎng)與電位的關(guān)系DUR則02QEDRB上式積分120RUR20LNQRB1220185/4CNMK將上面的值代入，并QCU，則芯子的電容量為2118LNLBCRDR31（2）電感的計(jì)算低壓臂電容的芯子的半徑為R1,銅芯的長度是B。在工頻下，單導(dǎo)線單位長度的電抗為4246LG05/MDXFKM其中D為單向?qū)Ь€的幾何平均距離，在此取R1的值；為導(dǎo)體的相對(duì)導(dǎo)磁率系數(shù)，對(duì)非磁性材料銅1。對(duì)于長度為B的銅芯的電抗為324246LG05/MXXFKR把電容器的電感當(dāng)集中參數(shù)來看，設(shè)電感為L00FL4246LG51/MDBKR40L0/（3）電阻的計(jì)算經(jīng)查表銅的電阻率2CU0175M/20M0CUCU211BR0SRRL33因?yàn)閳A柱電容器的兩極板間的電介質(zhì)是絕緣體，電阻很大，所以可以認(rèn)為RC0比無窮大稍小。322高壓臂的相關(guān)計(jì)算高壓臂是圓錐形電容器，其結(jié)構(gòu)如圖34所示圖34錐形電容器（1）電容的計(jì)算圖34是圓錐形分壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圓錐底面的內(nèi)半徑是R2，內(nèi)外半徑是一層很薄的介質(zhì)，所以外半徑R3可以近似的看成R2A，電容器的高是L，從O點(diǎn)向上的距離為。取電容器的DL高度，所以可以把DL高度的圓臺(tái)看成圓柱，由圓柱形電容的計(jì)算公式，可知，該DL段的電容量為2C18LNDRA則距O點(diǎn)處圓錐的半徑是2TARL32TNRLA所以該微元的電容量為02TA18LNCDLRL對(duì)上式積分可以得到整個(gè)圓錐形電容的值3402TAN18LLLDLDLRL（2）電阻和電感的計(jì)算電容分壓器的低壓臂是由兩個(gè)同軸的圓錐面組成，橫截面積很大，所以電容器的電阻和電感都非常的小取值要比高壓臂的小的多，在仿真時(shí)可以適當(dāng)?shù)娜≈?，和高壓臂的情況類似RC1的值很大，取值可以比RC0的值稍小。323極間電容和對(duì)地電容由分壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出兩個(gè)電極的極板相對(duì)的錯(cuò)開，極板間的距離較大，所以極間的電容量非常的小，由圓柱形電容器的公式來近似的估計(jì)，極間的電容量要比高壓臂的電容小一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)地電容的電容量更小，這里取值比高壓臂小三個(gè)數(shù)量級(jí)。33PROTELDXP仿真331PROTELDXP軟件的介紹（1）元件庫PROTELDXP2004不但可以繪制原理圖和制作電路板，而且還提供了電路仿真，用戶可以對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行信號(hào)的仿真。PROTEL2004為用戶提供了大部分常用的仿真元件，基本的元件庫MISCELLANEOUSDEVICESINTLIB中的大部分元件均是仿真元件。另外，PROTEL2004有5個(gè)基本的仿真元件庫在LIBRARY/SMULATION目錄中,其中仿真數(shù)學(xué)函數(shù)元件庫為SIMULATIONMATHFUNCTIONINLIB、仿真信號(hào)源元件庫為SIMULATIONSOURSEINLIB仿真專用函數(shù)元件庫為SINULATIONSPECIALFUNCTIONINTLIB、仿真?zhèn)鬏斣鞛镾IMULATIONTRANSMISSIONLINEINTLIB、仿真電壓元件庫為SIMULATIONVOLTAGEINTLIB。如圖35列出所有的仿真元件庫的名稱。圖35DXP方針元件庫（2）仿真屬性編輯在電路仿真時(shí)，所有的元件必須具有仿真屬性，如果沒有，在電路仿真操作時(shí)會(huì)提出警告或錯(cuò)誤信息。下面講述如何為元件體檢仿真屬性。如果元件庫沒有定義仿真屬性，則使用鼠標(biāo)雙擊該元件，打開元件屬性對(duì)話框后，在元件的模型列表框中不會(huì)顯示SIMULATION屬性，否則在元件庫的模型列表框中會(huì)顯示仿真屬性，如圖36所示。圖36仿真屬性對(duì)話框?yàn)榱耸固砑釉哂蟹抡嫣匦?，可以按MODELS列表框下的ADD按鈕，系統(tǒng)將會(huì)彈出如圖37所示的添加新模式對(duì)話框。圖37添加新模式對(duì)話框在上面所示對(duì)話框中選擇SIMULATION類型，單擊OK按鈕，系統(tǒng)會(huì)打開如圖38所示的仿真模式參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。圖38仿真模式參數(shù)設(shè)置對(duì)話框（3）仿真器額設(shè)置在進(jìn)行方真時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)知道可對(duì)電路進(jìn)行哪種分析，需要搜集哪個(gè)變量的數(shù)據(jù)，以及仿真完成后自動(dòng)的顯示哪種變量的波形等。我們選擇瞬態(tài)特性分析。當(dāng)完成了對(duì)電路的編輯后，設(shè)計(jì)者可選擇和設(shè)置進(jìn)行仿真分析的對(duì)象。執(zhí)行DESIGN/SIMULATE/MIXEDSIM命令，進(jìn)入電路仿真分析設(shè)置對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，如圖39所示。圖39電路仿真分析設(shè)置對(duì)話框34PROTELDXP的電路仿真圖310仿真等效電路圖對(duì)仿真信號(hào)源的脈沖信號(hào)的設(shè)置如下起始電壓0V，脈沖的幅值為200KV，時(shí)間延遲2NS，上升時(shí)間10NS，下降時(shí)間為10NS，脈沖的寬度100NS，電容電感的設(shè)置比較的簡(jiǎn)單不再累述。設(shè)計(jì)的電容分壓器的分壓比為2100，根據(jù)式20這里取高壓臂電容C020PF,低壓臂電容為C14NF，經(jīng)初步的估算這里取RM0450N，RM1200N，RC0、RC1比無窮稍小，CG1CG2CG30002PF，C1202PF，L02NH，L105PF。（1）我們改變L2值（其他的參數(shù)保持不變）來進(jìn)行仿真。圖310是保持RM1439N,L1015P,CG1CG2CG300015,RM2209的值不變，L2分別為015PH、45PH、75PH、15PH、20PH、40PH、100PH時(shí)的仿真圖。（A）L2015時(shí)的仿真圖BL245PH時(shí)的仿真圖CL275時(shí)候的仿真圖DL215PH時(shí)的仿真圖（E）L220PH時(shí)的仿真圖（F）L240PH時(shí)候的仿真圖（G）L2100PH時(shí)候的仿真圖圖310改變高壓脈沖電容分壓器中低壓臂電感的仿真（2）改變L1值（其他的參數(shù)保持不變）來進(jìn)行仿真。圖311是保持RM1439N,L215P,CG00015,RM2209的值不便，L1分別為03PH、07PH、1PH、115PH、165PH時(shí)的仿真圖。（A）L203PH時(shí)的仿真BL207PH時(shí)的仿真CL21PH時(shí)的仿真DL2115PH時(shí)的仿真EL216PH時(shí)的仿真圖311改變高壓脈沖電容分壓器中高壓臂電感的仿真（3）改變CG1CG3的值（其他的參數(shù)保持不變）來進(jìn)行仿真。圖312是保持RM1439N，L1015P，RM2209，L215P不變，CG1CG3由0015PF、0055PF、05PF、1PF、2PF、5PF。ACG1CG為0015PF時(shí)的仿真BCG1CG為0055PH時(shí)的仿真CCG1CG為05PH時(shí)的仿真DCG1CG為1PF時(shí)的仿真ECG1CG為2PH時(shí)的仿真FCG1CG為5PF時(shí)的仿真圖312改變高壓脈沖電容分壓器的對(duì)地電容值進(jìn)行的仿真（4）改變RM1的值（其他的參數(shù)保持不變）來進(jìn)行仿真。圖313是保持L1015P，RM2209，L215P，CG1CG3為00015PF不變，RM1由100N、300N、500N時(shí)的仿真圖。（A）RM1100N時(shí)的仿真（B）RM1300N時(shí)的仿真（C）RM1500N時(shí)的仿真圖313改變高壓脈沖電容分壓器中電阻的仿真（5）綜合上面的仿真的結(jié)果，取RM1300N，L107PC01P，RM230N，L205P。圖314RM1300N，L107PC01P，RM230N，L205P時(shí)的仿真從仿真圖看，結(jié)果并不是很理想，我們把L2調(diào)整到03PH得到仿真圖315。圖315RM1300N，L107PC01P，RM230N，L203P時(shí)的仿真對(duì)仿真參數(shù)多次調(diào)整得到如316的仿真圖，結(jié)果比較的理想。圖316仿真結(jié)果比較理想時(shí)的仿真圖E（3）的參數(shù)分別為RM1439，L112PH，RM230，L2012PH。所以通過32中的計(jì)算公式可以確定高壓脈沖電容分壓器的各項(xiàng)參數(shù)。介質(zhì)用聚四氟乙烯，其介電系數(shù)12201850/4CNMK由式31到式34可以計(jì)算得到高壓臂電容R11CM，R218CM，B7CM時(shí)符合電容器的各項(xiàng)參數(shù)要求。對(duì)于低壓臂計(jì)算，因?yàn)榉e分比較的復(fù)雜，用MATLAB取值驗(yàn)證可以近似的取到高壓臂電容器的相關(guān)參數(shù)（R218CM，40度）A18MM，L10CM。4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)圖41高壓脈沖電容分壓器得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖A高壓臂銅芯B高壓臂絕緣冒C絕緣層E絕緣支架F銅箔覆層AH銅箔覆層BI分壓器的對(duì)稱軸線J轉(zhuǎn)換接頭K傳輸線高壓臂銅芯A和銅箔層F構(gòu)成高壓臂電容；兩個(gè)銅箔覆層F和H構(gòu)成低壓臂電容；J是轉(zhuǎn)換接頭，把從低壓臂采集到的信號(hào)傳輸?shù)絺鬏斁€K上面，再把K接到示波器等測(cè)量儀器上進(jìn)行測(cè)量。高壓臂兩個(gè)極板之間是聚四氟乙烯介質(zhì)。絕緣支架式用陶瓷材料做成，起到對(duì)高壓臂內(nèi)芯的支持固定作用。A端接測(cè)量脈沖電壓，H接地。分壓器的相關(guān)尺寸在第三章的仿真計(jì)算中已經(jīng)給出不再重復(fù)對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓電容脈沖分壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，從示波器測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)波形比對(duì)，可以看出電容分壓器的響應(yīng)時(shí)間和畸變要求大體在所標(biāo)定的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。5總結(jié)與展望電容分壓器中寄生電感對(duì)分壓器的影響電感和電容組成LC串聯(lián)和并聯(lián)寄生電路，一方面使電路的響應(yīng)時(shí)間變長，另一方面也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使震蕩加強(qiáng)，從而使測(cè)量波形發(fā)生嚴(yán)重的失真而影響測(cè)試的結(jié)果。所以在設(shè)計(jì)電容分壓器時(shí)要盡量的減少寄生電感的值。電容分壓器中對(duì)地雜散電容對(duì)分壓器的影響一方面，對(duì)地電容和高、低壓臂形成并聯(lián)電路，使電容分壓臂的分壓比改變；另一方面，對(duì)地電容和電感構(gòu)成LC并聯(lián)回路，也會(huì)加強(qiáng)電路的振蕩。所以在制作分壓器時(shí)要采取一定的措施減小分壓器對(duì)地的寄生電容，使電容分壓器的分壓比更準(zhǔn)確。對(duì)地電容也是輸出波形畸變的一個(gè)關(guān)鍵的因素。積分電路對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響積分電路中的電阻和電容值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如電阻小則響應(yīng)較快，但是電路測(cè)量結(jié)果就會(huì)有較大的震蕩；電阻過大電路的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)較大，那樣就對(duì)變化較快的脈沖信號(hào)就無法響應(yīng)或響應(yīng)較慢而無法得到理想的測(cè)量結(jié)果。不僅如此，積分電阻和示波器電阻又構(gòu)成一個(gè)電阻分壓器，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了二次分壓，使測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際分壓比發(fā)生改變，測(cè)量電路的實(shí)際分壓比近似的等于電容分壓器分壓比和電阻分壓器分壓比的乘積，所以對(duì)具體的測(cè)試系統(tǒng)要進(jìn)行標(biāo)定后才可以使用。電容分壓器中電阻對(duì)分壓器的影響很顯然電阻會(huì)增大電路的時(shí)間常數(shù)使電路的響應(yīng)變慢?？傊邏好}沖電容分壓器的測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響測(cè)量結(jié)果的因素很多，需要綜合考慮各方面的因素才能得到比較準(zhǔn)卻的測(cè)量結(jié)果。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，有時(shí)候考慮到某一方面的內(nèi)容，卻又忽略了另一方面的內(nèi)容，問題總是不斷的冒出，而我也在不斷的改進(jìn)。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)是在不斷的改進(jìn)和完善中。任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是一個(gè)不斷完善的過程，對(duì)高壓脈沖分壓器的了解越多，就越會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有很多需要自己不斷學(xué)習(xí)的東西，比如在減少電容電感的方式方法；分壓器的結(jié)構(gòu)對(duì)行波傳播過程影響；不同材料的電容器極板有哪些方面的優(yōu)缺點(diǎn)；測(cè)量電纜對(duì)測(cè)量的影響；匹配與振蕩等等。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，高電壓測(cè)量技術(shù)也提出了更高的要求，這也促進(jìn)了分壓器的發(fā)展，新的測(cè)量方式將不會(huì)斷得涌現(xiàn)。致謝我的