[发明专利]一种高阻抗宽频带高电压分压器的设计方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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缩小，以进行测量。其原理如图1所示，其中U₁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R₂。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2MΩ)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U₁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C₁来表示。 根据图2，R₁与C₁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，R₁与C₁的乘积应尽量小。然而，实际应用中空间杂散电容C₁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，R₁与C₁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，U₁为被测高压，U₂为分压器输出的低压信号， C₁₁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C₁₁与C₁₂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U₀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_1i、与低压电极 之间存在杂散电容C_2i，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_1i和C_2i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2MΩ，低压臂电阻为333Ω，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