高壓脈沖阻容分壓器的設(shè)計

高壓脈沖阻容分壓器的設(shè)計摘要在介紹阻容分壓器基本原理的基礎(chǔ)上，分析了脈沖信號時間與阻容分壓器測量系統(tǒng)時間常數(shù)的關(guān)系。建立分壓器的等效電路圖，對測量系統(tǒng)進行仿真分析，分析表明阻容分壓器中的寄生電感和電容對分壓器的影響較大，當(dāng)他們達到一定的程度會使系統(tǒng)輸出波形的振動劇烈，上升時間變長，輸出波形失真1。電容器中的電阻對分壓器的性能有一定的影響，在設(shè)計高壓脈沖阻容分壓器時要適當(dāng)給予考慮。通過改變等效電路中的各個參數(shù)，分析不同參數(shù)對分壓器測量性能的影響，對分壓器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。關(guān)鍵詞分壓器；阻容分壓器；電壓測量；響應(yīng)時間；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轉(zhuǎn)換為示波器所能測量的低壓信號，在整個測試系統(tǒng)中占有重要地位，分壓器的性能好壞直接影響測試系統(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)字示波器上進行測量。2脈沖分壓器測量應(yīng)滿足的要2（1）將被測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電壓的波形、頻率、幅值等因素而變；（3）分壓器的接入對被測電壓過程影響應(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)與被測電壓的頻率和幅值無關(guān)。3設(shè)計的思路在參閱相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，立足現(xiàn)有的實驗條件、設(shè)備條件提出初步的設(shè)計方案，按照方案建立等效電路圖進行仿真,分析仿真結(jié)果,確定分壓器的參數(shù)。隨后進行焊接，工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達到預(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實物制作,試驗驗證4結(jié)果分析,不斷改進1脈沖測量技術(shù)電磁脈沖測量，包括脈沖電場、脈沖磁場、脈沖電壓及脈沖電流的測量。由于電磁脈沖信號是上升時間僅幾個納秒、持續(xù)時間幾十納秒至幾個毫秒的極高強度的瞬態(tài)信號，其頻譜覆蓋了零到幾百兆赫的頻帶，因而要求測量系統(tǒng)具有與之相適應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍，且既不能對被測環(huán)境產(chǎn)生明顯的影響，又要具有較強的抗干擾能力。11脈沖電壓的測量測量脈沖高電壓的常用方法是分壓器與數(shù)字存儲示波器為主要組件的測量系統(tǒng)、微積分環(huán)節(jié)與數(shù)字存儲示波器為主要組件的測量系統(tǒng)及光電測量系統(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)字儲存示波器直接進行測量。但當(dāng)被測脈沖電壓峰值很高時，則必須要通過分壓器等的轉(zhuǎn)換裝置及其他多個部件組成的沖擊高壓分壓系統(tǒng)進行峰值及波形的測量。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)簡單，測量精度較高，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，被測峰值電壓不能高于2MV。電阻分壓器測量瞬態(tài)脈沖電壓時所產(chǎn)生的誤差，與阻值和對地雜散電容的乘積相關(guān)，所以應(yīng)盡量減小對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償及電感補償?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，對測量波前和半峰值時間較長的脈沖波，比電阻分壓器較為有利。由于存在回路雜散振蕩問題，對測量陡波脈沖而言，其額定電壓也不能太高。又當(dāng)存在高壓引線時，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，其性能與補償度和阻尼度有關(guān)。微積分測量系統(tǒng)4（DIFFERENTIATINGINTEGRATINGMEASURINGSYSTEMS,簡稱D/I系統(tǒng)），是20世紀(jì)80年代初，因數(shù)字化測量的發(fā)展而開始興起的。D/I系統(tǒng)的優(yōu)點是對高壓源的負荷效應(yīng)極小，具有足夠高的響應(yīng)特性。其缺點是對積分器的要求高，對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。光電測量系統(tǒng)是利用各種電光效應(yīng)或光通信方式進行測量的系統(tǒng)。其中利用光纖傳輸線路良好的絕緣性能，可將高壓設(shè)備與高靈敏度的測量儀器及計算機隔離開，可減弱射頻干擾和雜散寄生信號對測量回路的影響。但與傳統(tǒng)的高壓分壓器或分流器為主的測量系統(tǒng)相比，光電測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。12脈沖電流的測量脈沖強電流的測量常用分流器和數(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，也可用光電測量系統(tǒng)。設(shè)計分流器要考慮三個因素殘余電感應(yīng)盡量??；在盡可能寬的頻帶內(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。用分流器測量脈沖電流時，被測電流將在分流器內(nèi)產(chǎn)生熱效應(yīng)和力效應(yīng)。如被測電流達幾百千安，分流器的制造會有一定的困難，此時常用羅戈夫斯基線圈來測量電流。羅戈夫斯基線圈是利用被測電流產(chǎn)生的磁場在線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓來測量電流。其實際上是一種電流互感器測量系統(tǒng)。與分流器法相比，羅戈夫斯基線圈與被測電路沒有直接的電的聯(lián)系，可避免或減小電流源接地點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與被測電流對時間的導(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，在測量系統(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，都必須使響應(yīng)特性滿足要求，自積分式方波響應(yīng)上升時間可做到小于1NS。目前最常用的測量方法有6（1）測量球隙；（2）分壓器與數(shù)字存儲示波器組成的測量系統(tǒng)；（3）微分積分環(huán)節(jié)與存儲示波器組成的測量系統(tǒng)；（4）光電測量系統(tǒng)。球隙只能用來測量電壓峰值，不能測量電壓波形。微分積分測量系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初，因數(shù)字化測量的發(fā)展而開始興起的，其優(yōu)點是對高壓源的負荷效應(yīng)極小；具有足夠高的響應(yīng)特性。缺點是當(dāng)微分環(huán)節(jié)的電容值很小時，往往靜態(tài)分壓比的測量誤差較大；對微分環(huán)節(jié)的電阻的無感要求很高；當(dāng)被測脈沖上升沿很陡時，微分環(huán)節(jié)的電阻上會出現(xiàn)極高的尖峰脈沖電壓。光電測量系統(tǒng)是利用各種電光效應(yīng)進行測量的系統(tǒng)，其突出優(yōu)點是對被測對象的介入性較少、抗電磁干擾能力較強，但系統(tǒng)復(fù)雜，且測量的可靠性取決于光學(xué)、電子學(xué)系統(tǒng)的實際性能，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)上進行改脈沖高壓強流測試裝置的研制進而發(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)點及電容分壓器高頻性能好的優(yōu)點，缺點是高阻低電容網(wǎng)絡(luò)測試復(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的測量分壓器，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量高頻沖擊信號是，利用電阻的特性轉(zhuǎn)換；而在測量低頻沖擊信號是則利用電容的轉(zhuǎn)換特性。也就是說沖擊信號起始按電阻比分配，最終按電容筆進行分配。電阻和電容要求滿足51D12（R）C高阻尼電容分壓器的時間常數(shù)很大，當(dāng)測量較小的負載時，會因為電容分壓器的接入使波形的調(diào)節(jié)較為困難。22電容分壓器測試系統(tǒng)221自積分電容分壓器圖23帶積分器的電容分壓器測量回路帶積分的電容分壓器的測試回路如圖238，C0、C1分別為高壓、低壓臂電容；Z為信號電纜的波阻抗；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遠大于補償電阻R1，C1的輸出T的負載即為，則0DYTTDUTY對上式整理可得010TTCR對于式25，當(dāng)C0C1DYT/DTYT/R時，00DYTUTC即1/UTT假設(shè)被測量的電壓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，即003TD是就不需要積分器就可以測量被測電壓信號。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）保護結(jié)構(gòu)它的作用是保護電容芯子，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中表示保護層介質(zhì)的并聯(lián)電阻和電容；R2，L2表示保護層內(nèi)引出片的電阻和電感。在保護層結(jié)構(gòu)的等效電路中，偶遇保護層內(nèi)的引出片很短，同時面積有很小，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整個電容器的影響很小。為了分析和計算的方便，上述電容器的等效電路可以進一步的簡化。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B直流的情況圖2電容分壓器的簡化等效圖232電容中的電感當(dāng)電流不斷流經(jīng)導(dǎo)體時將在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁通量并形成磁場，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)體部分時都會產(chǎn)生電感。實際上電容器的電容量和電感是同時并存的。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）。在制造電容器分壓器時，為使電容器具有較小電感，可以考慮以下三個方面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)體遠離。2盡量縮短載流導(dǎo)體的長度，對導(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可以認為電感為零的結(jié)構(gòu)圖27引線錯開，板間電流方向存在相同，形成磁場電感增大在電容器芯子中，如果能使流經(jīng)上、下兩個極板的電流方向相反，同時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，就可以認為其電感為零；而對圖27而言，其兩個極板間的引出線相互的錯開，在極板間存在電流方向相同的區(qū)域，在該區(qū)間的就會形成磁場而使電感的值增大。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)強烈非線性關(guān)系的材料，具有明顯居里點的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時和T為無窮時的U1/U2不相等，那么合閘后兩層介質(zhì)之間就有一個電壓分配的過程其中一個電容上的電荷要通過G放電，另一個要從電源吸收電荷，該部分成為吸收電荷。整個介質(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)計電容分壓器時極化因素可以忽略。235線路中的波電系統(tǒng)各個元件都是通過導(dǎo)線連接成的一個整體，在發(fā)生雷電或進行開關(guān)操作時，線路上都可能產(chǎn)生以流動形式出現(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（E）和磁場（H）的過程，也即是在導(dǎo)體周圍空間存儲和傳遞磁能的過程，空間各點的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A的折射與反射當(dāng)行波傳播到連接點時，在節(jié)點A前后都必須保持單位長度導(dǎo)線的電場能量和磁場能量總和相等的規(guī)律，故必然要發(fā)生電磁場能量的重新分配的過程，也就是說在節(jié)點A發(fā)生折射和反射。在節(jié)點A處只能有一個電壓值和電流值，即A點Z1側(cè)及Z2側(cè)的電壓和電流在A點必須連續(xù)，這是邊界條件。據(jù)此可以求出節(jié)點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)簡圖，銅芯和銅壁構(gòu)成分壓器高壓臂，兩個銅壁之間構(gòu)成分壓器低壓臂，高壓臂是一個管型電容器，電容的值比較的小。低壓臂是一個錐型電容器，電容的值遠大于高壓電容值，即高壓臂的電容量較大。圖31電容分壓器的結(jié)構(gòu)簡圖根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)簡圖和第二章中關(guān)于電容器的知識我們可以建立如圖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)和保護層介質(zhì)）極化引起的并聯(lián)電阻；CG1到CG3是對地電容；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)計算321低壓臂相關(guān)計算同軸電容分壓器的低壓臂是一個同軸電容，即是管形電容器。圖33管型電容器（1）電容的計算14低壓臂是由兩個同軸的圓柱面所構(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處的電場強度為02QERB由電場與電位的關(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)體的相對導(dǎo)磁率系數(shù)，對非磁性材料銅1。對于長度為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）電阻的計算經(jīng)查表銅的電阻率2CU0175M/20M0CUCU211BR0SRRL33因為圓柱電容器的兩極板間的電介質(zhì)是絕緣體，電阻很大，所以可以認為RC0比無窮大稍小。322高壓臂的相關(guān)計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）電容的計算圖34是圓錐形分壓器的結(jié)構(gòu)簡圖，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高度的圓臺看成圓柱，由圓柱形電容的計算公式，可知，該DL段的電容量為2C18LNDRA則距O點處圓錐的半徑是2TARL32TNRLA所以該微元的電容量為02TA18LNCDLRL對上式積分可以得到整個圓錐形電容的值3402TAN18LLLDLDLRL（2）電阻和電感的計算電容分壓器的低壓臂是由兩個同軸的圓錐面組成，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極間電容和對地電容由分壓器的結(jié)構(gòu)簡圖可以看出兩個電極的極板相對的錯開，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，極間的電容量要比高壓臂的電容小一個數(shù)量級。對地電容的電容量更小，這里取值比高壓臂小三個數(shù)量級。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，用戶可以對設(shè)計的電路進行信號的仿真。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，所有的元件必須具有仿真屬性，如果沒有，在電路仿真操作時會提出警告或錯誤信息。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，打開元件屬性對話框后，在元件的模型列表框中不會顯示SIMULATION屬性，否則在元件庫的模型列表框中會顯示仿真屬性，如圖36所示。圖36仿真屬性對話框為了使添加元件具有仿真特性，可以按MODELS列表框下的ADD按鈕，系統(tǒng)將會彈出如圖37所示的添加新模式對話框。圖37添加新模式對話框在上面所示對話框中選擇SIMULATION類型，單擊OK按鈕，系統(tǒng)會打開如圖38所示的仿真模式參數(shù)設(shè)置對話框。圖38仿真模式參數(shù)設(shè)置對話框（3）仿真器額設(shè)置在進行方真時，設(shè)計者應(yīng)知道可對電路進行哪種分析，需要搜集哪個變量的數(shù)據(jù)，以及仿真完成后自動的顯示哪種變量的波形等。我們選擇瞬態(tài)特性分析。當(dāng)完成了對電路的編輯后，設(shè)計者可選擇和設(shè)置進行仿真分析的對象。執(zhí)行DESIGN/SIMULATE/MIXEDSIM命令，進入電路仿真分析設(shè)置對話框進行設(shè)置，如圖39所示。圖39電路仿真分析設(shè)置對話框34PROTELDXP的電路仿真圖310仿真等效電路圖對仿真信號源的脈沖信號的設(shè)置如下起始電壓0V，脈沖的幅值為200KV，時間延遲2NS，上升時間10NS，下降時間為10NS，脈沖的寬度100NS，電容電感的設(shè)置比較的簡單不再累述。設(shè)計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時的仿真圖。（A）L2015時的仿真圖BL245PH時的仿真圖CL275時候的仿真圖DL215PH時的仿真圖（E）L220PH時的仿真圖（F）L240PH時候的仿真圖（G）L2100PH時候的仿真圖圖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時的仿真圖。（A）L203PH時的仿真BL207PH時的仿真CL21PH時的仿真DL2115PH時的仿真EL216PH時的仿真圖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時的仿真BCG1CG為0055PH時的仿真CCG1CG為05PH時的仿真DCG1CG為1PF時的仿真ECG1CG為2PH時的仿真FCG1CG為5PF時的仿真圖312改變高壓脈沖電容分壓器的對地電容值進行的仿真（4）改變RM1的值（其他的參數(shù)保持不變）來進行仿真。圖313是保持L1015P，RM2209，L215P，CG1CG3為00015PF不變，RM1由100N、300N、500N時的仿真圖。（A）RM1100N時的仿真（B）RM1300N時的仿真（C）RM1500N時的仿真圖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時的仿真對仿真參數(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中的計算公式可以確定高壓脈沖電容分壓器的各項參數(shù)。介質(zhì)用聚四氟乙烯，其介電系數(shù)12201850/4CNMK由式31到式34可以計算得到高壓臂電容R11CM，R218CM，B7CM時符合電容器的各項參數(shù)要求。對于低壓臂計算，因為積分比較的復(fù)雜，用MATLAB取值驗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)計與試驗圖41高壓脈沖電容分壓器得結(jié)構(gòu)簡圖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傳輸?shù)絺鬏斁€K上面，再把K接到示波器等測量儀器上進行測量。高壓臂兩個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，起到對高壓臂內(nèi)芯的支持固定作用。A端接測量脈沖電壓，H接地。分壓器的相關(guān)尺寸在第三章的仿真計算中已經(jīng)給出不再重復(fù)對所設(shè)計的高壓電容脈沖分壓器進行實驗室測量，從示波器測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)波形比對，可以看出電容分壓器的響應(yīng)時間和畸變要求大體在所標(biāo)定的范圍內(nèi)。設(shè)計符合預(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，從而使測量波形發(fā)生嚴(yán)重的失真而影響測試的結(jié)果。所以在設(shè)計電容分壓器時要盡量的減少寄生電感的值。電容分壓器中對地雜散電容對分壓器的影響一方面，對地電容和高、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，對地電容和電感構(gòu)成LC并聯(lián)回路，也會加強電路的振蕩。所以在制作分壓器時要采取一定的措施減小分壓器對地的寄生電容，使電容分壓器的分壓比更準(zhǔn)確。對地電容也是輸出波形畸變的一個關(guān)鍵的因素。積分電路對測量系統(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，但是電路測量結(jié)果就會有較大的震蕩；電阻過大電路的響應(yīng)時間就會較大，那樣就對變化較快的脈沖信號就無法響應(yīng)或響應(yīng)較慢而無法得到理想的測量結(jié)果。不僅如此，積分電阻和示波器電阻又構(gòu)成一個電阻分壓器，對測量信號進行了二次分壓，使測量系統(tǒng)的實際分壓比發(fā)生改變，測量電路的實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，所以對具體的測試系統(tǒng)要進行標(biāo)定后才可以使用。電容分壓器中電阻對分壓器的影響很顯然電阻會增大電路的時間常數(shù)使電路的響應(yīng)變慢?？傊邏好}沖電容分壓器的測量系統(tǒng)是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)，影響測量結(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)卻的測量結(jié)果。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，有時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。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，設(shè)計是在不斷的改進和完善中。任何產(chǎn)品的設(shè)計都是一個不斷完善的過程，對高壓脈沖分壓器的了解越多，就越會發(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；測量電纜對測量的影響；匹配與振蕩等等。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，高電壓測量技術(shù)也提出了更高的要求，這也促進了分壓器的發(fā)展，新的測量方式將不會斷得涌現(xiàn)。致謝我的