一种高稳定纳秒电阻分压器的研究与设计

作者： 国自电气 时间：2024-07-26 09:16:45 阅读：52

针对高压脉冲电压的测量过程中电容分压器存在的过冲现象,开展高压脉冲传感器及纳秒脉冲测量系统的理论和实验研究,研制和开发高耐压、高稳定性纳秒高压脉冲分压器。

首先,通过脉冲电阻分压器的建模计算和实验研究,获得电阻分压器的分布电容随电阻分压器结构参数变化的规律,确定本项目60kV纳秒脉冲电阻分压器的优化结构参数为(Φ20 mm+4 mm)×( 100 mm+20mm)。随后进行电路分析,得出纳秒脉冲电阻分压器响应时间的理论计算公式,根据本文的设计需要,将纳秒脉冲电阻分压器的阻值设计为500~1000Ω可以满足要求。受趋肤效应的影响,高频电阻比低频时大得多,而本文设计的电阻分压器用于测量纳秒级上升时间的脉冲电压,为避免电阻分压器在测量高频信号时产生较大误差,使用薄膜电阻作为脉冲电阻分压器的高压臂电阻和低压臂电阻。

在上述纳秒脉冲电阻分压器关键技术研究的基础上,研制和开发了用于耐压不低于60kV的纳秒脉冲电阻分压器,其高、低压臂电阻串联安装在同轴结构管心,且外壳采用聚四氟乙烯绝缘。

高稳定纳秒电阻分压器的校准

采用标准微秒脉冲下刻度因数传递的方法对纳秒电阻分压器的刻度因数进行标定,并与直流或交流稳态下分压器的刻度因数相比较,以验证纳秒电阻分压器刻度因数标定方法的可行性和合理性。采用上升时间为1ns的纳秒方波发生器测试脉冲电阻分压器的阶跃响应特性,使用泰克DPO3054示波器记录数据。

从各传感器的阶跃方波响应可以计算出,纳秒电阻分压器、P5100A、P6015A和PVM-1高压探头的阶跃响应时间分别为1.06、0.67、1.22和3.80ns。其中, P6015A的响应时间与其带宽(75MHz)存在明显不合理的差异,而北极星PVM-1高压探头的阶跃方波响应时间过大。因此后续标定实验使用P5100A探头。

纳秒电阻分压器、泰克P5100A高压探头经过中国第三方计量中心站的校准鉴定。其中,纳秒电阻分压器的稳态刻度因数为1020,1.2/50 us雷电脉冲下,其动态刻度因数的平均值为1025。由此得出纳秒电阻分压器静态、动态刻度因数之间的误差0.49%,支撑了用高精度电桥、阶跃方波响应标定纳秒传感器性能参数的合理和可行性。同时,为验证纳秒电阻分压器刻度因数标定的合理性,在1.2/50us标准雷电脉冲和纳秒脉冲电压下,本文与经校准的刻度因数为100.76的P5100A高压探头进行横向比对测量。

测试结果如下:在 1.2/50us脉冲电压下,纳秒电阻分压的刻度因数为1016.91,与其稳态和纳秒脉冲下刻度因数之间的误差分别为-0.30%和一-0.79%。在纳秒脉冲电压作用下,纳秒电阻分压的刻度因数为1020.63,与其稳态和1.2/50us电脉冲下刻度因数之间的误差分别为—0.062%和-0.43%。以泰克P5100A高压探头校准的纳秒电阻分压器的刻度因数之间的绝对偏差仅为2.10,相对误差约为2.00%0。

基于以上测试结果可分析得出:在无纳秒高压脉冲校准源以及纳秒脉冲标准器的情形下,采用微秒标准源或者微秒标准分压器进行纳秒电阻分压器的校准,在方法上是可行的。但纳秒电阻分压器须进行阶跃响应实验,以确保电阻分压器的响应时间或者上限频率能够满足纳秒电压脉冲准确测量的要求。

纳秒脉冲电源的输出特性测试结果

在SF6气体环境中,调整两个腔体的气压和 Marx回路充电电压,可以获得上升时间2.3ns土0.5ns、半峰值时间25ns+5ns、幅值范围10～60kV的纳秒脉冲,为获得更高的测试精度,使用泰克MSO54示波器(带宽1GHz、采样率6.25 GS/s)测量输出波形。

纳秒脉冲回路及其纳秒脉冲测量单元构成了纳秒脉冲电源系统。为了考核脉冲电源系统的稳定性,本文在60kV范围内进行了选取6个电压等级、分别进行30次重复放电实验,采用相对标准偏差表征纳秒电压输出的稳定性。从测试结果可以得出,在输出电压的10~60kV范围内,纳秒脉冲电源系统输出纳秒脉冲的相对标准偏差不大于+1.5%。针对目前无纳秒标准源和无纳秒标准器的现状,该高稳定性纳秒脉冲电源系统的研制对纳秒脉冲校准计量技术的研究和标准化进程的推进,具有非常重要的理论意义和应用价值。