一种峰化电容一体化电容分压器的设计

作者： 国自电气 时间：2024-11-02 09:40:36 阅读：28

电容分压器的结构设计

由于高压引线的存在,在分压器的顶端出现频率低、衰减慢的振荡波,使得测量的波形畸变严重。因此,需要在引线中串联一个阻尼电阻来减小振荡波对测量的影响,而电阻及引线电感等会造成测量系统的响应时间增加使得纳秒级脉冲电压的测量不准确"。同时,如果是分立式电容分压器,高压臂和低压臂之间需用电缆相接,这段电缆上的波过程会在低压臂的电压上叠加高频振荡四。因此,需要尽可能减小电缆长度或者改变电容分压器的结构为了解决上述问题,本文设计了一种耦合式电容分压器。分压器主要由一个8层峰化电容器、覆铜薄膜和补

偿电阻组成。峰化电容器作为该电容分压器的基础,结合覆铜薄膜形成一体化结构,同时采用电阻补偿的方式达到自积分的目的。如图所示。其中,覆铜薄膜由金属膜和绝缘膜组成,它是该电容分压器的关键元件。为了防止绝缘膜沿面闪络,金属膜的面积应该比绝缘膜稍小!。此外,绝缘膜应选取相对介电常数高、韧性好、耐压性能好的材料。因此,本文金属膜长宽均比绝缘膜小10mm,绝缘膜选取聚酰亚胺薄膜。峰化电容器的最外层金属环为接地端,将覆铜薄膜贴附于峰化电容最外层绝缘层与最外层金属环的地电极之间,峰化电容器其他结构保持不变。覆铜薄膜介质金属部分与峰化电容靠近内径侧多层薄膜介质所形成的电容为电容分压器高压臂,覆铜薄膜介质电容作为电容分压器低压臂。为了避免杂散电感影响分压器的高频响应,补偿电阻采用无感的碳芯电阻,一端与低压臂覆铜薄膜信号引出端连接,一端与同轴电缆接头(BNC)连接将测量信号引出。

电容分压器标定结果的分析讨论

由高压在线标定结果可知,两探头的分压比与低压方波标定和理论的分压比具有一定的误差,除了低频响应引起的读数误差之外,其主要原因是峰化电容器本身设计的结构所导致。本文中MV级峰化电容器由一系列同心电容器串联而成,整个电容器由8层绝缘介质和8个等间隔的金属环组成。为了使峰化电容器电压均匀分布,要求每一个电容器的电容值一致,同时为了使每部分的电容值和场强保持一致,设计的每个金属环都有各自不同的长度和直径。为了优化金属环轴向两端的电场分布,采取了倒圆角来减小局部场强。利用有限元仿真软件计算

在峰化电容器上施以1MV电压下的电场分布。可以看出各层电容器平均场强不超过85kVmm,但金属环与绝缘介质之间气隙的场强会比较高。因此,较高电压下在场强达到一定值时,该气隙会发生局部放电甚至击穿并形成放电非平衡等离子体",这在一定程度上会增大峰化电容器的电容值。

为了考虑高压作用下形成的等离子体对结构电容的影响,对各电极间的等离子体气隙进行电极延伸并利用有限元仿真软件进行电容仿真计算,可以得到8层电容器的每层电容。峰化电容器容值在高压等离子的影响下会相应增大,因此按照原仿真电路进行重新赋值仿真,各部分电容同样按照公式计算得到,其中C取115.9pF,C和C分别取137.8pF和735.0pF,其它参数不变。由仿真可以得到1#探头分压比为10495,2#探头分压比15150,相比于实验标定的分压比分别相差5.20%和0.02%。因此,由上述分析可知峰化电容容值在高压下受等离子体变化是影响其分压比的主要因素之一。由于峰化电容器工作电压通常达到数百kV至MV量级,因而在实际测量中通常采用高压在线标定的分压比作为分压器的分压比。为了探究在更高电压等级的作用下探头分压比的变化趋势,在Marx充电电压更高时进行了标定实验。考虑到更高电压等级下峰化电容绝缘耐受性能,在峰化电容器后需连接气体输出开关和 400Ω负载电阻以实现脉冲信号在首个波峰截断,实验平台示意图。由标定结果可知,峰化电容一体化电容分压器的两个探头,两者测量的峰化电容电压之差变化不大,且未随电压升高呈线性变化。这可能是由于金属环与绝缘介质之间的气隙较小,在较小的耐受电压下,气隙已经击穿形成等离子体,即该峰化电容器一体化电容分压器在耐受较低电压下分压比已经比较稳定而在高压下不会造成较大的误差。

在Marx主回路充电电压为48kV时,出现了两探头电压之差增长较大的情况,这主要是受气体开关耐受脉冲电压幅值的限制,开关在脉冲前沿击穿造成的。由于 2#探头比1#探头的响应时间较大,则其高频响应相对较差导致最终输出波形前沿变缓,上升时间由81.0ns增至83.4ns。当输出开关击穿之时,2#探头所测幅值相对真实值较小,最终导致 2#探头输出电压幅值偏小。若调整实验参数使开关在峰值击穿时,可有效减小两探头所测的电压之差。

依据1#探头所测电压对2#探头进行高压在线标定,由表4中数据分析可知,2#探头的分乐比在不同电乐等级下,分压比维持在15200左右,除上述分析Marx充电电压48kV时开关前沿击穿导致的分压比偏大外,其它都比较稳定月平均分乐比为15283,相较于低电乐等级下分乐比(15128)的相对误差低于0,9%,可忽略不计。因此,该分压器在较高电压等级下分压比稳定性良好。

结 论

本文设计了一种用于测量峰化电容上脉冲电压的一体化电容分压器,该分压器实现了峰化电容电压的直接测量,并成功运用于Manx脉冲源的峰化电容电压测量。主要结论如下:以峰化电容器为基础,巧妙地在峰化电容最外层同心电容器的接地端嵌入合理设计的聚酰亚胺覆铜薄膜,形成了一种新型结构的峰化电容一体化电容分压器:根据峰化电容一体化电容分压器实际结构,分析了分压器的响应特性,给出了理论计算公式并进行了仿真计算,且仿真分压比与理论分压比一致高压在线标定分压比与方波标定和理论分压比相差较大,主要是峰化电容容值在高压作用下受等离子体的影响,因此在考虑该因素的影响下通过仿真计算分析得到了两探头理论与标定的分压比一致,相对误差均小于5.20%,且试验验证在更高压等级下,一体化电容分压器分压比随电压变化较小,不随电压呈线性变化,且该分压器的分压比相对误差较小,因而该分压器的分压比稳定性良好。