（环境工程专业论文）脉冲放电污染物处理技术中脉冲电压测量研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，脉冲放电等离子体技术在污染物处理、环境监测等领域得到了深入研究 和广泛应用。由于高压窄脉冲的测量技术要求较高，高电压或脉冲研究实验室中专用 的较昂贵的特殊分压器测量系统很难在实际应用中推广，而实际应用中必须对高压脉 冲准确测量才能得到良好的脉冲放电控制和污染物处理效果。因此，脉冲放电等离子 体处理污染物技术的实际生产应用推广亟待一种简便可靠的高压窄脉冲测量装置。为 此，本文根据分压器测量原理，试设计研制出一种简便可靠的高压脉冲测量分压器。 主要内容如下： 本文综述讨论了脉冲高电压测量对放电等离子体污染物处理技术的重要性，总结 了目前常用的各种分压器测量系统的优缺点，分析讨论了降低测量误差、改善响应特 性的相应措施。 论文基于一种既准确稳定，又简单实用的高电压窄脉冲测量装置设计思想，从分 压器测量原理出发，提出了高低压臂填充液体介质的方法。当液体介质电参数因温度 等影响发生改变时，分压器高低压臂等效电容电阻的影响系数相同，从而分压器变比 可保持不变。作者对高压静电场、电容电阻并联关系进行了分析，提出了高低压臂填 充液体介质屏蔽式阻容并联分压器的合理结构。 在理论研究的基础上，论文对提出的高低压臂填充液体介质屏蔽式阻容并联脉冲 分压器高压电极、低压电极和接地电极结构进行了具体设计和制造，考虑并加强电极 间的绝缘，避免因局部放电增大测量误差。论文还对介质材料的电气性能进行了研究， 合理选取绝缘材料和电容介质。论文还对脉冲分压器及其测量系统的测量回路和测量 误差进行研究与分析，对分压器进行方波响应试验验证，并对试验结果进行分析、讨 论。 本文研究证明这种液体介质阻容并联分压器，设计合理，测量准确，完全能够满 足脉冲放电等离子体污染物处理技术应用要求。 关键词：放电等离子体高电压测量分压器阻容并联方波响应 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s ，p u l s e dd i s c h a r g ep l a s m ah a db e e nd e e p l yr e s e a r c h e da n d b r o a d l ya p p l i e d 幻t h et r e a t m e n to fe n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n , e n v i m r t m e n ti n s p e c t i o n , e t c a sb e r e ra c c u r a c yo fm e a s u r i n gn a r r o wp u l s e dh i g hv o l t a g ei sp r e f e r r e d ，t h ee x p e n s i v e s p e c i a lh i 曲v o l t a g ed i v i d e rm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e di nt h es t u d yo nh i g hv o l t a g ea n d p u l s ee x p e r i m e n t sc a nn o tb eu s e di nt h ep r a c t i c e h o w e v e r t h em e a s u r e m e n to f t h ep u l s e d h i 曲v o l t a g em u s tb ea c c u r a t e ，s ot h a tw ec a nc o n t r o lt h ep u l s e dd i s c h a r g ee a s i l ya n da t t a i n g o o de f f e c to fc o n t a m i n a t i o nt r e a t m e n t s oas i m p l ec r e d i b l en a r r o wp u l s e dh i g hv o l t a g e m e a s u r e m e n td e v i c ei sd e s i r e df o rt h ea p p l i c a t i o n s ，a n di ti sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，b a s e d o nt h et h e o r yo f v o l t a g ed i v i d e rm e a s u r e m e n t t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： t h i st h e s i sa n a l y s e st h ei m p o r t a n c eo fp u l s e dh i g l lv o l t a g em e a s u r e m e n tt ot h e c o n t a m i n a t i o nt r e a t m e n t t e c h n o l o g yu s i n gp u l s e dd i s c h a r g ep l a s m a , s u m m a r i z e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t b en o r m a lv o l t a g ed i v i d e r s ，a n dd i s c u s s e st h em e a s u r e st o r e d u c et h ee r r o r sa n di m p r o v et h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c b a s e do nt h ed e s i g ni d e ao fas i m p l ea n dp r a c t i c a ln a r r o wp u l s e dh i g hv o l t a g e m e a s u r e m e n td e v i c ea n dt h et h e o r yo fv o l t a g ed i v i d e rm e a s b r e m e n t ，t h es c h e m et of i l lt h e h i 曲a n dl o wv o l t a g ea r m s 埘协l i q u i dm e d i u mi sp r o p o s e d w h i l et h ee l e c t r i cp a r a m e t e r s o fl i q u i dm e d i u mi sc h a n g i n gb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ea n ds oo n ，t h e i n f l u e n c ec o e f f i c i e n t st ot h er e s i s t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e so ft h eh i 曲a n dl o wv o l t a g ea r m s o f t h ev o l t a g ed i v i d e ra r ee q u a l ，a n dt h ev o l t a g er a t i od i v i d i n gc a nh o l dt h el i n e t h et h e s i s a n a l y s e ss t a t i ch i g hv o l t a g ef i e l d ，p a r a l l e lo fr e s i s t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e s ，a n db r i n g s f o r w a r dan e wr e a s o n a b l es t r u c t u r eo f t h es h i e l dp a r a l l e lv o l t a g ed i v i d e rf i l l e dt h eh i g i la n d l o w v o l t a g ea l m sw i t hl i q u i dm e d i u m t h eh i g l lv o l t a g ee l e c t r o d e ，l o wv o l t a g ee l e c t r o d ea n dg r m m d i n ge l e c t r o d eo ft h e v o l t a g ed i v i d e ra r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，a n dt h ei n s u l a t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r o d e si s c o n s i d e r e da n de n f o r c e dt oa v o i da u g m e n t i n gt h ee r r o r sf o rp a r td i s c h a r g e a tt h es a m e t i m e ，t h et h e s i ss t u d i e st h ee l e c t r i cc a p a b i l i t yo fm e d i u mm a t e r i a l st o o ，a n ds e l e c t s i n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n dc a p a b i l i t ym e d i u mf o rt h ev o l t a g ed i v i d e r t h et h e s i sa l s os t u d i e s a n da n a l y z e st h em e a s u r i n gc i r c u i ta n de r r o r so ft h ep u l s e dv o l t a g ed i v i d e rs y s t e m a n dt h e i i 华中科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n to fr e s p o n s eo ft h ep u l s e dv o l t a g ed i v i d e ri sc a r r i e do u t t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ti sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s i s t a n c e c a p a c i t a n c ep a r a l l e v o l t a g ed i v i d e rp r e s e n t e di n t h i st h e s i si sa b l et o u s e di nt h et r e a t m e n to fe n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o nb yp u l s e dd i s c h a r g ep l a s m af o ri t sr e a s o n a b l e d e s i g na n da c c u r a t er e s u l t s k e y w o r d s ：d i s c h a r g ep l a s m ah i g hv o l t a g em e a s u r e m e n tv o l t a g ed i v i d e r r e s i s t a n c e c a p a c i t a n c ep a r a l l e lr e s p o n s e i l i 独刨性声明 木人声明所星交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及墩 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人成集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 故出贡献的个人和集体， 均已在文巾以明确方式标明。本人宪全意 到奉声i 鞠的法律结果出本人承挺。 学位论文作者签名：百萄磐 日期：2 0 0 5 年1 1 月j o 秘 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了解学校有关傈倒，使h j 学位论文的规定，即；学校有 权保留并向国家有关部门践机构送交论文的复印 牛和电子版，允 i 牟论文被盎阅和 借潮。术人授权华中科技大学可以将术学位论文的垒郏羁l 抑分内容编八有关数据 库进行检索，可【且采用彩印、缩球或扫描替复制手段保存和汇编本学位论文。 像密口，在年解密稻适用本授权鹳。 本论文属于， 不保密皤 ( 请在以上方梃内打“”) 学位论文佧巷糍名：百诵绰 指导教师签名。匿；竭 日期：2 0 0 5 乌：f f 霹 。日日期：2 0 0 5 年“月f # f t 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： 1 绪论 1 1 脉冲电压测量在环境等离子体中的应用意义 随着社会的不断进步和全球经济的高速发展，人类生产、生活活动的范围不断扩 大，排放到环境中的“三废”( 废气、废承、固体废弃物) 的总量和种类都在急剧增 加。这些污染物的成分十分复杂，其中有毒有害物质的含量也在不断增加，严重地破 坏了地球的生态平衡和人类赖以生存的生态环境。这不仅严重地影响了人类的生产、 生活，对人们的身体健康也有不可估量的危害。因此，传统的污染物处理技术已经不 能适应新形势下污染物处理和环境保护的需要。污染物处理和环境保护己成为举世 关注的紧迫问题。近年来，世界各国对环境保护和污染物处理都给予了高度重视，投 入了大量人力、物力和财力研究开发新的污染物处理技术。到目前为止，已经涌现出 了超声波、超临界流体、放电等离子体、中空纤维膜分离技术、高梯度磁分离技术、 反渗透技术、光化学氧化法、催化湿式氧化法等许多种污染物处理新技术。3 。 在众多的污染物处理新技术中，脉冲放电等离子体技术的优越性逐渐显露出来。 等离子体技术在等离子体焊接、材料表面改性、磁流体发电、等离子体显示以及冶金、 化工等工业领域早已得到了非常广泛的应用，近年来。脉冲放电等离子体技术在气态 污染物净化、污水处理、固体废弃物处理等环境保护方面的应用也日益广泛，特别是 在氟里昂、核废料、有机农药废液以及医院与生物制药污染物等有毒有害物质的处理 方面具有非常好的处理效果”1 。脉冲放电等离子体技术在环境污染物处理方面具有高 效率、低能耗、应用范围广、处理量大、处理彻底、不会产生二次污染和操作简单等 诸多优点，成为环境污染物处理领域最有发展前途、最引人关注的高新技术之一n 【“。 另外，脉冲放电等离子体技术在环境监测中也有非常重要的应用) ， 脉冲放电等离子体污染物处理技术是利用平衡态等离子体的高能量密度、高温 ( 通常高达1 0 0 0 0 k 至2 0 0 0 0 k ) 和反应活性粒子的作用下，污染物分子被彻底地分解 或燃烧，使污染物转变为c o 。、h z o 等简单化合物；或者利用非平衡态等离子体中介质 放电产生的大量高能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后引发了一系 列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，从而达 到去除污染物的目的”1 。因此，在脉冲放电等离子体污染物处理技术中，污染物的处 理效果与高能粒子的能量和数量有密切关系。也就是说，脉冲电源是脉冲放电等离子 体污染物处理技术的关键，它的性能和电参数( 包括电压峰值、脉冲宽度、上升时间 华中科技大学硕士学位论丈 等) 将直接决定等离子体反应器内等离子体的状态( 包括电子温度和密度分布等) 和 反应活性粒子的产生，并最终影响污染物的处理效果。 6 0 和 0 图卜l 脉冲电压峰值对苯酚降解率的影响图l _ 2 脉冲放电频率对苯酚降解率的影响 例如，在脉冲电晕放电等离子体污水处理技术中，研究人员发现：当放电间距一 定时，提高脉冲电压峰值可以提高自由电子能量和速度，促进苯酚等污染物的降解”。 嘲( 如图l - i 所示) ：提高放电频率也使得单位时间内产生的高能电子数量增加，因 而产生的氢氧自由基、活性氧、臭氧等强氧化剂数量增加，导致废水中苯酚被氧化降 解的速率提高0 1 ( 如图 - 2 所示) 。另外，放电等离子体脱硫技术研究也证明了提高 脉冲电压频率可以显著提高脱硫率9 】 ”( 如图卜3 所示) 。 图卜3 脱硫率、能耗与脉冲频率的关系 验领域的重要组成部分。要检验各种高 ( 实线) 一脱硫率与频率的关系 压电气设备在雷电冲击电压和操作过 。( 虚线) 一能耗与频率的荧系 电压作用下的绝缘性能和保护性能，就 要对高压电气设备进行冲击试验“2 ”3 。特别是对于存在潜在的内绝缘缺陷而又无法 用雷电冲击、工频火花和工频油击穿等试验方法发现的绝缘子，施加一定陡度的窄脉 冲电压，可有效地发现因制造、运行和老化等原因造成的缺陷“。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 脉冲分压器的研究状况 目前，最常用的测量脉冲电压的装置有：测量球隙、分压器一峰值电压表测量系 统和分压器一示波器测量系统。在实践中主要用分压器一示波器测量系统来测量脉冲 电压。脉冲电压是作用时间很短、变化很快、波形复杂的非周期性电压波。分压器一 示波器测量系统有非常良好的瞬交响应特性，不仅能准确地测量出脉冲电压的峰值， 而且数字高压脉冲示波器还能显示和记录脉冲电压的波形钉n “，这是测量球隙和分 压器一峰值电压表测量系统所做不到的。 分压器和数字高压脉冲示波器是分压器一示波器测量系统的两个核心部件。除此 以外，测量系统还包括高压引线、高压引线输入端的阻尼电阻、同轴电缆以及接地回 路，每个组件都会对系统的测量误差产生影响“e i s 。脉冲分压器的作用是将几十万 伏或几百万伏的脉冲高电压无畸变地转换成示波器可以测量的脉冲低电压( 通常为几 伏到几百伏) ，并保持电压波形不变。测量系统的脉冲响应特性主要取决于分压器的 性能“钉e 1 6 。评价分压器及其测量系统性能好坏的主要指标有波形畸变和幅值误差。 目前，国际标准用方波响应试验方法来衡量脉冲分压器的响应特性。 分压器按原理可分为电阻分压器、电容分压器、阻容并联分压器和阻容串联分压 器( 如图卜4 所示) 。 ( 1 ) 电阻分压器 电阻分压器结构简单，使用方便，因而被广泛采用。但它有响应时间的要求“： t z r c 。6 ( 卜1 ) 式中，尺分压器电阻，k q ； c 。对地杂散电容，p f 。 由式1 - 1 可知，为了减小响应时间，分压器电阻月不能太大，往往只有1 0 2 0 k q ， 因此，电阻分压器一般也只能做到2 m v 左右。当电阻分压器接入被测回路后，还会增 加脉冲电压发生器的负荷，影响其正常运行。另外，为了缩短响应时间，还应尽量减 小对地杂散电容c ，。对地杂散电容与分压器的高度有关，而分压器的高度又取决于工 作电压，所以电阻分压器本体尺寸一般都比较大，对地杂散电容也较大e l2 。因此，从 减小对地杂散电容方面来看，电阻分压器也不能做得太大。所以说，对地杂散电容是 造成电阻分压器测量误差的主要因素。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 4 不同类型的脉冲分压器 ( a ) 电阻分压器( b ) 电容分压器 ( c ) 阻容并联分压器( d ) 阻容串联分压器 目前，人们通过将电阻分压器放置在耐压强度较高的电介质中，提高允许电位梯 度，以缩小电阻分压器的尺寸，从而减小对地杂散电容，缩短响应时间，提高响应特 性。即便如此，电阻分压器还是不能做得太大。另外，还可以通过在电阻分压器的顶 端装上屏蔽环等方法对分压器的对地杂散电容进行补偿，来改善分压器上的电位分 布，改善其响应特性。不过，补偿后的电阻分压器相当于一个阻容并联分压器，用它 来测量波长较长的脉冲电压时，一般只会造成波形误差而无幅值误差；但测量波长较 短的陡波时，不仅有波形误差还有幅值误差。电阻分压器的时间常数越大，被测波形 越陡，响应畸变也就越大e t t 。 此外，电阻的温度系数也是影响电阻分压器稳定性的重要因素。因此，每只分 4 ：；，上t上王工芎 厂广 q 皇卜工草 uo_仁unzv上亍。庙fi 。豆t上l旦工li ，l，、l u 华中科技大学硕士学位论文 压电阻都必须经过温度系数考核，确定其大小和方向，使上下分压电阻的温度系数尽 量匹配，以尽可能抵消温度弓l 起的分压比的变化啸1 。 ( 2 ) 电容分压器 与电阻分压器一样，对地杂散电容也会对电容分压器造成测量误差。但电容分压 器本体的电容一般都选得比杂散电容相对较大，因此对地杂散电容的影响很小。而且， 对地杂散电容对电容分压器只会造成幅值误差，不会使波形畸变，而幅值误差是可以 通过校正来消除其影响的o ”。 影响电容分压器响应特性的主要因素是分压器本体的寄生电感以及引线的固有 电感与分压器本体电容构成的高频振荡回路o “。在任何电容分压器的实际设计中都必 须考虑寄生电感的影响，特别是在测量波头时间小于i o n s 的非常陡的脉冲电压“。 为了抑制振荡，通常在分压器高压端串联上一个数百欧姆的无感阻尼电阻。无感阻尼 电阻的价格非常昂贵，而且，阻尼电阻的大小很难选择，太小了不起作用，太大了又 会增大响应时间。因此，电容分压器的响应特性较差，尤其是在测量陡波电压时，它 的响应时间为r = 心。由于电容分压器的电容比屏蔽电阻分压器屏蔽环的杂散电容大 得多，其响应时间也就大得多n ”。一般来说，人们宁可用屏蔽电阻分压器而不用电容 分压器来测量脉冲电压。电容分压器一般用于测量波头较平、波尾较长的脉冲电压， 它难以满足大频带范围波形的测量要求。 另外，由于寄生电感的存在，使电容分压器的分压比不但与电路参数有关，还随 被测信号频率的改变而改变心”。除非屏蔽良好，否则，电容分压器容易受外界环境 的影响。但是，电容分压器具有分压比大、响应时间快、对被测系统影响小等优点，因 而仍被广泛应用于脉冲高电压的测量。 ( 3 ) 阻容串联分压器和阻容并联分压器 阻容串联分压器和阻容并联分压器是在电阻分压器和电容分压器的基础上发展 而来的，其响应性能已经有了很大改善，是更为优越的分压器。 阻容串联分压器 阻容串联分压器克服了电容回路的剩余电感，抑制了分压器的振荡。这种分压器 也称为阻尼电容分压器，其响应特性比纯电容分压器更优良。但是，正由于阻尼电阻 的接入，影响了其响应时间。阻尼电阻太大了会加大响应时间，当分压器在接入脉冲 试验回路后，也会影响脉冲电压的形成。若阻尼电阻太小了，又不能完全消除振荡， 而且，当低压臂只有电容时，也会增大响应的起始上升时间，分压器的响应特性也不 太好，在测量陡波时尤其明显 1 2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 阻容并联分压器 阻容并联分压器是在电阻分压器的基础上，为了增大分压器的纵向电容，改善分 压器上的电位分布，减小对地杂散电容的影响，提高分压器的响应特性而来的。制作 良好的阻容并联分压器具有幅频特性好、线性度高等优点。而且，阻容并联分压器 因其测试的频带范围大，从直流、工频到冲击电压，基本覆盖全部试验电压的范围 2 4 1 o 但是，常用的阻容并联分压器难以满足分压比不变条件c ，r ，= c ：r ：，在测量时容易 产生畸变。阻容并联分压器的阻值选取比较困难，选得太小了会影响发生器的输出负 荷，所以一般选得比较大，但太大了电阻的作用又显得很小，变成了电容分压器。 脉冲放电等离子体污染物处理技术中所用的脉冲电压与标准雷电冲击电压和操 作冲击电压都不同，它具有波形上升时间快( 数纳秒至数十纳秒) 、波尾时间长( 可 长达毫秒级) 、负载小等特点。“，如图卜5 和图卜6 所示。而且电压幅值也很高，通 常高达几兆伏。因此，要准确测量这种上升快、频带宽、幅值高的脉冲电压非常困难。 正如前面所述，常用的电阻分压器、电容分压器和阻容混合分压器由于自身存在的缺 陷，都难以满足测量这种脉冲电压的需要。 【矗， ( b )如) 图卜5 脉冲电压标准波形 ( a ) 雷电冲击全波( b ) 雷电冲击截波( c ) 操作冲击全波 尊 蔷 一 图卜6 放电等离子体污染物处理技术中的脉冲电压波形 6 华中科技大学硕士学位论文 我们知道，介质的电阻率和介电常数不仅与介质本身有关，而且与其所处的外界 环境条件有关。相同介质在不同的环境条件不，其介电常数和电阻率的大小也不相同。 电阻率与温度之间的关系为 p = a e 阻 ( 1 _ 2 ) 式中，4 常数，与介质性质有关； r 为绝对温度，单位为k ； 矽为导电率的活性化能量，对于矿物油、硅油，庐* o 4 1 e v ： k 为波尔兹曼常数。 由式卜2 可以看出，电介质的电阻率随着温度的上升按指数律下降。电介质的介电常 数大小与其极化类型和极化条件( 频率厂、温度r ) 有关。不同极化类型的介质，其 介电常数大小与电压频率和温度的关系不同。 所以，用常用的分压器测量脉冲高电压，不仅温度在变，加在分压器上的电压的 频率也在变化。因而，分压器的电阻值和电容值也是不断变化的。由于分压器高压臂 与低压臂的电阻和电容大小不同，所处温度条件也不同。即使高、低压臂的电阻和电 容所用的材料相同，在不同幅值的电压作用下，材料温度和性质也会产生变化。因此， 在测量过程中分压器的分压比并不是恒的，而是在不断变化着的，测得的电压波形将 产生很大畸变。 由于脉冲电压测量难度较大，以及现有的分压器存在一些缺陷，脉冲电压的测量 准确度还不高，仅为l o 2 上下m 1 ，高频窄脉冲电压的测量准确度就更低了。然而，高 电压测量的准确度是保证脉冲放电等离子体污染物处理技术提高处理效果并得以广 泛应用的基础，也是高电压设备产品质量及运行可靠的保证。随着科学技术的发展， 脉冲放电等离子体技术的应用越来越广泛，已经在环境保护、环境监测、医疗卫生、 农业等几乎所有行业中得到更深层次的发展和应用。对脉冲高电压测量准确度的要求 也越来越高，脉冲高电压测量仪器正向高精度的方向发展。即使在传统的高电压试验 领域，其测量要求也更加严格了。因此，研制出一种的分压比稳定、响应特性好、准 确度高、频带范围宽的新脉冲分压器，提高脉冲电压测量准确度水平。以满足脉冲放 电等离子体污染物处理技术的应用研究和高电压试验研究的需要，具有极其重要的意 义。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 3 研究目的及内容 华中科技大学脉冲功率研究中心对脉冲放电等离子体及其在污染物处理技术中 的应用进行了大量的理论研究与实际应用。先后承担了国家自然科学基金项目“脉冲 放电等离子体水处理研究”、“混合两相体放电研究”，国家“七五”科技攻关项目“g i s 电场的优化设计”、“空气放电保鲜技术研究”，国防“九五”重点预研项目“高储能 密度脉、神电容器的研究”，国家环保局科技发展计趔项目“脉冲放电等离子体催化还 原脱硫技术研究”，重大国防工程项目“晨光i i i 模拟核聚变装置高功率脉冲电源 的研制”等一系列大型重点科研项目，并取得了丰富的科研成果，荣获国家及省部级 多项奖励。 本课题作为脉冲放电等离子体污染物处理技术研究的一个重要组成部分，旨在研 制一种薪型脉冲分压器，提高脉冲高电压的测量准确度，以满足脉冲放电等离子体污 染物处理技术中特殊的脉冲陡波电压的测量需要。这种新的脉冲分压器具有分压器比 稳定、测量频带宽、线性度高、响应特性好和测量准确度高等优点，适宜于高频窄脉 冲电压的测量。而且，此分压器的抗干扰能力也有很大提高，对脉冲电压发生回路的 负载效应也较小。 本课题将研制的脉冲分压器预订的技术指标如下： ( 1 ) 测量电压u ( 峰值) o l o o k v ； ( 2 ) 分压比k 为1 0 0 0 ( 1 0 0 k v l o o v ) ； ( 3 ) 部分响应时间r 3 n s ： ( 4 ) 过冲d 1 0 。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 脉冲分压器主要类型及原理 2 。1 阻容并联分压器的响应特性 分压器的作用是将高达几万伏、几十万伏，甚至几百万伏的高电压降低到示波器 可以直接测量的低电压，而且只降低电压的幅值而不改变电压的波形。为了能够测得 真实的脉冲电压波形和准确的波幅值，就必须要求分压器的分压比准确而且稳定，不 受温度和电压频率等因素的影响。由前述可知，目前常用的分压器都不能满足此条件。 我们知道，阻容并联分压器( 如图卜4 c 所示) 在转换高频脉冲电压波时是利用 电容的转换特性，而在转换低频脉冲电压波时则是利用电阻的转换特性。也就是说， 当用阻容并联分压器来测量一个波尾较长的脉冲陡波电压时，波头部分的分压比决定 于电容，即! 三芸三，而波尾部分的分压比取决于电阻，目pr l + 。r 2 。为使初始分压比 l 1矗2 和稳定分压比相等，分压器的电阻和电容值应满足下列条件“： c 1 月1 = c 2 r 2 ( 2 - 1 ) 要满足这个条件，有两条途径可以实现： 一是，在设计时使分压器的电阻值和电容值相互匹配， 分压器的电阻值和电容值在测量过程中始终保持不变。 二是，在设计时使分压器的电阻值和电容值相互匹配， 定的比例同时呈线性变化，始终满足c ；r 。= c ：r ：。 满足式2 一l 的条件，并使 并使其在测量过程中按一 电介质的电阻率和介电常数都不是恒定不变的常数。电介质的电阻率与温度有关 ( 如式卜1 所示) ，介电常数不仅与温度有关，还与施加在电介质上的电压的频率有 密切关系口”，而且，在脉冲高电压的持续作用下，电介质本身的物理、化学性质也会 产生一定的变化。所以，要使分压器的电阻值和电容值在整个测量过程中始终保持不 变，这在实践中是根本不可能的。但是，要让分压器的电阻和电容在测量过程中按一 定比例呈线性变化，并始终保持c 1 r ，= c ，r ：，这是可以做到的。我们可以通过选取 适当的电介质与分压器结构，使分压器高压臂的电容c 与电阻r 的乘积c r 与低压臂 的在一定的条件下都为常数，并且相等。只要在整个测量过程中，始终保持高压臂的 9 华中科技大学硕士学位论文 电容、电阻的介质材料与低压臂的电容、电阻的介质材料始终相同，并且在任一时刻 所处的温度、电压频率等条件一致，就能保证分压器的分压比始终保持不变。 2 2 同轴圆柱电极的特点 对于一个同轴圆柱结构的电极，内外圆柱面分别为两个电极，构成一个同轴圆柱 形电容器，其电容值为。盯 c = 等 ( 2 _ 2 ) 式中，s 电极间介质的介电常数； ，电极的有效电容长度； 足外电极半径； r 内电极半径。 由于绝对不导电的材料是不存在的，任何材料都或多或少存在一定的导电性，也 就有一定的电导率和电阻率。因此，除了真空外，同轴圆柱电极的内外电极间还存在 一个径向电阻晒 ，电阻值为 r ：卫l n 墨( 2 3 ) 2 窟r 式中，p 电极间介质的体积电阻率； ，电极的有效电阻长度； r 外电极半径； r 内电极半径。 因此，同轴圆柱电极既构成电容，又构成电阻，电容和电阻是并联关系。由式2 2 和式2 - 3 可以得出，同轴圆柱电极的电容和电阻的乘积为 锨= 署丽pi n 詈= s p t ， 由于电介质的介电常数g 和体积电阻率p 都是与介质本身的性质有关的参数，它 们都会随着环境温度的变化而变化，而且介电常数s 还与电压频率有关。因此，印值 不是恒定的，而是在不断变化着的。但是，在一定的温度和电压频率的条件下，电介 1 0 华中科技大学硕士学位论文 质的甸d 值是一个常数。 2 3 同轴阻容并联分压器 如果阻容并联分压器的高压臂和低压臂的电容、电阻都采用同轴圆柱电极结构， 则有： 高压臂电容为 式中，矗高压臂电极间介质的介电常数 ，高压臂电极的有效电容长度 r ，高压臂外电极半径： 高压臂内电极半径。 高压臂电阻为 r：旦ln里l 2 z d lr l 式中，n 高压臂电极间介质的体积电阻率 f ，高压臂电极的有效电阻长度； r 高压臂外电极半径； 高压臂内电极半径。 高压臂电容和电阻的乘积为 c 1 r 1 = 6 i p l 丽低压臂电容为 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 盟噜 | | c 华中科技大学硕士学位论文 c ：2 翟 浯8 ) 式中，岛低压臂电极间介质的介电常数； ，低压臂电极的有效电容长度； r ，低压臂外电极半径： r 低压臂内电极半径。 低压臂电阻为 尺、：旦l n 生 ( 2 9 ) 2 癖2乇 式中，p ：低压臂电极间介质的体积电阻率； ，。低压臂电极的有效电阻长度； r ，低压臂外电极半径； h 低压臂内电极半径。 低压臂电容和电阻的乘积为 c 2 r 2 = 6 2 , 0 2 ( 2 1 0 ) 很显然，只要毛= 6 2 ，p l = p ：，就有c i r ，= c ：盖，而与分压器的具体尺寸无关。 也就是说，只要分压器的高压臂和低压臂的电介质为同一种材料，而且温度等条件相 同，就能满足分压比不变条件，因为分压器的高压臂和低压臂上所施加的电压频率相 同。 由于气体和液体电介质具有很好的流动性，用气体或液体电介质作为分压器的电 阻和电容介质，并改善分压器结构( 如图2 - l 所示) ，使分压器的高、低压臂连通， 可以利用气体或液体自身的对流来保证电极中的电介质及其温度等条件处处相同。另 外，此结构具有很好的自愈性，在电极局部击穿的情况下，分压器可以自动修复，保 证高、低压臂的电介质始终相同。选取耐压强度高的液体电介质作电阻、电容介质， 1 2 华中科技大学顽士学位论文 还可以减小分压器的本体尺寸。因此，这种同轴阻容并联分压器的高频、低频分压比 是一致的。 图2 1同轴阻容并联分压器的结构 2 4 屏蔽式同轴阻容并联分压器 阻容并联分压器是在电阻分压器和电 容分压器的基础上发展而来的，它不仅具 有电阻分压器和电容分压器的优点，也继 承了它们的一些缺点。当阻容并联分压器 中的电容为开放式电容时，容易受到外界 环境的影响，特别是在测量陡波时，由于 陡波脉冲试验波前时间较短，试品闪络将 产生较强烈的电磁干扰口，会严重影响分 压器的测量准确度。为此，我们可以将分 图2 - 2 屏蔽式同轴阻容并联分压器的结构 压器的低压电极完全屏蔽起来，成为屏蔽 式同轴阻容并联分压器，如图2 2 所示，这样可以显著地提高分压器的抗干扰能力， 降低分压器的测量误差。 一般来说，阻容并联分压器的对地杂散电容对测量误差也有影响。由于阻容并联 分压器在高、低频的转换特性不同，所以对地杂散电容会造成波形畸变，这与电容分 压器的特性明显不同。虽然分压器本身也有电容，但电容值相对比较大，对地杂散电 容对测量误差的影响相对较小，不过要准确测量高频压窄脉冲电压，就必须设法尽量 华中科技大学硕士学位论文 降低对地杂散电容的影响。屏蔽式同轴阻容并联分压器的低压电极被完全屏蔽起来， 分压器外壳接地，低压电极的对地电容就是分压器的低压臂电容，这样分压器就不会 受到对地杂散电容的影响了。“。因此，屏蔽式同轴阻容并联分压器大大地提高了抗干 扰能力，受外界影响变小了，测量误差也就变小了。 2 5 屏蔽式同轴阻容并联分压器响应特性的理论验证 同轴阻容并联分压器在低压电极完全屏蔽以后，成为屏蔽式同轴阻容并联分压 器。为简化计算，其低压电极与接地电极之间可分为两个不同类型的电极平行板 电极和同轴圆环电极。要想获得理想的响应特性，就要保证屏蔽式同轴阻容并联分压 器仍能满足式2 一l 的条件。 ( 1 ) 平行板电极 平行板电极的电容为 c ：8 兰 ( 2 一1 1 ) d 式中，4 极板面积，c m2 ： d 极间距离，； 占极板间介质的介电常数。 平行板电极电阻为 r = 口二( 2 - 1 2 ) s 式中，s 极板面积，a n2 ； 卜一极间距离，锄； p 极板间介质的体积电阻率，q 锄。 故对于平行板电极也有 c r = s 詈p i l = 6 , 0 ( 2 - 1 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 同轴圆环电极 同轴圆环电极的结构如图2 - 3 所示。 根据高斯定理：通过任意闭合曲面s 的电 通量m 。，等于该闭合曲面所包围的电量 o 除以介电常数s ，而与s 以外的电荷无 关。 图2 3 亦即 吐= 肛= 詈 对于圆环，则有 g e d s 蛆z 刀加= 詈 式中，e 圆环电极内场强； r 圆环的截面半径； d 圆环中心圆直径。 可以推导出同轴圆环电极内的场强为 五= 2 z q s - 日r d 所以，同轴圆环电极内外环间的电压为 u = ；e d r = 2 彘= 彘- n 百r 2 式中，r ，圆环的截面内半径； r ，圆环的截面外半径。 由此可以得出，同轴圆环电极的电容为 c 一毋u 2 謇r d n12 r 1 根据电阻计算公式 积：口生 同轴圆环电极结构 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 可以得出，同轴圆环电极内外环间的径向电阻为 r = e p 而d r = 赤- n 鲁 z 。， 式中p 介质的体积电阻率。 分别比较式2 1 8 和式2 - 2 ，式2 2 0 和式2 - 3 ，可以看出，同轴圆环电极的电容、 电阻的计算公式与同轴圆柱电极的计算公式相似，同轴圆环电极间的同轴圆环电场区 间，其长度可等效为圆环中心圆的周长。 因而，对同轴圆环电极也有 m 謇彘k 鲁2 印 2 。 r l ( 3 ) 组合电极的特性 由图2 - 2 可以看出，屏蔽式阻容并联分压器的高压臂仍然是一个同轴圆柱电极。 如前所述，有 c l r l = 即 ( 2 2 2 ) 而分压器的低压臂则是一个组合电极，分别由低压电极内侧凸出部分的上下平面 与接地电极间的两个平行板电极、低压电极内侧上下圆柱面与接地电极间的两个同轴 圆柱电极、低压电极上下圆环面与接地电极间的两个半同轴圆环电极以及低压电极外 侧圆柱面与接地电极间的同轴圆柱电极并联而成，则有 c ：驴争导将 r 邑2r 2 3 r 2 4 ：坠刍刍刍生塾生 ( 2 2 3 ) r 2 2 r 2 3 r 2 4 + r 2 l r 2 3 r 2 4 + r 2 1 r 2 2 r 2 4 + r 2 1 r 2 2 r 2 3 由前所知，对于平行板电极、同轴圆柱电极和同轴圆环电极都有c r = 印。又因 为低压臂组合电极间的电介质相同，故有 c 2 i r 2 l = c z 2 r 2 2 = c 2 3 r 2 3 = c 2 4 r z 4 = 印 ( 2 - 2 4 ) 将式2 2 4 代入式2 2 3 ，则 华中科技大学硕士学位论文 显然 c，r，：cp(r22r23r24+r21r23r24+r2,r22r24+r2,r22r23)：局d ( 2 2 5 ) l ， ，= 一= 掣 22 r 2 2 r 2 3 r 2 4 + r 2 l r 2 3 r 2 4 + r 2 l r 2 2 r 2 4 + r 2 i r 2 2 r 2 3 c l r l = c 2 r 2 ( 2 - 2 6 ) 可见，只要屏蔽式阻容并联分压器的高压臂与低压臂所用的电介质相同，分压器 高、低压臂电极之间连通，并保证电介质充分对流，使高、低压臂电极间的电介质始 终均匀且温度等条件相同，则可保证分压器的起始分压比与稳态分压比相等，测量时 波形不会发生畸变，具有理想的响应特性。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 1 绝缘介质的选取 3 液体介质脉冲分压器设计 为了保证阻容并联分压器具有稳定的分压比和良好的响应特性，除了要合理设计 分压器的结构，还要选择合适的绝缘介质。 首先，必须了解绝缘介质材料的基本性能，作为电介质的选取和结构设计的依据 。“。对于脉冲分压器的设计来说，最重要的是了解电介质的电气性能。衡量介质电气 性能的主要指标有介电常数s 、电阻率p 、击穿场强日和介质损耗角正切t a n 6 。此 外，作为电气设计人员，还必须熟悉介质材料的热性能、机械性能、吸潮性能、化学 性能以及抗生物性能等等。 其次，要根据使用目的不同选择不同的介质材料。当电介质用作绝缘材料时，要 求电介质的击穿场强和介电常数高、介质损耗因数小、物理和化学性能稳定、不易燃 烧、不易劣化等。 最后，在选取绝缘介质材料时，还应考虑其工艺性能、经济性和环保性等因素。 ( 1 ) 电容介质和电阻材料的选取 一般来说，电容器对电介质的要求是3 ：介电强度高；介质损耗因数小； 相对介电常数大( 这与、两条是相对矛盾的，因而要选择适当的相对介电常数， 使储能因数和损耗因数达到最佳值) ；在电场和电离作用下的稳定性好；粘度低， 易浸渍和散热；燃点高，着火危险性小：凝点低；与其它材料相容性好。由于 阻容并联分压器中的电容介质同时还是电阻材料，因此，在选取电介质时，还要考虑 电阻率的大小。 由于气体和液体介质可以流动，具有非常好的散热效果和补给能力，可充满容器 内所有空隙，保证容器中电介质处处保持一致。空气常被用作电气设备的内绝缘材料， 它具有资源丰富、绝缘受到破坏后能自动修复等优点。但是，空气的电阻率不稳定， 而且其击穿场强较低，均匀电场中空气的击穿场强只有3 0 k v c m 。难以缩小电气设备 的结构尺寸，用空气做分压器电介质，将会导致分压器对地杂散电容很大，影响分压 器的响应特性，同时也增加了成本。因而选择液体电介质作为电容和电阻介质，选择 低粘度和高导热性的液体电介质效果会更好。兼顾各种因素，我们选择蓖麻油作为电 华中科技大学硕士学位论文 容介质和电阻材料。 蓖麻油是一种植物油，主要成份为蓖麻酸甘油酯( c 。7 h 3 ：o h c o o ( o