高压脉冲阻容分压器的设计

PAGEPAGE26高压脉冲阻容分压器的设计摘要：在介绍阻容分压器基本原理的基础上，分析了脉冲信号时间与阻容分压器测量系统时间常数的关系。建立分压器的等效电路图，对测量系统进行仿真分析，分析表明阻容分压器中的寄生电感和电容对分压器的影响较大，当他们达到一定的程度会使系统输出波形的振动剧烈，上升时间变长，输出波形失真[1]。电容器中的电阻对分压器的性能有一定的影响，在设计高压脉冲阻容分压器时要适当给予考虑。通过改变等效电路中的各个参数，分析不同参数对分压器测量性能的影响，对分压器的结构进行优化。关键词：分压器；阻容分压器；电压测量；响应时间；DesignoftheCapacitorDividerforMeasuringofHighVoltagePulseStudentmajoringinagricultureelectrificationandautomationShenJinyuTutorChenWeifengAbstract：Therelationbetweenthepulsesignal’sandthemeasurementsystem’stimeconstantofresistance-capacitancevoltagedividerareanalyzedonthebaseoftheintroductionoffundamentalprincipleofresistance-capacitancevoltagedivider.Equivalentcircuitofthevoltagedividerisestablishedinordertosimulatethemeasurementsystem,thesimulationanalysisshowedthattheresistanceandcapacitanceinthecapacityhavegreatereffectonresistance-capacitancevoltagedivider.Theoutputwaveformofthesystemwillvibrateintensively,therisingtimewillbecomelonger,andtheoutputwaveformwillbedistortedwhentheyreachacertainextent.Theresistanceofthecapacityhasacertaininfluenceonthefunctionofvoltagedividerwhichshouldbeconsideredindesigningahighvoltagepulsecapacityvoltagedivider.Thevoltagedivider’sstructurecanbeoptimizedbychangingthecircuit’sparametersandanalyzingtheinfluenceofdifferentparameters.Thevoltageratioofthedesignedcapacitancevoltagedivideris2100.Keywords：potentiometer；resistance-capacitancevoltagedivider；measure；responsetime绪论1).研究分压器的功能和意义将高压信号转换为示波器所能测量的低压信号，在整个测试系统中占有重要地位，分压器的性能好坏直接影响测试系统的整体性能的好坏。分压器作为转换装置，是冲击测量系统常用的主要组成部分之一。它的作用是把几万伏或几十万伏的冲击高电压转换成示波器等记录仪能够测量的低电压。老式的高电压示波器最高能施加1KV-2KV,而通用的数字存储示波器一般只能加上几十伏或几伏，所以要通过高压分压器把高电压转换成几十伏或几伏的电压才可以输入同轴电缆上，通过同轴电缆把几百毫伏至几十伏电压传送到数字示波器上进行测量。2).脉冲分压器测量应满足的要[2]（1）将被测电压波形的各部分按比例缩小后，波形无畸变；（2）分压比恒定，在适用范围内，不随大气条件或被测电压的波形、频率、幅值等因素而变；（3）分压器的接入对被测电压过程影响应微小到容许程度。此外，分压器所消耗的电能应不大。在一定的冷却条件下，分压器消耗的电能所形成的温升不应引起分压比的改变。分压比在一定频带范围内应与被测电压的频率和幅值无关。3).设计的思路在参阅相关文献资料的基础上，立足现有的实验条件、设备条件提出初步的设计方案，按照方案建立等效电路图进行仿真,分析仿真结果,确定分压器的参数。随后进行焊接，工艺和结构优化，最终达到预期的要求和目标。主要的工作内容包括:1.理论分析,建立模型2.电路仿真,确定参数3.实物制作,试验验证4.结果分析,不断改进1脉冲测量技术电磁脉冲测量，包括脉冲电场、脉冲磁场、脉冲电压及脉冲电流的测量。由于电磁脉冲信号是上升时间仅几个纳秒、持续时间几十纳秒至几个毫秒的极高强度的瞬态信号，其频谱覆盖了零到几百兆赫的频带，因而要求测量系统具有与之相适应的频率响应范围，且既不能对被测环境产生明显的影响，又要具有较强的抗干扰能力。1.1脉冲电压的测量测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。脉冲分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容串联分压器[3]。电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10kΩ，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关。微积分测量系统[4]（Differentiating-Integratingmeasuringsystems,简称D/I系统），是20世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的。D/I系统的优点是：对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。其缺点是对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。光电测量系统是利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。其中利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可将高压设备与高灵敏度的测量仪器及计算机隔离开，可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影响。但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差。1.2脉冲电流的测量脉冲强电流的测量常用分流器和数字示波器所组成的系统，也常用罗戈夫斯基线圈（Rogowskicoil）作为换能装置。此外，也可用光电测量系统。设计分流器要考虑三个因素：残余电感应尽量小；在尽可能宽的频带内，分流器的有效阻抗必须为一常数；抗干扰性能要好，应尽可能减小流经电缆外导体的电流。用分流器测量脉冲电流时，被测电流将在分流器内产生热效应和力效应。如被测电流达几百千安，分流器的制造会有一定的困难，此时常用罗戈夫斯基线圈来测量电流。罗戈夫斯基线圈是利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。其实际上是一种电流互感器测量系统。与分流器法相比，罗戈夫斯基线圈与被测电路没有直接的电的联系，可避免或减小电流源接地点的地电位瞬间升高所引起的干扰影响。由于线圈输出端口上所得的电压信号与被测电流对时间的导数成正比关系，所以，为了直接得到与电流成比例的信号，在测量系统中需加入积分环节。罗戈夫斯基线圈的积分法可分为LR积分式（自积分式）和RC积分式两种。无论哪种积分方式，在参数选择及系统构建时，都必须使响应特性满足要求，自积分式方波响应上升时间可做到小于1ns。目前最常用的测量方法有[6]：（1）测量球隙；（2）分压器与数字存储示波器组成的测量系统；（3）微分积分环节与存储示波器组成的测量系统；（4）光电测量系统。球隙只能用来测量电压峰值，不能测量电压波形。微分积分测量系统是20世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的，其优点是：对高压源的负荷效应极小；具有足够高的响应特性。缺点是：当微分环节的电容值很小时，往往静态分压比的测量误差较大；对微分环节的电阻的无感要求很高；当被测脉冲上升沿很陡时，微分环节的电阻上会出现极高的尖峰脉冲电压。光电测量系统是利用各种电光效应进行测量的系统，其突出优点是对被测对象的介入性较少、抗电磁干扰能力较强，但系统复杂，且测量的可靠性取决于光学、电子学系统的实际性能，因而这些技术仍在不断发展之中。本章主要讨论高压脉冲电容分压器的原理和制作。2高压脉冲阻容分压器[5]阻容分压器分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进行改脉冲高压强流测试装置的研制进而发展来的，其响应性能已经有了很大的改善，是更为优越的分压器。2.1阻容分压器的基本原理阻容分压器是采用RC串联网络来分压的，具有电阻分压器低频性能好的优点及电容分压器高频性能好的优点，缺点是高阻低电容网络测试复杂。阻容分压器分为阻容并联和串联两种，阻容并联分压器尽管可以作为冲击电压信号的测量分压器，但电容和电阻分压比的同步调节困难，因此一般选用在阻容串联分压器。阻容串联分压器包括高阻尼和低阻尼分压器，高阻尼分压器要考虑引线电感的影响，在高压引线上需要添加阻尼电阻Rd，且需要考虑阻尼电阻对分压器特性的影响，如图2。图2高阻尼阻容分压器图2中(包含阻尼电阻Rd)和C1组成高压阻尼臂，R2和C2组成低压臂。高阻尼电容分压器在测量高频冲击信号是，利用电阻的特性转换；而在测量低频冲击信号是则利用电容的转换特性。也就是说：冲击信号起始按电阻比分配，最终按电容笔进行分配。电阻和电容要求满足(5)高阻尼电容分压器的时间常数很大，当测量较小的负载时，会因为电容分压器的接入使波形的调节较为困难。2.2电容分压器测试系统2.2.1自积分电容分压器图2-3带积分器的电容分压器测量回路带积分的电容分压器的测试回路如图2-3[8]，C0、C1分别为高压、低压臂电容；Z为信号电缆的波阻抗；R为末端匹配电阻取值为50欧；积分电阻、电容分别为R1、C2；R2与Ｃ为示波器输入电阻、电容。示波器的输入电阻R2远大于补偿电阻R1，C1的输出ｙ(t)的负载即为Ｒ，则对上式整理可得：对于式(2.5)，当(C0+C1)dy(t)/dt>>y(t)/R时，即：假设被测量的电压u(t)频率是f，其上升沿r决定高频fh，而脉宽d决定于低频分f1。一般0=30d就无需外加积分器。，当2πfR(C0+C1)>>1时，即：0>>0.3td是就不需要积分器就可以测量被测电压信号。以tr＝15ns，td＝40ns，ｕ（ｔ）＝200kv来说：0=30d=1200ns,由0=R(C0+C1)，R=50可得：C0+C1=0/R=1200050=2.4nf,电容分压器的高压臂电容C0远小于低压臂电容C1，不防取C0=0.8pf,那么C1=2.4nf-0.8pf=2.3002nf;可以得到：2.2.2微分电容分压器当(C0+C1)dy(t)/dt<<y(t)/R时，类似于式（2.4），可得所测输出的信号是原信号的微分，需要对其还原源信号，即要积分。当2πfhR(C0+C1)<<1[9],取fh=0.35/tr,既在tr>>20分压器必须加积分电路。2.3等效电路2.3.1电容器的等效电路电容器的一般结构通常由三部分组成：（1）电容器芯子:主要有介质和极板构成，它是电容器的核心部分，等效电路中通常用Z1表示。（2）保护结构:它的作用是保护电容芯子，使其能够长期可靠的工作。这部分阻抗通常以Z2表示。（3）引线或绝缘子引出端:这部分阻抗通常以Z3表示。在交流电压作用下这三部分均起作用，其中Z1，Z2取并联形式并与Z3串联。若把电容器中的各部分都已集中参数表示，则可得出电容的等效电路图2-4[10]如下：图2-４电容器的等效电路图在Z1部分中，R1，C1表示电容器芯子介质的等效并联电阻和电容；r1，L1表示极板的电阻和电感。Z2部分中，R2，C2中表示保护层介质的并联电阻和电容；r2，L2表示保护层内引出片的电阻和电感。在保护层结构的等效电路中，偶遇保护层内的引出片很短，同时面积有很小，所以和r2,L2,C2,R2的数值比起相应的电容器芯子介质的参数要小的多，一般情况下这部分的对整个电容器的影响很小。为了分析和计算的方便，上述电容器的等效电路可以进一步的简化。用集中参数形式表示，有如图2-5所示七种形式，其中Cp是主介质和保护介质的各种极化电容量；R是介质极化引入的等效并联电阻；rm是电容器金属部分的电阻；r1是漏导阻抗，是针对(b)直流的情况：图2-５电容分压器的简化等效图2.3.2电容中的电感当电流不断流经导体时将在导体周围产生磁通量并形成磁场，磁通量的大小和方向取决于该导体的电流大小和方向。因此，磁通量与电流之间有一比例关系，此比例或其增量之间的比例就称为该段导体的电感。明显，电容器也是金属导体，所以电容也有电感。当交流电或变化的电流经电容器的引出线、极板、金属外壳等导体部分时都会产生电感。实际上电容器的电容量和电感是同时并存的。电感的大小取决于通过电流导体的几何尺寸和导体的磁导率，而与通过的电流的大小无关。虽然各种电容的具体尺寸和结构不同，其电感各异，但一般电容器的电感是由三部分组成即芯子电感（主要指极板部分，也包括接触用的引出片电感和多个芯子之间的连接部分）、引线电感和外壳电感（当电容的外壳为金属并与电容器的一端连接时）。在制造电容器分压器时，为使电容器具有较小电感，可以考虑以下三个方面[12]：(1)电容器的载流部分应尽可能配置的使其磁通量相互抵消。因此，应使电流方向相反的导体靠近，电流方向相同的导体远离。(2)尽量缩短载流导体的长度，对导体的形状和结构应特殊考虑（增大电流流经的宽度和厚度）。(3)电容器金属部分的材料，应当选用非磁性材料。图2-6可以认为电感为零的结构图2-7引线错开，板间电流方向存在相同，形成磁场电感增大在电容器芯子中，如果能使流经上、下两个极板的电流方向相反，同时又假定在极板上的分布是均匀的，则从理论上讲，这种情况对外呈现最小电感。如图2-6所示电容极板两侧的电流方向都相反，就可以认为其电感为零；而对图2-7而言，其两个极板间的引出线相互的错开，在极板间存在电流方向相同的区域，在该区间的就会形成磁场而使电感的值增大。２.3.3电容器的容量温度特性电容器的电容除了受频率的影响之外，也受温度的影响。电容量随温度的变化首先决定于介质材料，具有电子、电离位移极化的各种中性介质和离子结构的电解质属于这一类；第二类是与温度呈现强烈非线性关系的材料，具有明显居里点的=2\*ROMANII型陶瓷材料。根据介质介电常数随温度的变化情况将其也可以分为两类：第一类是与温度有线性关，第二类是与温度没有线形关系。除此之外电容的结构、工艺也会影响电容的温度特性。2.3.4极化图2-8夹板极化及等效电路图中每一层介质的面积及厚度均相等，外电压为电压U0，合闸瞬间两层夹板的电压U与各层的电容成反比关系（突然合闸的瞬间相当于很高的频率的电压），即：当t=0时有。稳定后，各层电压与电阻成正比，即与电导成反比，如果介质不均匀，即ξr1与ξr2、C1与C2、G1与G2都不相等，当t=0时和t为无穷时的U1/U2不相等，那么合闸后两层介质之间就有一个电压分配的过程其中一个电容上的电荷要通过G放电，另一个要从电源吸收电荷，该部分成为吸收电荷。整个介质的等值电容将增大。吸收过程完毕，极化过程结束，吸收过程要经C1、C2和G1、G2进行放电，其放电常数＝（C1＋C2）/(G1+G2)。由于G很小，故很大，极化速度非常缓慢。所以在设计电容分压器时极化因素可以忽略。2.3.5线路中的波电系统各个元件都是通过导线连接成的一个整体，在发生雷电或进行开关操作时，线路上都可能产生以流动形式出现的过压波。过电压波在线路上的传播，就其本质而言是电磁场能量沿线路的传播过程，即在导体周围空间逐步建立电场（E）和磁场（H）的过程，也即是在导体周围空间存储和传递磁能的过程，空间各点的E与H相互的垂直。线路中的波的折射与反射[13]在电力系统中常会遇到两种不同波阻抗的线路连接在一起的情况，如图2-9。图2-9行波在节点A的折射与反射当行波传播到连接点时，在节点A前后都必须保持单位长度导线的电场能量和磁场能量总和相等的规律，故必然要发生电磁场能量的重新分配的过程，也就是说在节点A发生折射和反射。在节点A处只能有一个电压值和电流值，即A点Z1侧及Z2侧的电压和电流在A点必须连续，这是边界条件。据此可以求出节点A电压的折射系数和反射系数β，有；；。3影响因素分析3.1模型及等效电路如图3-1是电容分压器的结构简图，铜芯和铜壁构成分压器高压臂，两个铜壁之间构成分压器低压臂，高压臂是一个管型电容器，电容的值比较的小。低压臂是一个锥型电容器，电容的值远大于高压电容值，即高压臂的电容量较大。图3-1电容分压器的结构简图根据上面的结构简图和第二章中关于电容器的知识我们可以建立如图3-2所示的电容分压器的等效电路图：图3-2分压器的等效电路其中C0，C1为电容器高压臂和低压臂的主电容；Rc1和Rc2是高、低压臂电容介质（包括主介质和保护层介质）极化引起的并联电阻；Cg1到Cg3是对地电容；C12是极板间的电容；L0、L1是电容器金属部分电感；Rm0和Rm1是电容器金属部分的电阻。3.2阻容分压器相关参数计算3.2.1低压臂相关计算同轴电容分压器的低压臂是一个同轴电容，即是管形电容器。图3-3管型电容器（1）电容的计算[14]低压臂是由两个同轴的圆柱面所构成，半径分别为r1和r2，长度为b。在两极板间间隔的介电常数为的介电质，其间点位设为U。由静电学的基本定律可知，距轴心r处的电场强度为：由电场与电位的关系则上式积分=将上面的值代入，并Q=CU，则芯子的电容量为：(3.1)（2）电感的计算低压臂电容的芯子的半径为r1,铜芯的长度是b。在工频下，单导线单位长度的电抗为：其中D为单向导线的几何平均距离，在此取r1的值；为导体的相对导磁率系数，对非磁性材料铜=1。对于长度为b的铜芯的电抗为：(3.2)把电容器的电感当集中参数来看，设电感为L0（3）电阻的计算经查表铜的电阻率(3.3)因为圆柱电容器的两极板间的电介质是绝缘体，电阻很大，所以可以认为Rc0比无穷大稍小。3.2.2高压臂的相关计算高压臂是圆锥形电容器，其结构如图3-4所示：图3-4锥形电容器（1）电容的计算图3-4是圆锥形分压器的结构简图，圆锥底面的内半径是r2，内外半径是一层很薄的介质，所以外半径r3可以近似的看成r2+a，电容器的高是L，从O点向上的距离为。取电容器的dl高度，所以可以把dl高度的圆台看成圆柱，由圆柱形电容的计算公式，可知，该dl段的电容量为：则距O点处圆锥的半径是：所以该微元的电容量为：对上式积分可以得到整个圆锥形电容的值：(3.4)（2）电阻和电感的计算电容分压器的低压臂是由两个同轴的圆锥面组成，横截面积很大，所以电容器的电阻和电感都非常的小取值要比高压臂的小的多，在仿真时可以适当的取值，和高压臂的情况类似Rc1的值很大，取值可以比Rc0的值稍小。3.2.3极间电容和对地电容由分压器的结构简图可以看出两个电极的极板相对的错开，极板间的距离较大，所以极间的电容量非常的小，由圆柱形电容器的公式来近似的估计，极间的电容量要比高压臂的电容小一个数量级。对地电容的电容量更小，这里取值比高压臂小三个数量级。3.3ProtelDXP仿真3.3.1ProtelDXP软件的介绍（1）元件库ProtelDXP2004不但可以绘制原理图和制作电路板，而且还提供了电路仿真，用户可以对设计的电路进行信号的仿真。Protel2004为用户提供了大部分常用的仿真元件，基本的元件库MiscellaneousDevices.IntLib中的大部分元件均是仿真元件。另外，Protel2004有5个基本的仿真元件库在[Library/smulation]目录中,其中仿真数学函数元件库为SimulationMathFunction.InLib、仿真信号源元件库为SimulationSourse.InLib仿真专用函数元件库为SinulationSpecialFunction.IntLib、仿真传输元件库为SimulationTransmissionLine.IntLib、仿真电压元件库为SimulationVoltage.INTLIB。如图3-5列出所有的仿真元件库的名称。图3-5DXP方针元件库（2）仿真属性编辑在电路仿真时，所有的元件必须具有仿真属性，如果没有，在电路仿真操作时会提出警告或错误信息。下面讲述如何为元件体检仿真属性。如果元件库没有定义仿真属性，则使用鼠标双击该元件，打开元件属性对话框后，在元件的模型列表框中不会显示[Simulation]属性，否则在元件库的模型列表框中会显示仿真属性，如图3-6所示。图3-6仿真属性对话框为了使添加元件具有仿真特性，可以按[Models]列表框下的[ADD]按钮，系统将会弹出如图3-7所示的添加新模式对话框。图3-7添加新模式对话框在上面所示对话框中选择[Simulation]类型，单击[OK]按钮，系统会打开如图3-8所示的仿真模式参数设置对话框。图3-8仿真模式参数设置对话框（3）仿真器额设置在进行方真时，设计者应知道可对电路进行哪种分析，需要搜集哪个变量的数据，以及仿真完成后自动的显示哪种变量的波形等。我们选择瞬态特性分析。当完成了对电路的编辑后，设计者可选择和设置进行仿真分析的对象。执行[Design]/[Simulate]/[MixedSim]命令，进入电路仿真分析设置对话框进行设置，如图3-9所示。图3-9电路仿真分析设置对话框3.4ProtelDXP的电路仿真图3-10仿真等效电路图对仿真信号源的-脉冲信号的设置如下：起始电压：0V，脉冲的幅值为：200kv，时间延迟：2ns，上升时间：10ns，下降时间为：10ns，脉冲的宽度：100ns，电容电感的设置比较的简单不再累述。设计的电容分压器的分压比为2100，根据式(2.0)这里取高压臂电容C0=2.0pF,低压臂电容为C1=4nF，经初步的估算这里取Rm0=450nΩ，Rm1=200nΩ，Rc0、Rc1比无穷稍小，Cg1=Cg2=Cg3=0.002pF，C12=0.2pf，L0=2nH，L1=0.5pF。（1）我们改变L2值（其他的参数保持不变）来进行仿真。图3-10是保持Rm1＝43.9n,L1=0.15p,Cg1=Cg2=Cg3=0.0015,Rm2=20.9的值不变，L2分别为0.15pH、4.5pH、7.5pH、15pH、20pH、40pH、100pH时的仿真图。（a）L2=0.15时的仿真图(b)L2=4.5pH时的仿真图(c)L2=7.5时候的仿真图(d)L2=15pH时的仿真图（e）L2=20pH时的仿真图（f）L2=40pH时候的仿真图（g）L2=100pH时候的仿真图图3-10改变高压脉冲电容分压器中低压臂电感的仿真（2）改变L1值（其他的参数保持不变）来进行仿真。图3-11是保持Rm1＝43.9n,L2=1.5p,Cg=0.0015,Rm2=20.9的值不便，L1分别为0.3pH、0.7pH、1pH、1.15pH、1.65pH时的仿真图。（a）L2=0.3pH时的仿真(b)L2=0.7pH时的仿真(c)L2=1pH时的仿真(d)L2=1.15pH时的仿真(e)L2=1.6pH时的仿真图3-11改变高压脉冲电容分压器中高压臂电感的仿真（3）改变Cg1～Cg3的值（其他的参数保持不变）来进行仿真。图3-12是保持Rm1＝43.9n，L1=0.15p，Rm2=20.9，L2=1.5p不变，Cg1～Cg3由0.015pF、0.055pF、0.5pF、1pF、2pF、5pF。(a)Cg1～Cg为0.015pF时的仿真(b)Cg1～Cg为0.055pH时的仿真(c)Cg1～Cg为0.5pH时的仿真(d)Cg1～Cg为1pF时的仿真(e)Cg1～Cg为2pH时的仿真(f)Cg1～Cg为5pF时的仿真图3-12改变高压脉冲电容分压器的对地电容值进行的仿真（4）改变Rm1的值（其他的参数保持不变）来进行仿真。图3-13是保持L1=0.15p，Rm2=20.9，L2=1.5p，Cg1～Cg3为0.0015pF不变，Rm1由100nΩ、300nΩ、500nΩ时的仿真图。（a）Rm1=100nΩ时的仿真（b）Rm1=300nΩ时的仿真（c）Rm1=500nΩ时的仿真图3-13改变高压脉冲电容分压器中电阻的仿真（5）综合上面的仿真的结果，取Rm1＝300n，L1=0.7pC0=1p，Rm2=30n，L2=0.5p。图3-14Rm1＝300n，L1=0.7pC0=1p，Rm2=30n，L2=0.5p时的仿真从仿真图看，结果并不是很理想，我们把L2调整到0.3pH得到仿真图3-15。图3-15Rm1＝300n，L1=0.7pC0=1p，Rm2=30n，L2=0.3p时的仿真对仿真参数多次调整得到如3-16的仿真图，结果比较的理想。图3-16仿真结果比较理想时的仿真图e（3）的参数分别为：Rm1＝439Ω，L1＝1.2pH，Rm2＝30Ω，L2＝0.12pH。所以通过3.2中的计算公式可以确定高压脉冲电容分压器的各项参数。介质用聚四氟乙烯，其介电系数：由式(3.1)到式(3.4)可以计算得到：高压臂电容：r1=1cm，r2=18cm，b=7cm时符合电容器的各项参数要求。对于低压臂计算，因为积分比较的复杂，用Matlab取值验证可以近似的取到高压臂电容器的相关参数（r2=18cm，=40度）：a=1.8mm，L=10cm4.结构设计与试验图4-1高压脉冲电容分压器得结构简图A-高压臂铜芯B-高压臂绝缘冒C-绝缘层E-绝缘支架F-铜箔覆层aH-铜箔覆层bI-分压器的对称轴线J-转换接头K-传输线高压臂铜芯A和铜箔层F构成高压臂电容；两个铜箔覆层F和H构成低压臂电容；J是转换接头，把从低压臂采集到的信号传输到传输线K上面，再把K接到示波器等测量仪器上进行测量。高压臂两个极板之间是聚四氟乙烯介质。绝缘支架式用陶瓷材料做成，起到对高压臂内芯的支持固定作用。A端接测量脉冲电压，H接地。分压器的相关尺寸在第三章的仿真计算中已经给出！不再重复！对所设计的高压电容脉冲分压器进行实验室测量，从示波器测量结果和标准波形比对，可以看出电容分压器的响应时间和畸变要求大体在所标定的范围内。设计符合预期要求。5总结与展望电容分压器中寄生电感对分压器的影响：电感和电容组成LC串联和并联寄生电路，一方面使电路的响应时间变长，另一方面也增加了系统的不稳定性，使震荡加强，从而使测量波形发生严重的失真而影响测试的结果。所以在设计电容分压器时要尽量的减少寄生电感的值。电容分压器中对地杂散电容对分压器的影响：一方面，对地电容和高、低压臂形成并联电路，使电容分压臂的分压比改变；另一方面，对地电容和电感构成LC并联回路，也会加强电路的振荡。所以在制作分压器时要采取一定的措施减小分压器对地的寄生电容，使电容分压器的分压比更准确。对地电容也是输出波形畸变的一个关键的因素。积分电路对测量系统的影响：积分电路中的电阻和电容值影响系统的响应速度，如电阻小则响应较快，但是电路测量结果就会有较大的震荡；电阻过大电路的响应时间就会较大，那样就对变化较快的脉冲信号就无法响应或响应较慢而无法得到理想的测量结果。不仅如此，积分电阻和示波器电阻又构成一个电阻分压器，对测量信号进行了二次分压，使测量系统的实际分压比发生改变，测量电路的实际分压比近似的等于电容分压器分压比和电阻分压器分压比的乘积，所以对具体的测试系统要进行标定后才可以使用。电容分压器中电阻对分压器的影响：很显然电阻会增大电路的时间常数使电路的响应变慢。总之高压脉冲电容分压器的测量系统是一个相对复杂的系统，影响测量结果的因素很多，需要综合考虑各方面的因素才能得到比较准却的测量结果。在毕业设计的过程中，有时候考虑到某一方面的内容，却又忽略了另一方面的内容，问题总是不断的冒出，而我也在不断的改进。在导师的指导下，设计是在不断的改进和完善中。任何产品的设计都是一个不断完善的过程，对高压脉冲分压器的了解越多，就越会发现里面有很多需要自己不断学习的东西，比如：在减少电容电感的方式方法；分压器的结构对行波传播过程影响；不同材料的电容器极板有哪些方面的优缺点；测量电缆对测量的影响；匹配与振荡等等。随着电力系统的发展，高电压测量技术也提出了更高的要求，这也促进了分压器的发展，新的测量方式将不会断得涌现。致谢我的毕业设计是在陈炜峰老师的直接指导和关心下完成的。感谢老师在我进行毕业设计的过程中给予的指导和帮助。陈老师学识渊博，经验丰富，治学严谨，对工作认真负责的精神让我深受启发，终生受益。在此特向我的导师陈炜峰老师表示最诚挚的谢意。在即将踏上社会离开母校的时候我要感谢工学院的所有的老师们，感谢他们为了培养我们兢兢业业的付出；我也要感谢和我一起学习的同学们，感谢他们对我的帮助和激励。身将前行，心系母校，无论今后的道路如何。崎岖，还是平坦，我都会带着南农人的品质继续前行，服务社会，报效祖国。 参考文献：[1]赵海翔、杨海芳、张元斌．集中式电容分压器分压比稳定性的研究[J]．高电压技术．1998,24(2):66-69[2]杨宝初、刘晓波、黛玉松.高电压技术[M].重庆：重庆大学出版社，2002.1[3]天津大学无线电材料与元器件教研室.电容器[M].天津：技术标准出版社，1981.12[4]张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术[M].北京：清华大学出版社,2003.11[5]IEC60060-1（1984）：High-voltagetesttechniques,part1:Generaldefinitionsandtestrequirements[s][6]中野义映.高电压技术[M].张乔银，译.北京：清华大学出版社，2004.1[7]王昌长、谈克雄、李福祺．电容分压器分压比的确定及其误差分析[J]，清华大学．2007,33(1):17-23[8]高景明、刘永贵、杨建华.一种电容补偿型高压电容分压器的设计[J].高电压技术.2007,33（6）:76-77[9]兰林才、李震.CVT中电容分压器的电容及介损测量方法浅析[J].湖北电力.2005,29（6）:55-60[10]刘金亮、怀武龙、钟辉煌等.一种测量脉冲高电压的电容分压器[J].强激光与粒子束.2000，22(1):122-124[11]刘金亮、怀武龙、钟辉煌.脉冲高电压的频率对电容分压器性能的影响[J].国防科技大学学报.2000,22(3):10-13[12]KannariF.ShawM.I,etal.Magneticswitchdrivenhighvoltagegeneratior[C].In:5thIEEEPulsedPowerConference(Arlington,VA,USA).[13]黄德宝、刘慰仁.带有长测量电缆的电容分压器的传输特性[J].原子能科学技术.1987,21(3):291-296[14]张三慧.大学基础物理学（下册）[M].北京：清华大学出版社，2003.11目录摘要 1关键词 1Abstract 1Keywords 1绪论 11脉冲测量技术 21.1脉冲电压的测量 21.2脉冲电流的测量 32高压脉冲电容分压器[5] 32.1电容分压器的基本原理 42.2电容分压器测试系统 82.2.1自积分电容分压器 82.2.2微分电容分压器 92.3等效电路 92.3.1电容器的等效电路 92.3.2电容中的电感 10２.3.3电容器的容量温度特性 112.3.4极化 112.3.5线路中的波 12线路中的波的折射与反射[13] 123影响因素分析 133.1模型及等效电路 133.2电容分压器相关参数计算 143.2.1低压臂相关计算 143.2.2高压臂的相关计算 153.3ProtelDXP仿真 163.3.1ProtelDXP软件的介绍 163.4ProtelDXP的电路仿真 194.结构设计与试验 265总结与展望 26致谢 27参考文献： 28附图1 29基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究HYPERLINK"/detai