【技术领域】
[0001] 本
发明属于电学测量领域，涉及一种同轴型电阻分压器及其高频响应补偿方法。【背景技术】
[0002] 电阻分压器是应用最为广泛的
接触式
电压测量装置，可在多种应用场合下实现高
精度、高
稳定性的电压测量，其在复杂电磁环境(如存在强
电磁干扰或高
密度空间电荷的情况)下可靠工作的能
力是非接触式电压测量装置(如
电容分压器)不可替代的。
[0003] 电阻分压器的基本原理为
串联电路的阻抗分压，即利用具有高阻抗的高压臂和低阻抗的低压臂形成分压，通过测量低压臂上的电压
信号并结合分压比计算被测高压。当被测电压随时间快速变化时(即具有较大高频成分)，分压器的高频响应特性是需要重点关注的问题，若高频响应不足则可能造成测量结果前沿变缓或引起振荡。限制电阻分压器高频响应的主要因素为杂散电容，其中分压器对地杂散电容的充放电过程将导致测量结果前沿变缓，而杂散电容增大时同时降低了分压器振荡的特征
频率，因此更容易产生振荡。因此尽可能减小对地杂散电容是改善分压器高频响应的有效方式。而另一方面，某些复杂环境下有必要对分压器进行屏蔽(如强电磁干扰环境、强
辐射环境、及存在空间
电子发射的情况等)，利用与接地的金属罩包围分压器是一种有效屏蔽方式，然而接地
外壳的引入大大增加了分压器的对地杂散电容，将显著影响分压器的高频响应。利用与高压
电极接触的金属罩对分压器进行屏蔽也是一种可行的方案，但在高电压测量时这种方案大大增加了高压导体的面积，从而增加了绝缘设计的难度，满足高压对绝缘距离的要求即相当于增大了电阻分压器的体积；另外大面积高压导体的引入意味着大大增加高压电极与大地之间的结构电容，在高频下此电容与测量引线电感构成振荡回路，将严重影响测量信号
质量，大大降低分压器高频性能。【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于为电阻分压器设计提供一种同轴型电阻分压器及其高频响应补偿方法，使电阻分压器同时具备抗干扰能力和优异的高频响应特性，以提高电阻分压器对复杂环境的适应性和工作的可靠性。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种同轴型电阻分压器，包括：
[0007] 高压臂电阻，高压臂电阻包括陶瓷管基体和金属
氧化物电阻
薄膜，陶瓷管基体的前端设置高压臂前端
法兰，后端设置高压臂后端法兰；
[0008] 低压臂电阻，低压臂电阻包括低压臂陶瓷管基体和金属氧化物电阻薄膜，陶瓷管基体的前端设置低压臂前端法兰，后端设置低压臂后端法兰；高压臂后端法兰与低压臂前端法兰通过螺杆紧固以保持良好电接触；
[0009] 安装在低压臂后端法兰外侧的同轴
电缆座，电缆座芯线通过
焊接于芯线末端的
铜杆以及焊接于铜杆末端的香蕉插头与带中心孔的螺杆连接；
[0010] 轴向杂散电容补偿装置，包括低压臂外壳和绝缘薄膜，低压臂外壳通过绝缘薄膜与低压臂电阻保持电绝缘；
[0011] 以及接地屏蔽和径向杂散电容补偿装置，包括屏蔽壳和补偿电极，屏蔽壳一端与低压臂后端法兰相连；补偿电极一端与高压臂前端法兰相连，位于高压臂陶瓷管基体内部。
[0012] 本发明进一步的改进在于：
[0013] 铜杆具有折弯
变形余量，用于抵消
机械加工及装配误差；香蕉插头与螺杆弹性接触，用于保证可靠电气连接；电缆座芯线、铜杆及香蕉插头组成的信号引出部分沿低压臂电阻轴线布置，用于实现测量信号的无感引出。
[0014] 低压臂外壳通过绝缘薄膜与高压臂后端法兰、低压臂前端法兰及低压臂金属氧化物电阻薄膜隔离，用于构造轴向杂散电容的补偿电容。
[0015] 补偿电极位于高压臂电阻内部，与接地屏蔽壳间由高绝缘强度的高压臂陶瓷管基体分隔，用于简化绝缘设计，提高分压器紧凑性；补偿电极由绝缘材料
金属化工艺制作，用于减小补偿电极自身电感引起的测量信号振荡；补偿电极末端带有球形电极，用于补偿电极截断带来的误差，并削弱补偿电极末端场强，防止测量过程中发生电晕放电或绝缘击穿。
[0016] 一种同轴型电阻分压器的高频响应补偿方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤1：设R1＝R2＝…＝RN＝RH/N，CH1＝CH2＝...＝CHN＝NCH；低压臂外壳与低压臂电阻间通过绝缘薄膜隔离，并形成低压臂对地电容CL，通过公式：CL＝2πε0εrLL/ln(rsL/rL)选择低压臂外壳内半径rsL和长度LL，使得CL/CH＝RH/RL，从而实现对高压臂轴向杂散电容CH的补偿，其中ε0、εr分别为
真空介电常数和绝缘薄膜相对介电常数，rL为低压臂电阻等效外半径。
[0018] 步骤2：在屏蔽壳存在的情况下，高压臂对地杂散电容Cs大大增加，为高压臂导体与屏蔽壳间的电容，此时通过位于高压臂电阻内部的补偿电极实现对Cs的补偿。
[0019] 理想情况下电阻分压器上各
节点电压满足：
[0020]
[0021] 根据理想情况下的节点电压进一步得到各补偿电容Cci与高压臂对地杂散电容Csi之间需满足的关系：
[0022]
[0023] 步骤3：对于同轴结构进一步估算补偿电极应采用的形状；以高压臂前端为原点，沿高压臂轴线建立坐标轴x；记高压臂长度为LH，高压臂电阻外半径为rH，屏蔽壳半径为关于x的函数rsH＝rsH(x)，补偿电极半径也为关于x的函数rc＝rc(x)；对于高压臂电阻上x处的长度为dx的一段，利用同轴电容公式估计其高压臂对地杂散电容和补偿电容：
[0024]
[0025]
[0026] 参考式(1)，得到杂散电容、补偿电容与x点两侧电阻值应满足的关系：
[0027]
[0029]
[0030] 其中k＝(RH+RL)/RL为电阻分压器理想分压比。
[0031] 步骤4：参照等式(2)所给出的补偿电极外形，在某一靠近高压臂后端的
位置将补偿电极截断，断口处连接球形电极以补偿截断造成的影响，并减弱测量高电压时补偿电极末端场强集中；
[0032] 步骤5：借助电
磁场仿真
软件进行补偿电极的设计，模型按照实物尺寸进行建模；通过多次仿真获得补偿电极形状对电阻分压器频率特性的影响规律并确定补偿电极几何参数；
[0033] 步骤6：通过测量实际电阻分压器的阶跃响应检验补偿电极性能，并根据补偿电极形状与分压器频率特性的仿真规律调整电极参数，获得理想的补偿效果。
[0034] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035] 本发明给出了补偿电极与电阻分压器高压端相连时补偿电容应满足的解析表达式，并为同轴型电阻分压器提供了一种使用内插式补偿电极的高频响应补偿方案。该方法的优势包括：1)有效性，通过合理设计补偿电极外形可实现高频响应的“完美”补偿，对于实验用电阻分压器模型(25kΩ，长度>20cm)可将阶跃响应时间由80ns减小到1.25ns，数值计算结果表明通过精细调整补偿系统几何参数可将分压器带宽提高到1GHz以上；2)简洁性，该方法对杂散电容的补偿全部通过构造结构电容实现，不需引入额外元器件，因此更为简洁可靠，降低了高压电阻分压器的设计难度；3)紧凑性，补偿电极位于高压臂电阻内部，与外部均压环等方式相比有利于缩小分压器体积和所需的绝缘距离；4)支持接地屏蔽，该方法可利用接地屏蔽提供的确定对地杂散电容分布实现更好的补偿效果；5)可拓展性，该方法可支持大范围电阻值RH选择，即在某一电阻值下确定屏蔽壳与补偿电极几何参数后可在大范围内改变分压器总电阻而无需对屏蔽与补偿装置进行任何调整，仿真结果(基于RH＝25kΩ)表明保持频率响应不降低(偏差<0.2dB)前提下，可任意减小总电阻或在3个数量级内扩大总电阻。
【
附图说明】
[0036] 图1为同轴型电阻分压器结构示意图；
[0037] 图2为电阻分压器等效分布参数电路图
[0038] 图3为带补偿电极的电阻分压器结构图；
[0039] 图4为理想补偿下电阻分压器等效电路图；
[0040] 图5为
电磁场计算获得不同补偿电极形状下的电阻分压器频率特性图；
[0041] 图6为电阻分压器方波响应测试系统示意图；
[0042] 图7为补偿前后的方波响应对比图。
[0043] 其中：1-前端法兰；2-陶瓷管基体；3-金属氧化物电阻膜；4-后端法兰；5-接线
端子；6-低压臂前端法兰；7-低压臂后端法兰；8-BNC电缆座外壳；9-螺杆；10-香蕉插头；11-铜杆；12-低压臂外；13-绝缘薄膜；14-屏蔽壳；15-补偿电极。【具体实施方式】
[0044] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0045] 在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0046] 本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
[0047] 需要说明的是，本发明的
说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于
覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0048] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0049] 参见图1，本发明同轴型电阻分压器高频响应补偿装置，高压臂电阻由前端法兰1、陶瓷管基体2、金属氧化物电阻膜3及后端法兰4四部分构成，低压臂电阻结构与高压臂相同。高压臂前端法兰具有连接高压的接线端子5。高压臂后端法兰与低压臂前端法兰6通过螺杆9进行连接，BNC电缆座外壳8与低压臂后端法兰7连接，电缆座芯线通过铜杆11与香蕉插头10连接，铜杆11具有一定折弯变形余量以抵消机械加工及装配误差。这种连接方式在保证可靠机械强度的同时可实现良好的电连接，且测量信号从低压臂
中轴线引出，可最大限度减小低压臂杂散电感对测量结果的影响。电缆座芯线通过低压臂陶瓷管轴线与螺杆弹性电接触，实现信号无感引出。
[0050] 高压臂电阻的选择原则包括：根据被测负载等效阻抗ZL选择高压臂电阻阻值RH，保证RH＞＞ZL，即分压器的接入对原电路的影响可忽略不计；对于长时间工作的分压器为防止
过热或温升导致的分压比误差需校验 其中P为高压电阻安全或误差控制的允许功率，Um为被测电压幅值；高压臂电阻的长度根据被测电压幅值和电阻在工作介质(气体或绝缘油)中的沿面绝缘强度确定，在满足沿面强度的前提下尽可能短。低压臂电阻阻值RL由高压臂阻值与分压比k确定：RL＝RH/(k-1)。
[0051] 图2为电阻分压器的等效电路图，其中被测高压V0由左侧接入，输出为低压臂RL上电压V6。为了说明电阻分压器分布参数的影响，可将高压臂电阻等效为N段电阻Ri串联：每段电阻两端都并联有轴向杂散电容CHi；每个节点与地之间具有径向杂散电容Csi；每段电阻还应具有串联的杂散电感，但由于高压臂电阻阻值一般远大于杂散电感阻抗，因此可忽略串联杂散电感；低压臂电阻也应具有串联的杂散电感，由于采用了沿中轴线的无感信号引出方式，此杂散电感也可忽略。
[0052] 轴向杂散电容CH的存在直接改变了高压臂在高频下的阻抗，即高频下电阻分压器实际上是阻容分压器，此时分压器响应取决于杂散电容与低压臂电容CL的平衡：若满足CH/CL＝RL/RH，则轴向杂散电容对分压器无影响；若CH偏大，则高频下分压比减小，输出幅值偏大或产生过冲；若CH偏小，则高频信号衰减倍数增大，分压器呈现低通滤波特性。因此通过调节低压臂对地电容CL对轴向杂散电容进行补偿是必要的。径向杂散电容Cs的存在相当于在高压臂与地之间并联了一系列旁路电容器，被测电压中的高频分量将通过这些杂散电容流入大地，此时电阻分压器可视为多个一阶低通滤波单元的级联，因此径向杂散电容是影响电阻分压器高频响应的主要因素。
[0053] 图3为带屏蔽壳和补偿电极的电阻分压器结构图，图4为相应的等效电路图，不妨假设R1＝R2＝…＝RN＝RH/N，CH1＝CH2＝...＝CHN＝NCH。低压臂电阻外侧包裹绝缘薄膜后整体插入低压臂屏蔽管中，屏蔽管一端通过螺钉连接低压臂接地法兰。通过选择金属屏蔽管内半径和长度调整低压臂对地电容(补偿电容)容值。将分压器整体置于半径rsH的薄壁金属筒中(允许rsH随位置变化)，金属筒一端与低压臂屏蔽管连接，另一端悬空或通过绝缘子与高压臂前端固定。补偿电极为具有特殊外形的金属化绝缘杆，即塑料基体加薄金属
镀层；补偿电极与高压臂电阻前端电接触，并插入高压臂电阻陶瓷管中，与高压臂电阻导体间形成分布的补偿电容Cc。
[0054] 低压臂外12壳与低压臂电阻间通过绝缘薄膜13隔离，并形成低压臂对地电容CL，通过公式CL＝2πε0εrLL/ln(rsL/rL)选择低压臂屏蔽管内径和长度，使得CL/CH＝RH/RL，从而实现对高压臂轴向杂散电容CH的补偿，其中ε0、εr分别为真空介电常数和绝缘薄膜相对介电常数，rsL低压臂屏蔽壳半径，rL为低压臂电阻半径。在屏蔽壳14存在的情况下，高压臂对地杂散电容Cs大大增加，为高压臂导体与屏蔽壳间的电容，通过位于高压臂电阻内部的特殊形状的补偿电极15实现对Cs的补偿。理想情况下电阻分压器上各节点电压应满足：
[0055]
[0056] 补偿电容的确定方法如下：
[0057] 记高压臂和低压臂阻值分别为RH、RL，分压器分压比记为k＝(RH+RL)/RL；不失一般性，将高压臂电阻等分为N段，沿高压臂前端到后端的顺序进行编号，记Csi(i＝1,2,…,N)为由高压臂电阻与屏蔽壳(地电位导体)几何尺寸决定的对地分布电容。则引入的高压臂补偿电容容值应满足下式：
[0058]
[0059] 记高压臂轴向杂散电容为CH，低压臂补偿电容CL应满足的表达式为：
[0060] CL＝(k-1)CH
[0061] 补偿电极采用锥形，其直径在接近低压臂前端时趋于0，因此实际情况下需在某个位置处进行截断，断口处连接一金属小球(屏蔽球)，以减弱尖端电晕效应同时弥补补偿电极截断造成的影响。截断长度与末端屏蔽球的直径可通过实验或电磁场数值计算确定。
[0062] 对于图3所示的同轴结构可进一步估算补偿电极应采用的形状。以高压臂前端为原点，沿高压臂轴线建立坐标轴x。记高压臂长度为LH，高压臂电阻半径为rH，屏蔽壳半径为关于x的函数rsH＝rsH(x)，补偿电极半径也为关于x的函数rc＝rc(x)。对于高压臂电阻上x处的长度为dx的一段，可利用同轴电容公式估计其高压臂对地杂散电容和补偿电容：
[0063]
[0064]
[0065] 参考式1，可写出杂散电容、补偿电容与x点两侧电阻值应满足的关系：
[0066]
[0067] 整理可得：
[0068]
[0069] 应当注意在上述推导中，用dx段正对补偿电极和屏蔽壳的电容近似dx段对补偿电极整体和屏蔽壳整体的电容，因此所给出的外形只能作为设计实际补偿电极的参考。另外推导上述表达式时忽略了补偿电极本身的电感，当电阻分压器尺寸较大时补偿电极的电感将不可忽略，杂散电感的引入可能造成
输出信号一定程度的振荡。为了尽可能减小杂散电感的影响，对于实际的补偿电极应采用绝缘材料表面金属
镀膜的方式(金属化)。注意到式2所确定的补偿电极外形在x＝0处即高压臂前端补偿电极半径与高压臂电阻导体半径相同，由于电阻陶瓷管基体具有一定厚度，这一条件是无法满足的；在x＝LH处补偿电极半径为rc＝rH(rsH/rH)-(k-1)，由于rsH>rH，且对于分压器k>>1，上式计算的rc将非常小，对于实际工艺实现而言是不现实的。因此实际中采用如图3所示的方式，在某一靠近高压臂后端的位置将补偿电极截断，断口处连接球形电极以补偿截断造成的影响，并减弱测量高电压时补偿电极末端场强集中。
[0070] 可借助电磁场仿真软件进行补偿电极的设计，在考虑频率补偿效果的同时要兼顾测量电压范围内补偿电极末端不因强
电场产生电晕。图5为利用COMSOL电磁场模
块计算得到的有、无补偿电极情况下电阻分压器幅频特性对比。模型按照实物尺寸进行建模，高压臂电阻阻值25kΩ，长度15cm，半径1.25cm；补偿电极采用图3所示外形，其几何尺寸通过多次仿真对比确定；低压臂电阻阻值50Ω，通过50Ω同轴电缆输出信号，故等效低压臂电阻为25Ω；屏蔽壳半径2.5cm。由图5可见，低频下电阻分压器衰减倍数约为1000；当频率高于1MHz时无补偿电阻分压器衰减倍数迅速增加，显示出明显的低通特性；而对于有补偿电极的电阻分压器，在1GHz
频率范围内幅频特性曲线偏离稳态值的幅度小于0.1dB。应注意图5给出的计算结果仅为补偿效果示例，并不是最佳频率补偿结果。
[0071] 通过对实际电阻分压器的测试进一步证实所提出的的频率补偿方法的有效性。图6为电阻分压器测试系统组成，利用高压直流电源为作为脉冲形成线的同轴电缆充电，脉冲形成线尖板
开关连接另一条作为脉冲传输线的同轴电缆，当尖板开关击穿时脉冲形成线对脉冲传输线放电，产生高压方波脉冲；脉冲通过传输线末端的分路器分为幅值和
电流均减半的两路相同脉冲，其中一路通过阻抗匹配的宽带
衰减器直接连接到示波器上作为标准信号，另一路通过匹配负载接地，同时使用电阻分压器对匹配负载上的电压进行测量。理论上两路信号的测量结果应完全相同。图7所示为被测方波以及有、无补偿电极情况下电阻分压器的输出信号
波形。由图可知无补偿电极时电阻分压器的阶跃响应上升时间约80ns，而添加补偿电极后测量信号上升沿与输入方波上升沿一致为1.25ns，仅在上升沿随后出现一定
波动，但信号整体在8ns内已与被测信号完全一致。应注意到实验中测试的补偿电极并非最佳补偿，仅用于说明上述频率补偿方案的有效性，通过优化补偿电极形状可进一步减小此振荡，另外当电阻分压器尺寸减小时也有利于振荡的消除。
[0072] 综上所述，本发明提出一种电阻分压器高压臂对地杂散电容的补偿方案，特别的对于由同轴型电阻组成的分压器提出采用内插式电极达到良好的高频响应补偿效果，并通过电磁场仿真和实验两种方式对方法的有效性进行了验证。在实现有效频率补偿的同时，该方法采用结构电容对分布杂散电容参数进行补偿，不需引入额外的分立电路元器件，大大简化了补偿系统的设计难度，有利于提高电阻分压器工作可靠性。另外从内部进行频率补偿相较于传统的外部均压环设计更为紧凑，并为外部接地屏蔽壳的引入提供了空间。
[0073] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案
基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
