沖擊電阻分壓器高壓臂電阻繞法分析

袁晟，傅正財(cái)，徐真，潘洋

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院，上海 201203)

0 引言

沖擊高電壓的測量方法有很多種，比較常用的是沖擊分壓器測量系統(tǒng)。沖擊分壓器可分為電阻分壓器，電容分壓器和阻容分壓器[1]。本文所考慮的分壓器是沖擊電阻分壓器，它由屏蔽電極，高壓臂和低壓臂組成，其中高低壓臂均為電阻臂。沖擊電阻分壓器與穩(wěn)態(tài)電壓下的分壓器基本原理相似，但由于有動(dòng)態(tài)特性的要求，它應(yīng)盡可能做成接近是無感的。現(xiàn)有高壓臂通常用優(yōu)質(zhì)電阻絲以無感繞法繞制于圓形絕緣骨架上。常用的無感繞法有雙線雙層反向繞法;雙線單層反向繞法和單線單層反向繞法。分壓器的寄生電容會(huì)和分壓器阻抗元件的剩余電感構(gòu)成高頻振蕩回路，導(dǎo)致輸出波形畸變[2]，減小剩余電感可緩解輸出波形畸變，使響應(yīng)時(shí)間變短[3－5]。因此探討分壓器高壓臂電阻絲的繞法，減小電感是有意義的。

本文計(jì)算了相同條件下三種無感繞法的電感值，分析了不同骨架形狀和骨架周長對(duì)于電感值的影響。本文在計(jì)算過程中運(yùn)用了有限元仿真軟件。有限元算法是解決有限域電磁場問題的一種有效方法，由于有限元方法有通用性強(qiáng)、易于處理復(fù)雜分塊均勻介質(zhì)，且能同時(shí)求取電容及電感等優(yōu)點(diǎn)，在電磁場數(shù)值計(jì)算方法中獨(dú)樹一幟[6－7]。

1 高壓臂設(shè)計(jì)

1.1 電阻絲繞法

圖1(a)所表示的是雙線雙層反向繞法的結(jié)構(gòu)，在絕緣筒上以螺旋間繞第一層(內(nèi)層)，包扎絕緣層后再以反方向螺旋間繞第二層(外層)，包扎絕緣層后浸漬絕緣漆制成。其值可按下式計(jì)算[8]:

式中a1和a2——內(nèi)層和外層繞組的半徑，厘米;l——繞組的長度，厘米;W——單層繞組的匝數(shù);δ——兩層電阻絲的中心距離，δ=a2－a1。

圖1(b)所示的是雙線單層反向繞法結(jié)構(gòu)。在絕緣筒或絕緣板上用兩根電阻絲以相反方向螺旋間繞。與雙層繞法相比較，由于沒有絕緣層，單層繞法具有較小的剩余電感。雙線單層反向繞法的剩余電感計(jì)算公式如下[8]:

式中 ρ——電阻率，微歐·厘米;K'——系數(shù)，機(jī)繞取 1.0，手繞取1.3。T'可根據(jù)電阻絲的直徑d和電阻率ρ以及匝距a查出[8]。

圖1(c)表示單線單層反向繞法的結(jié)構(gòu)。在絕緣筒或絕緣板上用一根電阻絲以相反方向來回間繞。這種繞法的剩余電感雖然稍微大一些，但絕緣強(qiáng)度比較高。剩余電感可按下式計(jì)算[8]:

式中 n——環(huán)的個(gè)數(shù);l——環(huán)的長度，厘米;d——環(huán)的寬度，厘米;r0——電阻絲的半徑，厘米。

圖1 無感電阻的繞法

1.2 剩余電感

本文以300kV沖擊電阻分壓器為算例，設(shè)計(jì)過程中高壓臂電阻值選取5 kΩ，采用直徑0.16 mm的卡瑪電阻絲(6J22型)繞制，電阻絲包絕緣層后直徑為0.19 mm。電阻絲以三種繞法繞于周長為90 mm的圓形絕緣筒上。分別計(jì)算得出每種繞法的剩余電感如下:

表1 三種繞法的剩余電感

計(jì)算結(jié)果中，雙線雙層繞法的電感值是雙線單層繞法的10.78倍，單線單層繞法的電感值是雙線單層繞法的1.97倍，可見在用相同電阻絲繞制，高壓臂電阻相同的情況下，雙線單層繞法對(duì)于電感的降低最為明顯。但是此繞法絕緣強(qiáng)度比另外兩種繞法低，實(shí)際可根據(jù)需要選擇繞法。

2 骨架的影響

2.1 骨架形狀的影響

本文以雙線雙層反向繞法為例，討論骨架形狀對(duì)于剩余電感的影響，分析的骨架為圓形和矩形。采用上文1.2節(jié)的算例，已得出圓形骨架雙線雙層繞法的剩余電感為145.30 μH。保持電阻絲特性和骨架周長不變的情況下分析矩形骨架。矩形骨架由于沒有特定的計(jì)算公式，因此通過軟件仿真計(jì)算，采用Infolytica公司的有限元仿真軟件Magnet進(jìn)行磁場分析。

保持骨架周長90 mm不變，建立邊長為22.5 mm的正方形骨架，骨架外繞兩層電阻絲，通以不同方向的電流仿真讀出電阻絲線圈的磁鏈，除以電流，得出周長90 mm的正方形骨架雙線雙層反向繞法的剩余電感為114.22 μH，比同周長相同繞法下的圓形骨架的剩余電感減小21.4%。

現(xiàn)令骨架周長不變，改變矩形骨架的長和寬，研究電阻絲電感值的變化，其仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 電感值隨矩形短邊寬的變化曲線

由圖2可以看出，在骨架周長不變的情況下，隨著矩形骨架短邊寬的增加，電感值增加，其增長趨勢逐漸變緩。當(dāng)矩形骨架的短邊寬等于長邊寬，即矩形骨架為正方形骨架(本例中為22.5 mm)時(shí)，電感值最大，約為114.22 μH，小于同周長圓形骨架的電感。隨著矩形骨架短邊寬的減小，電感迅速下降，當(dāng)短邊寬為5 mm 時(shí)電感值為 45.59 μH，為最大值的39.91%。

2.2 骨架不同周長的影響

現(xiàn)改變骨架的周長，范圍從70 mm至105 mm，對(duì)圓形骨架的雙線雙層繞法進(jìn)行仿真分析，研究電感值變化，在電阻值相同的情況下，其結(jié)果見如圖3。

圖3 電感值隨骨架周長的變化曲線

從圖3中可以看出，電感值隨著骨架周長的變化基本不變，這是因?yàn)殡m然骨架周長的增加使得電阻絲的總匝數(shù)略微變小，但是磁通面積隨之增加，從而使得電感基本不變。實(shí)際仿真結(jié)果當(dāng)周長為70 mm時(shí)，電阻絲匝數(shù)為2 126，電感值為 148.52 μH，當(dāng)周長為105 mm時(shí)，電阻絲匝數(shù)為1 418，電感值為148.09 μH。

3 結(jié)束語

本文介紹了沖擊電阻分壓器電阻絲常用的三種無感繞法，比較了相同條件下三種無感繞法的電感值，分析了骨架形狀和骨架周長對(duì)于電感值的影響，結(jié)果表明:在電阻絲和骨架相同的情況下，雙線單層繞法的電感最小;對(duì)于雙線雙層反向繞法，骨架周長相同時(shí)，矩形骨架的電感小于圓形骨架的電感，矩形骨架長寬比越接近1電感越大;對(duì)于圓形骨架，電感值隨著骨架周長的變化基本不變。在繞制高壓臂電阻時(shí)，可根據(jù)需要選擇合適的繞法和骨架尺寸。

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