D－dot電容分壓器線性度測試方法

魏竹，王建忠，郭曉東，唐文平，朱斌

(四川綿陽中國工程物理研究院計量測試中心，四川綿陽621900)

D－dot電容分壓器線性度測試方法

魏竹，王建忠，郭曉東，唐文平，朱斌

(四川綿陽中國工程物理研究院計量測試中心，四川綿陽621900)

為解決脈沖功率裝置中D－dot電容分壓器在低電壓下校準(zhǔn)高電壓下使用，不可避免地產(chǎn)生分壓比線性度問題，提出此測試方法?；贒－dot電容分壓器和RC積分器電壓測試系統(tǒng)的分壓原理，利用PSPice仿真軟件建立沖擊高壓下的等效電路模型，將沖擊高壓試驗裝置中經(jīng)過上級溯源的標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器作為100 kV以下D－dot線性度和分壓比的量傳標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果證明:該方法準(zhǔn)確有效，能夠解決100 kV以下D－dot分壓器分壓比線性度的測試問題。

微分式電容分壓器;沖擊電壓發(fā)生器;線性度;積分器

0 引言

脈沖功率裝置中通常選擇電容分壓器作為脈沖電壓測量的探頭。根據(jù)電容分壓器輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系，可以分為自積分形式的電容分壓器(稱為自積分電容分壓器)和微分形式的電容分壓器(一般稱為D－dot)，兩種形式的電容分壓器通常安裝在脈沖功率裝置中的脈沖傳輸線或形成線上，利用探頭與高壓電極之間的結(jié)構(gòu)電容，和探頭對地分布電容形成高低壓臂電容，對脈沖高電壓進行分壓和信號采集［1－4］。

目前，國內(nèi)脈沖功率裝置在進行脈沖高電壓測試時，不管是自積分形式的電容分壓器，還是微分形式的電容分壓器，通常將在脈沖低電壓下獲得的電容分壓器分壓比直接作為高電壓下的分壓比，忽略由于標(biāo)定電壓峰值變化所引起的分壓比，即靈敏系數(shù)的不一致問題，國外的相關(guān)研究也表明mV級的電阻分壓器分壓比的標(biāo)定也是在相對小電壓下進行［5－8］，未進行分壓比線性度的考核。本文針對此問題，在系統(tǒng)分析原理的基礎(chǔ)上，建立PSPice仿真模型，并利用設(shè)計的一套小型傳輸線(100 kV)以及D－dot分壓器(配積分器)作為測試對象，將D－dot在不同脈沖電壓下的分壓比量值溯源到?jīng)_擊高壓試驗裝置中的標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器上，完成100 kV以下分壓比和線性度的測試，實驗結(jié)果驗證了該測試方法是可行的。

1 原理

D－dot與積分器的等效電路如圖1所示。圖中，V1(t)為被測脈沖電壓;V2(t)為D－dot電容分壓器輸出的微分電壓;V3(t)探針處的電壓為經(jīng)過積分器后的輸出電壓;C1為D－dot探頭與高壓電極之間的結(jié)構(gòu)電容，是高壓臂電容;C2為D－dot探頭對地的分布電容，是低壓臂電容;T1為信號電纜，其特性阻抗Z0為50 Ω;R1為積分器的積分電阻;C3為積分器的積分電容;R2為示波器的阻抗1MΩ。

圖1 D－dot與積分器的等效電路

由等效電路圖，可得到回路方程為

當(dāng)1/(ωC2)?Z0時，探頭滿足微分條件，此時由于C2探頭的值非常小，近似等效為開路，因此可得:

由于V1(t)?V2(t)，因此有:

D－dot分壓器輸出信號先連接信號電纜后，再連接積分器，V2(t)經(jīng)過RC積分器后，可獲得輸出電壓V3(t)

由于1/(ωC2)?Z0也可表示為Z0C2?tr(被測信號的前沿)，因此對于前沿為幾十納秒的脈沖信號，要求C2?400 pF。

根據(jù)公式(4)，同時考慮輸出信號的信噪比和電纜的耐壓能力，假設(shè)當(dāng)被測脈沖電壓為10 kV，希望得到的V3(t)幅度在伏特量級，要求C1＞0.1 pF (假設(shè)積分器的積分常數(shù)R1C3=0.06 μs)。

綜合考慮上述因素，同時考慮在傳輸線的外筒幾何尺寸一定的情況下，D－dot探頭的直徑不易過大，因此將D－dot探頭的直徑設(shè)計為36 mm，該探頭對地的絕緣層為2 mm，結(jié)合傳輸線的具體尺寸，可計算出其與傳輸線高壓電極之間的高壓臂電容C1為0.18 pF，探頭對地的低壓臂電容C2為36 pF。值得一提的是，當(dāng)該D－dot分壓器用于μs級沖擊電壓實驗時，由于更容易滿足1/(ωC2)?Z0的條件，因此該D－dot探頭仍然處于微分狀態(tài)，微分后的信號仍需要通過RC積分器進行積分處理，保證了用于幾十納秒前沿脈沖電壓信號測量的D－dot在用于μs信號測量時，標(biāo)定電路不發(fā)生變化，始終將D－dot和積分器作為一個整體進行分壓比的標(biāo)定。

對于RC積分器，為了保證積分器與電纜的匹配，設(shè)計積分電阻R1與電纜特性阻抗一致，即為50 Ω，積分電容設(shè)計為nF量級。

2 仿真與實驗

將C1=0.18 pF，C2=36 pF，R1=50，C3=1.2 nF帶入電路中進行頻域和時域仿真，D－dot與積分器組成的分壓系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)和脈沖響應(yīng)(為了考核D－dot與積分器的真實的響應(yīng)能力，外加的脈沖源前沿設(shè)置為1 ns，脈沖寬度為150 ns)的情況如下圖2、圖3所示。

圖2 頻率響應(yīng)仿真圖

圖3 脈沖響應(yīng)仿真圖

由頻響圖可知，該D－dot與積分器組合的分壓系統(tǒng)對于幾十納秒量級的脈沖信號和μs級沖擊信號響應(yīng)基本一致，由于設(shè)計的D－dot能響應(yīng)的脈沖前沿為20 ns左右，因此會將1 ns前沿的輸入信號上升沿拉慢到20 ns左右，在不考慮D－dot和積分器雜散參數(shù)影響的情況下，波形較好。利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備進行脈沖波形測試，所用的設(shè)備主要為:脈沖發(fā)生器INS4040(脈沖前沿約為1 ns)，數(shù)字示波器54810A。源輸出的脈沖信號從傳輸線輸入端饋入，D－dot輸出連接電纜后再連接積分器，積分器輸出信號直接連接在示波器端口上，示波器設(shè)置為高阻模式。實測波形圖，如圖4所示。

圖4 實測波形圖

通過對上面的實測波形可以發(fā)現(xiàn)，該脈沖信號的上升沿約為20 ns，符合理論分析和設(shè)計要求。該脈沖波形存在明顯的過沖，脈沖平頂也有震蕩，通過理論和仿真分析，其過沖主要是由于積分電容的雜散電感以及積分電阻的雜散電容所引起的。脈沖平頂震蕩主要是由于積分電容上的雜散電感造成。

當(dāng)D－dot用于沖擊電壓測試時，其測試原理如下:沖擊電壓發(fā)生器是根據(jù)Marx回路的原理構(gòu)建的，主要由直流充電部分，發(fā)生器本體(包括球隙開關(guān)、波頭電阻、波尾電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器)，被測對象組成?？僧a(chǎn)生一給定波形，幅值，時間的高壓脈沖電壓信號;發(fā)生器本體、被測對象共同決定了沖擊電壓的波形。實驗使用3級沖擊發(fā)生器，每級電容通過直流充電部分并聯(lián)充電，然后通過各級球隙自動轉(zhuǎn)換成串聯(lián)放電。簡化后的等效電路如圖5所示。

圖5 沖擊電壓試驗等效電路圖

圖中V1為直流充電電源，U1為球隙開關(guān)，U2為直流充電開關(guān)，C5為充電電容，R2為波尾電阻，R1為波頭電阻，C1為標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器的高壓臂電容，C2為標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器的低壓臂電容，R3為標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器輸出端的示波器阻抗，R4為傳輸線上的負(fù)載電阻(被測對象電阻)，C3為D－dot高壓臂電容，C4為D－dot低壓臂電容，R5為積分器積分電阻，C6為積分器積分電容。

充電電容C5沖電完畢后，C5上有60 kV電壓，C1上無電壓，當(dāng)球隙開關(guān)導(dǎo)通的瞬間，C5通過波頭電阻R1對C1進行充電，C1上的電壓逐漸升高［9］，C5上的電壓逐漸降低，由于R4負(fù)載電阻在回路上起串聯(lián)分壓的作用(60 kV×56/(45+56)=33.3 kV)，因此當(dāng)C1上的電壓升高到等于R4上的電壓時，不可能再升高，C1和C5將通過R2進行放電。實驗中為了使3級(每級的額定電壓為100 kV)發(fā)生器加在傳輸線上的電壓能達到100 kV，選擇每級的波頭電阻為15 Ω，那么總的波頭電阻值為45 Ω。每級波尾電阻為200 Ω，總的波尾電阻為600 Ω。

上述等效電路的仿真結(jié)果如下，圖6中的左圖為D－dot經(jīng)積分器后示波器上的電壓波形，圖6中的右圖為標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器上的電壓波形:

圖6 沖擊電壓仿真圖

由圖可知，D－dot探頭檢測的電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器上電壓波形在時間軸上有很好的一致性。

目前，國內(nèi)的500 kV沖擊高壓試驗系統(tǒng)，通過國際比對，其不確定度大概可以達到0.5%的水平［10－11］。實驗中使用的標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器作為主要標(biāo)準(zhǔn)器，其分壓比的不確定由上級給出，大概為1%的水平，而用于沖擊幅度測試的示波器，其幅度測量不確定度大約為2%。因此利用該系統(tǒng)校準(zhǔn)的D－dot分壓比的不確定度來源主要包括:重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器分壓比不確定度，示波器幅度測量不確定度，該系統(tǒng)的測量不確定度能夠滿足使用要求。

3 結(jié)果與討論

在沖擊電壓發(fā)生器保持3級不變的情況，通過改變充電電壓來改變輸出電壓的幅值，將沖擊發(fā)生器每級的充電電壓分別設(shè)置為20，35，60，70 kV時，每個電壓下重復(fù)實驗6次，標(biāo)準(zhǔn)電容分壓(上級給的分壓比校準(zhǔn)值為516，示波器前還連接衰減系數(shù)為101.5的衰減器)和D－dot(加積分器)測試得到的電壓幅度分別記錄為V1、V2，計算出的傳輸線上的實際電壓為V3、計算得到D－dot的分壓比為L，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同電壓下分壓比測試數(shù)據(jù)

由上表數(shù)據(jù)，繪制D－dot線性度曲線(由于上級給出的標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器在100 kV～400 kV之間分壓比線性度在±0.6%之間，因此由標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器100 kV以下的線性度帶來的不確定度可以忽略)，如圖7所示。

圖7 線性度實測曲線

實驗中，D－dot輸出的波形與標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器輸出波形一致性較好，表明在D－dot滿足微分條件(再通過積分器進行積分)的情況下，利用沖擊電壓發(fā)生器考核D－dot在不同電壓下的分壓比是可行的，也證明本文中的D－dot(加積分器)測試系統(tǒng)能夠用于μs量級沖擊電壓測試。

從所測得的D－dot(加積分器)分壓比來看，幾種電壓下分壓比的平均值為10172，而利用公式(4)，可知，理論上的分壓比L為:

理論推導(dǎo)出的分壓比與實驗測得分壓比處于同一個量級，兩者之間的誤差大概為30%，誤差產(chǎn)生主要是由于D－dot高壓臂上的電容C1=0.18 pF是通過平行板結(jié)構(gòu)電容公式進行估算的，不能完全等效D－dot探頭與高壓極(內(nèi)筒)之間的實際結(jié)構(gòu)電容。同時探頭在傳輸線外筒上的安裝位置不同，會造成探頭對高壓極內(nèi)筒的電場發(fā)生變化，該情況等效為C1電容值發(fā)生改變，因此會導(dǎo)致探頭分壓比發(fā)生變化［1］，D－dot分壓比應(yīng)該以實測結(jié)果為準(zhǔn)。

實驗實測的波形與仿真波形的一致性也較好，說明該D－dot線性度的測試方法可行，與理論分壓比之間的偏差也在合理范圍內(nèi)。從實驗所得的線性度數(shù)據(jù)可知，該D－dot(加積分器)探頭的線性度在100 kV范圍大于在±3%。

4 結(jié)束語

通過以上理論分析和實驗研究，可以證明該測試方法正確有效，能夠解決100 kV以下D－dot分壓器分壓比線性度問題，隨著沖擊電壓的增加，D－dot分壓比有下降的趨勢。通過增加沖擊發(fā)生器每級的充電電壓或者增加充電級數(shù)，可以利用此方法測試更高電壓下的D－dot線性度。

［1］衛(wèi)兵，傅貞，王玉娟，等.脈沖功率裝置中電容分壓器的設(shè)計和應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(12):39

［2］潘洋，嚴(yán)萍，袁偉.納秒脈沖電容分壓器測量系統(tǒng)分析及波形重建［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(2):53－55.

［3］劉金亮，懷武龍，霍哲.一種測量脈沖高電壓的電容分壓器［J］.強激光與粒子束，2000，12(2):122－124.

［4］歐陽佳，劉金亮，田亮，等.納秒級不同脈寬的信號對電容分壓器的影響［J］.高電壓技術(shù)，2004，30(12):42－44.

［5］王亮平，郭寧，李巖，等.測量強光一號負(fù)載電壓的電容分壓器［J］.強激光與粒子束，2010，22(3):696－670.

［6］丁立健，李成榕，王景春，等.基于E－dot探頭的沖擊電壓測量系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，1999，25(3):11－17.

［7］WEBER BV，ALLEN R J，COMMISSO R J，et al.6MV vacuum voltmeter development［C］//17th IEEE International Pulsed Power Pulse Technology.Xi’an: Shaanxi Science and Technology Press，2003.

［8］呼義翔，郭寧，韓娟娟.磁絕緣傳輸線電壓測量用自積分式電容分壓器研制［J］.強激光與粒子束，2013，25 (7):1839.

［9］張仁豫，陳昌漁，王昌長.高電壓試驗技術(shù)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2009:93.

［10］龍兆芝，章述漢，劉少波，等.特高壓沖擊電壓測量系統(tǒng)線性度試驗方法研究［J］.高壓電器，2012，48(9):56.

［11］何義，李彥明，張小勇.沖擊電壓測量系統(tǒng)的國際比對［J］.高電壓技術(shù)，2001，27(5):54－56.

(編輯:劉楊)

Linearity test method for D－dot capacitive voltage divider

WEI Zhu，WANG Jianzhong，GUO Xiaodong，TANG Wenping，ZHU Bin
(Metrology and Testing Center，China A cademy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to solving the the D－dot capacitive voltage divider calibration in different voltage，especially，solving the problem which the voltage ratio is calibrationed under low voltage but used on high voltage in pulse power devices，this test method is designed.Based on D－dot capacitive voltage divider and RC integrator voltage test system principle，using PSPice simulation software to establish the impact equivalent circuit model of ray waves，at the same time，takes the standard capacitive voltage divider as standard equipment below 100 kV voltage.The method is proved effective and can solve under 100kV voltage ratio linearity test questions through experimental results.

D－dot;impulse voltage generator;linearity;integrator

A

1674－5124(2016)11－0031－04

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.007

2016－04－16;

2016－06－15

魏竹(1982－)，女，四川崇州市人，工程師，主要從事無線電微波技術(shù)和脈沖高壓技術(shù)。