NST  >> Vol. 6 No. 4 (October 2018)

    高压快脉冲系统的测量探头设计
    Design of Measuring Probe in High Voltage Fast Pulse System

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作者:  

邹 俭,曾乃工,王 川,张天爵:中国原子能科学研究院,北京

关键词:
油介质传输线测量环形电容分压器不锈钢薄膜Oilline Calibrate Annular Capacitive Voltage Divider Stainless Steel

摘要:

根据1 MV,30 ns上升沿脉冲源的同轴油介质传输线的结构特点,在传输线的末端设计了环形电容分压器作为脉冲源的高电压测量探头,利用不锈钢薄膜连接传输线外筒与负载外筒,构成回流测量负载的电流. 电容分压器的分压比和不锈钢薄膜的灵敏度采取直接标定的方法测定。实验结果表明,该探头性能稳定、时间响应快、功率负荷大,是测量脉冲电流与电压的一种理想工具。

According to the coaxial cylindrical structure of oilline on 1 MV, 30 ns pulsed power source, an annular capacitive voltage divider was designed in the end of the oilline as pulsed voltage monitor. A stainless steel film connecting the outer tube and load was designed as pulsed current monitor. The capacitive voltage divider’s probe and the stainless steel film monitor’s probe were calibrated on line. The results show that the capacitive voltage divider and the current monitor are ideal probes for measuring high pulsed voltage and current.

1. 引言

快脉冲发生器所强调的是很快的上升沿,追求在很短的时间达到一个很高的电压或电流。目前主要应用于军事领域,如制造核致电磁脉冲模拟器、驱动高功率微波发生器等,民用领域的应用主要处在研究阶段,如生物净化等 [1] [2] [3] [4] [5] 。

本文介绍的1 MV,30 ns上升沿脉冲源是配合目前电力系统中正在进行的特高压(≥1 MV)工程,模拟电力系统中的特快速瞬态过电压以测试绝缘材料的耐压强度。该装置的输出电压电流指标是十分重要的电气参数,要求测到的电压和电流数值真实准确,因此对测量设备的稳定性,响应时间和灵敏度有极高的要求。在脉冲功率技术中,对于电压的测量,一般采用电阻分压器或电容分压器 [6] [7] 。电流的测量,一般采用罗柯夫斯线圈或分流器 [8] [9] 。下面介绍1 MV,30 ns上升沿脉冲源的测量设计。

2. 系统

图1展示的为1 MV,30 ns上升沿脉冲源装置的机械图,由Marx发生器直接对负载放电进行能量传输的机理,Marx发生器由10台15 Pf/100 kV的电容器构成,单台电容器工作充电电压75 kV,输出电压峰值 ≥ 1 MV。为了使负载在空间上便于安装,设备加入了一根1 m长、传输阻抗50 Ω的油线。所以测量探头必须安装在负载前,油线末端的位置。

Figure 1. Simulate figure of device

图1. 装置效果图

2.1. 电压测量的选择和参数

在脉冲功率技术中,由于脉冲能量的瞬时性,对电压测量探头有极高的要求,特别是对频率相应要宽同时可避免相应电磁干扰的影响,电容分压器通过一定的设计可以不直接接触高压电极并极大的降低脉冲幅值,满足测量量程需求,分压器采用油介质电容分压器,分压器内导体为与传输线外筒半径相同的环形结构。

电容分压器的高压臂电容CHV为电容分压器内导体杆与传输线内筒之间的电容,传输线电容其大小

由下式估算: C F = τ 2 Z P T L = 0.1 n F ,式中 τ = 10 ns , Z P T L = 50 Ω 分别为该装置油线的脉宽和特性阻抗

[10] - [15] ,环形分压器的长度为0.02 m,油线的长度为1 m,传输线等效电容0.1 nF,可计算出高压臂电容 C H V = 2 pF。电容分压器的低压臂电容CLV为电容分压器内导体杆与电容分压器外筒之间的电容,大

小为: C L V = ε S I d i = 1060 p F S I 为内导体杆横截面积, d i 为内导体杆与电容分压器外筒之间的距离, ε 为油的介电常数。故估算的电容分压比为: k c = C L V + C H V C H V = 1100

为了能够在测量负载电压时得到平顶波,在电容分压器输出接阻容耦合电路,输出的总分压比需要在线标定。

2.2. 电流测量的选择和参数

在脉冲高压下的电流测量,一方面要求测量部件具有较高的耐压能力,一方面具有检修和更换的快捷性。常规的并联大量小电阻不具备检修更换快捷性,金属膜具有两方面共有的优势,利用金属膜构成回路进行测量。

薄膜采用平均厚度 δ = 17 μm 的不锈钢,圆周长度 L = 106 cm ,薄膜宽度 Δ w = 7.8 cm ,不锈钢的电阻率 ρ = 90 × 10−6 Ω∙cm (在环境温度20),则金属膜电阻环的阻值 R f i l m = ρ Δ w / L δ = 4 m Ω

3. 方法

标定系统由标准方波发生器、衰减器、双屏蔽电缆、示波器等组成,连接被测系统后的整个标定系统如图2所示。

Figure 2. Diagram of calibration system

图2. 标定系统示意图

为了保证数据的稳定性,方波发生器采用一台上升前沿约1 ns,脉宽100 ns,输出阻抗50 Ω,稳定工作的幅值10 kV连续可调的信号源,图3为该方波发生器经过300倍阻抗变换器衰减后的输出波形。方波发生器输出两路信号,一路作为监测信号经过约626倍的分压比直接进入示波器用于幅值监测及波形触发;另一路作为输入信号进入被测系统,标定时为了保证输入信号不会发生畸变,系统各部分必须阻抗匹配,信号源输出阻抗50 Ω,传输线特性阻抗1.25 Ω,所以在信号源与传输线之间引入阻抗变换器使其阻抗匹配,同时以电容分压器与金属膜回流器分别引出信号进入示波器进行测量。

图4为实际测量到的电流和电压输出信号,表1为根据测量信号计算出的电容分压器分压比和金属膜的电阻值。

Figure 3. Square wave generator

图3. 方波发生器

Figure 4. The output voltage and current waveforms

图4. 输出电压电流波形

Table 1. The output voltage and current guide line

表1. 电流电压诊断刻度性能指标

Figure 5. Curve of the steal resistance changed with temperature

图5. 膜电阻值随温度变化曲线

实验中发现,不同的温度测量到的膜电阻值是变化的,由于该膜电阻为不锈钢薄膜材料,其电阻率随着温度的变化而变化,所以在不同的温度下测量得出的曲线如图5,由图可知,该不锈钢膜电阻值正比于温度值,在实验中可根据图5选定准确的电阻值。

4. 总结

本文对目前电力系统中正在进行的特高压工程1 MV,30 ns上升沿脉冲源测量系统的设计,根据装置特点在传输线的末端设计了环形电容分压器作为脉冲源的高电压测量探头,利用金属膜构成回路测量电流.结果表明:电容分压器在线标定后的总分压比为48001,膜电阻在线标定值为4.78 mΩ。经过多次测量,该电容分压器和金属膜回流器性能稳定,响应快,是测量负载前的电压值与电流值的理想工具。

文章引用:
邹俭, 曾乃工, 王川, 张天爵. 高压快脉冲系统的测量探头设计[J]. 核科学与技术, 2018, 6(4): 108-112. https://doi.org/10.12677/NST.2018.64013

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