阅读说明：本技术 一种脉冲高压测量装置 (Pulse high-voltage measuring device ) 是由 邹俭 郑侠 王川 张天爵 于 2020-04-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种脉冲高压测量装置,包括回路中用作两个串联电容共用电极和测量电极的环形电极,该环形电极两侧各有一个环状端面,一个环状端面侧设有脉冲高压源,另一个环状端面侧设有负载,高压电极和绝缘隔板沿着轴向穿过环形电极的内径连接其两端的脉冲高压源和负载,绝缘隔板包围在高压电极外表面；环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成了高压端电容；在环形电极两侧的环状端面上设有绝缘薄膜、金属法兰,由此,环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成了一个串联的低压端电容；在环形电极和两个法兰的外侧还包围有环状的、等效为金属密封圈的金属回路盘,本发明使得环形电极具有分压的功能,取得了意料不到的效果。(The invention discloses a pulse high-voltage measuring device, which comprises an annular electrode used as a common electrode and a measuring electrode of two series capacitors in a loop, wherein two sides of the annular electrode are respectively provided with an annular end face; the inner diameter surface of the annular electrode and the high-voltage electrode form a high-voltage end capacitor through an insulating partition plate; the annular end surfaces at two sides of the annular electrode are provided with an insulating film and a metal flange, so that two side end surfaces of the annular electrode and the metal flange form a low-voltage end capacitor connected in series through the annular film; the annular electrode and the metal loop disc which is equivalent to the metal sealing ring are also surrounded on the outer sides of the two flanges, so that the annular electrode has a voltage division function, and unexpected effects are achieved.)

一种脉冲高压测量装置

技术领域

本发明涉及高压测量领域，更具体的说，它涉及一种脉冲高压的测量装置。

背景技术

在脉冲高电压测量技术中，一般采用示波器进行测量，但示波器量程有限，不足以测量几百倍甚至上千倍的脉冲高压，如果拿示波器直接测量高压示波器就会被烧毁。为了准确测量系统输出的高电压，常采用在示波器前端串联衰减器以满足其量程的方式。例如需要测量一个160KV的高压，按照衰减器10倍衰减计算，需要串联1000多个衰减器，这样不仅施工麻烦，而且衰减器长期在脉冲高压作业下，其内部电路器件极易损坏，虽然采用大量串联衰减器可以降低单个衰减器损坏对示波器的影响，但需要经常在1000多个衰减器中逐个排查是否损坏，这不仅增加了测量成本也降低了排查错误器件的效率。国内外实验室曾经采用很多技术办法，开展大量课题研究和经费，但至今还未见到在高压系统内部利用环形电极分压直接接入示波器测量的报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种脉冲高压测量方法，目的在于解决现有技术脉冲高压测量测量成本大且排查错误器件效率低的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案。

一种脉冲高压测量装置，其特征在于：包括回路中用作两个串联电容共用电极和测量电极的环形电极，该环形电极两侧各有一个环状端面，一个环状端面侧设有脉冲高压源，另一个环状端面侧设有负载，高压电极和绝缘隔板沿着轴向穿过环形电极的内径连接其两端的脉冲高压源和负载，绝缘隔板包围在高压电极外表面且与高压电极同等长度，绝缘隔板径向位于环形电极和高压电极之间、用于环形电极和高压电极之间的绝缘，由此，环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成了高压端电容；在环形电极两侧的环状端面上从里到外还顺序设有绝缘薄膜、金属法兰，每个绝缘薄膜内侧连接环形电极、外侧连接各自的金属法兰，由此，环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成了一个串联的低压端电容；在环形电极和两个法兰的外侧还包围有环状的、等效为金属密封圈的金属回路盘，该金属回路盘通过密封卡槽固定在脉冲源与负载之间构成回路；该金属回路盘内径为金属法兰外径且金属回路盘内径大于环形电极的外径、与环形电极外表面非接触；所述环形电极通过两侧的金属法兰将脉冲高压源与负载连接，所述高压电极将脉冲高压源输出电压传输到负载。

所述脉冲高压源输出电压160kV，电压波上升时间不大于30ns，电压波脉宽100ns；所述脉冲高压源与同侧的金属法兰之间为气密封结构，所述负载与同侧的金属法兰之间为真空密封结构，所述环形电极采用纯铜材料，所述绝缘隔板采用聚四氟乙烯材料。

所述环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成了高压端电容，该高压电容式中，ε₁＝2.04×10^-13F/cm、为聚四氟乙烯介电常数；l为环形电极的厚度；r_a和r_b分别为绝缘隔板的外径和内径。

环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成低压端电容，该低压端电容S_I为环形电极的横截面积，d_i环形薄膜的厚度，ε₂为环形薄膜的介电常数，为了提高测量信号的信噪比，环形薄膜材料的介电常数要与绝缘隔板的聚四氟乙烯介电常数相当，所以选用聚酰亚胺作为环形薄膜的材料，ε₂＝2.03×10^-13F/cm。

根据脉冲高压源输出电压峰值160kV的标准，需要衰减17000倍左右才可满足示波器的安全量程，环形电极输出分压比为：

其中，l＝2cm，r_a＝14cm，r_b＝2.5cm，d_i＝15μm，S_I＝376.8cm²。

本发明的优点效果

1、本发明通过采用环形电极作为测量电极、通过将环形电极安装在脉冲高压源与负载之间的腔体回路段上、通过将环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成高压端电容、将环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成低压端电容，使得环形电极不直接接触高压电极、分压后的环形电极引出端子的电压衰减了17200倍，可以直接接到示波器的输入端，安全高效。

2、本发明解决了本领域长期以来的脉冲高压测量费时费力的技术难题。通过将脉冲高压源、负载、环形电极、绝缘隔板、环形薄膜、金属回路盘有机结合、相互支持、相互依赖，解决了在高压系统内部利用环形电极分压直接接入示波器测量的新的技术问题，采用这种基于环形电极的集成式的分压装置，相比现有技术通过串联1000多个衰减器的测量高压方法，不仅有效节约材料成本，也有大幅度节约了技术人员因排查错误而耗费的大量时间，整体功效提高2万倍。

3、本发明克服了长期以来环形电极只能构成一种电容的偏见，即环形电极一般用于构成由金属圆环和垂直穿过金属圆环的金属以及它们之间的绝缘物构成电容的偏见，本发明将环形电极的两个侧端面也用于构成第二种电极，从而使得环形电极具有分压的功能或者环形电极可以作为两个串联电容的公共电极，这个发现对于测量脉冲高压的场合无疑是一个重要的贡献，巧妙地解决了集成式分压的关键点，取得了意料不到的效果。

附图说明

图1为测量系统示意图；

图2测量系统等效电路图；

图3中环形电极结构放大图。

图中：1：脉冲高压源；2-1：金属法兰1；2-2：金属法兰2；3：环形电极；3-1：环形电极外表面；3-2：环形电极内表面；3-3：环形电极输出接口；4：高压电极；5：绝缘隔板；6：负载；7-1：环形薄膜1；7-2：环形薄膜2；8：金属回路盘。

具体实施方式

本发明设计原理

1、环形电极在本发明电路中的作用相当于一个导体，导体位置如图2所示，环形电极等效于C1、C2之间的导线，或环形电极等效于C1、C2的共用电极。图2中C1上端为高压电极、对应图1中的高压电极4；图2中C1下端为环形电极、对应图1中的环形电极3，环形电极3包括环形电极外表面3-1，环形电极内表面3-2，环形电极两个侧端面3-3；图2中C2上端对应图1中的环形电极3；图2中C2下端对应图1中串联以后的两个法兰。

2、串联电容分压原理。在图2中，C1、C2为两个串联的电容。公知常识，电路中两个串联的电容电荷相等Q1＝Q2；Q1＝C1*U1；Q2＝C2*U2；图2中，在C1、C2电荷一定的情况下，假设C2增大了某个倍数，则U2就一定减小某个倍数，同理，假设U1增大了某个倍数，则C1就一定减小了某个倍数。由于示波器接在C2的两端，所以，设计目标是要尽量减小C2两端的电压，以适应示波器电压量程的需求。解决方法就是增大C2的电容。根据电容计算公式，电容大小除了和面积S有关，还和电容两极板之间的距离有关，两个极板之间距离越近则电容越大，具体到本本实施例，也就是将薄膜7-1、7-2制作得尽量薄，满足设计要求，同时，将高压端电容的绝缘隔板的厚度制作得远远厚于环形薄膜7-1、7-2，这样，高压端电容因为两个极板之间的距离远远大于低压端电容的薄膜的厚度，所以，高压端的电容量远远小于低压端电容量，而高压端分压则远远大于低压端电容分压。经过实际测算，当低压端电容和高压端电容满足1.7万多倍的关系时，跨接在低压端电容两端的示波器就可以满足最大量程的需要而不会被烧毁。

基于以上发明原理，本发明设计了一种脉冲高压测量装置，如图1、图2、图3所示，包括回路中用作两个串联电容共用电极和测量电极的环形电极，该环形电极两侧各有一个环状端面，一个环状端面侧设有脉冲高压源，另一个环状端面侧设有负载，高压电极和绝缘隔板沿着轴向穿过环形电极的内径连接其两端的脉冲高压源和负载，绝缘隔板包围在高压电极外表面且与高压电极同等长度，绝缘隔板径向位于环形电极和高压电极之间、用于环形电极和高压电极之间的绝缘，由此，环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成了高压端电容；在环形电极两侧的环状端面上从里到外还顺序设有绝缘薄膜、金属法兰，每个绝缘薄膜内侧连接环形电极、外侧连接各自的金属法兰，由此，环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成了一个串联的低压端电容；在环形电极和两个法兰的外侧还包围有环状的、等效为金属密封圈的金属回路盘，该金属回路盘通过密封卡槽固定在脉冲源与负载之间构成回路；该金属回路盘内径为金属法兰外径且金属回路盘内径大于环形电极的外径、与环形电极外表面非接触；所述环形电极通过两侧的金属法兰将脉冲高压源与负载连接，所述高压电极将脉冲高压源输出电压传输到负载。

所述脉冲高压源输出电压160kV，电压波上升时间不大于30ns，电压波脉宽100ns；所述脉冲高压源与同侧的金属法兰之间为气密封结构，所述负载与同侧的金属法兰之间为真空密封结构，所述环形电极采用纯铜材料，所述绝缘隔板采用聚四氟乙烯材料。

所述环形电极内径表面与高压电极通过绝缘隔板构成了高压端电容，该高压电容式中，ε₁＝2.04×10^-13F/cm、为聚四氟乙烯介电常数；l为环形电极的厚度；r_a和r_b分别为绝缘隔板的外径和内径。

环形电极的两个侧端面与金属法兰通过环形薄膜构成低压端电容，该低压端电容S_I为环形电极的横截面积，d_i环形薄膜的厚度，ε₂为环形薄膜的介电常数，为了提高测量信号的信噪比，环形薄膜材料的介电常数要与绝缘隔板的聚四氟乙烯介电常数相当，所以选用聚酰亚胺作为环形薄膜的材料，ε₂＝2.03×10^-13F/cm。

根据脉冲高压源输出电压峰值160kV的标准，需要衰减约17000倍左右才可满足示波器的安全量程，环形电极输出分压比为： 其中，l＝2cm，r_a＝14cm，r_b＝2.5cm，d_i＝15μm，S_I＝376.8cm²。

实施例一

一种脉冲高压的测量方法，参见图1和图2，包括高压脉冲源1；高压脉冲源1输出电压160kV，电压波上升时间不大于30ns，电压波脉宽100ns(此处的脉冲功率源1为现有技术，故不再赘述)。脉冲高压源1与金属法兰(2-1、2-2)之间为气密封结构，金属法兰(2-1、2-2)与负载6之间为真空密封结构，环形电极3采用纯铜材料，绝缘隔板5采用聚四氟乙烯材料。环形电极3与高压电极4之间通过绝缘隔板5构成高压端电容C_HV，式中，ε₁＝2.04×10^-13F/cm为聚四氟乙烯介电常数；l为环形电极3的厚度；r_a和r_b分别为绝缘隔板5的外径和内径。

金属法兰(2-1、2-2)分别与环形电极3之间通过环形薄膜7-1和环形薄膜7-2连接构成低压端电容C_LV，S_I为环形电极3的横截面积，d_i环形薄膜的厚度，ε₂为环形薄膜的介电常数，为了提高测量信号的信噪比，环形薄膜(7-1、7-2)材料的介电常数要与绝缘隔板的聚四氟乙烯介电常数相当，所以选用聚酰亚胺作为环形薄膜的材料。ε₂＝2.03×10^-13F/cm

根据脉冲高压源输出电压峰值160kV的标准，需要衰减约17000倍左右才可满足示波器的安全量程，环形电极输出分压比为： 其中，l＝2cm，r_a＝14cm，r_b＝2.5cm，d_i＝15μm，S_I＝376.8cm²。

通过环形电极接口3-3与示波器直接连接进行脉冲高压输出的测量，该种方法可根据不同的衰减倍数进行设计，同时环形电极不直接接触高压电极，可有效提高信噪比并且不易损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。