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沖擊電阻分壓器高壓臂電阻繞法分析

文檔作者：袁晟傅正財徐真潘洋文檔來源： 1．上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 2．上海市計量測試技術(shù)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年11月24日
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測量與檢測技術(shù) 《電氣自動化)2013年第35卷第4期
Measu rement＆ Detecting Technics
沖擊電阻分壓器高壓臂電阻繞法分析
袁晟 ，傅正財 ，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．上海市計量測試技術(shù)研究院，上海201203)
摘要：對于沖擊電阻分壓器，在測量短脈沖時需要考慮剩余電感的影響。對沖擊電阻分壓器高壓臂電阻的三種無感繞法進行介紹，
比較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于電感值的影響。結(jié)果表明：在骨架相同的情
況下，雙線單層繞法的電感最小；對于雙線雙層反向繞法，骨架周長相同時，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；對于圓形骨架，電感值隨著骨架周長的變化基本不變。
關(guān)鍵詞：沖擊電阻分壓器；剩余電感；高壓臂；無感繞法；骨架
DOI：10．3969／j·issn．1000—3886．2013．04．034
[中圖分類號]TM41／47；TM403．2 [文獻標志碼]A [文章編號]1000—3886(2013)04—0095—02
Analysis of W inding Method of High Voltage
Arm Resistor in lmpulse Resistive Voltage Divider
YUAN Sheng ，F(xiàn)U Zheng-cai ，XU Zhen ，PAN Yang
(School of Electronic Information and Electronic Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
2．Shanghai Institute ofMeasurement and Testing Technology，Shanghai 201203，China)
Abstract ：As for the impulse resistive voltage divider，we need to consider the impact on residual inductance when measuring a short impulse．
Three non—inductance winding methods of the HV arm resistor of impulse resistive voltage divider are introduced．The inductance of
three non—inductance winding methods is compared under the same condition and the impacts on inductance of different skeleton shape
and perimeter are analyzed． Results show that the inductance of the two—wires—one—layer non—inductance winding method is the
smallest under the same skeleton．The inductance of the rectangular skeleton is smaller than that of the round skeleton under the same
skeleton perimeter． For rectangular skeleton， when the aspect ratio is closer to 1， the inductance becomes bigger． For round
skeleton，the inductance almost keeps the same value while the skeleton perimeter changes．
Keywords：impulse resistive vohage divider；residual inductance；HV arm ；non—inductance winding method；skeleton
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? 。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 ，減小剩余電感可緩解輸出波形畸變，
使響應(yīng)時間變短 。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于電感值的影響。本文在計算過程中運
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、易于處理復(fù)雜分塊
均勻介質(zhì)，且能同時求取電容及電感等優(yōu)點，在電磁場數(shù)值計算
收稿日期：2012—11—05
方法中獨樹一幟 。 。
1 高壓臂設(shè)計
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
以螺旋問繞第一層(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
計算 J：
L =79．12 T 占·10 (H) (1)
式中a 和。 —— 內(nèi)層和外層繞組的半徑，厘米；z——繞組的長
度，厘米； 一單層繞組的匝數(shù)；6—— 兩層電阻絲的中心距離，
= a 2 一a 1。
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問繞。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
法的剩余電感計算公式如下 J：
L ： ．R ．K，．T， (H) (2)
P
式中p—— 電阻率，微歐·厘米；K —— 系數(shù)，機繞取1．0，手繞取
1．3。T 可根據(jù)電阻絲的直徑d和電阻率P以及匝距。查出 J。
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
ElectricaI Automation 95
《電氣自動化}2o13年第35卷第4期 測量與檢測技術(shù)
Measurement＆ Detecting Technics
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，但絕緣強度比較高。剩余電感可按下式計算 ：
L：4nz．1n ×10一 (H) (3)
r0
式中n—— 環(huán)的個數(shù)；z——環(huán)的長度，厘米；d——環(huán)的寬度，厘
米；r0—— 電阻絲的半徑，厘米。
oo
oo
o
oo
o
o
o o
o
o o
o
o
o
(b) (c)
圖1 無感電阻的繞法
1．2 剩余電感
本文以300 kV沖擊電阻分壓器為算例，設(shè)計過程中高壓臂
電阻值選取5 kQ，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
繞法 電感值
雙線雙層
雙線單層
單線單層
145．30 IxH
l3．48 uH
285．9 H
計算結(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
法對于電感的降低最為明顯。但是此繞法絕緣強度比另外兩種
繞法低，實際可根據(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 IxH。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
于沒有特定的計算公式，因此通過軟件仿真計算，采用Infolytica
公司的有限元仿真軟件Magnet進行磁場分析。
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 IxH，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。
由圖2可以看出，在骨架周長不變的情況下，隨著矩形骨架
96 ElectricaI Automation
圖2 電感值隨矩形短邊寬的變化曲線
短邊寬的增加，電感值增加，其增長趨勢逐漸變緩。當矩形骨架
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，電感值最大，約為114．22 IxH，小于同周長 形骨架的電
感。隨著矩形骨架短邊寬的減小，電感迅速下降，當短邊寬為5
mm時電感值為45．59 H，為最大值的39．9l％ 。
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 i／nil，對網(wǎng)形骨架的
雙線雙層繞法進行仿真分析，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巾可以看出，電感值隨著骨架周長的變化基本 變，
這是因為雖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。實際仿真結(jié)果
周長為70 mYil時，電阻絲匝數(shù)為2 126，電感值為148．52 IxH，
周長為105 mm時，電阻絲匝數(shù)為1 418，電感值為148．09 H
3 結(jié)束語
本文介紹了沖擊電阻分壓器電阻絲常用的二種尢感繞法，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??；對于雙線雙層反向繞法，骨架周長
相同時，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；對于圓形骨架，電感值隨著骨架硎長的變化
基本不變。在繞制高壓臂電阻時，可根據(jù)需要選擇合適的繞法和
骨架尺寸。
(下轉(zhuǎn)第102頁)
《電氣自動化12013年第35卷第4期 模式識別
Pa~ern Identifications
到GPU的共享存儲器中，GPU中的每一個線程根據(jù)不同的位置
數(shù)據(jù)來計算當前有效照射體積內(nèi)的雷達回波強度，并將計算得到
的回波強度數(shù)據(jù)傳回CPU端。最后，系統(tǒng)判斷掃描是否完成，若
完成，則顯示雷達回波。
4 仿真結(jié)果與分析
仿真在Intel Core2 E7400 2．8 GHz CPU，4G內(nèi)存，GeForce GTX
550Ti顯卡，Visual Studio 2008平臺上進行，設(shè)置雷達天線的掃描方
位角范圍為一90 deg～90 deg，俯仰角掃描范圍為0 deg一4 deg。
圖7中實線表示飛機的飛行
路徑，此時飛機正要穿越密集的
云層區(qū)域，圖8顯示的是雷達探
測到前方航路的回波圖，通過不
同的顏色表示回波強度的大小。
在仿真中，通過設(shè)置不同大
小的雷達掃描網(wǎng)格，并分別采用
CPU和CPU+GPU異構(gòu)并行的
方式運行系統(tǒng)，可以得到如表1
所示的結(jié)果。
由表1數(shù)據(jù)
可以看出，并行
算法明顯優(yōu)于串
行算法。并且隨
著掃描網(wǎng)格大小
的不斷增大，加
速比也不斷增
加，這充分說明
圖7 載機飛行軌跡
圖8 雷達回波顯示
了基于CUDA的并行計算在處理大規(guī)模并行化數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。基
于CPU+GPU異構(gòu)并行的雷達仿真系統(tǒng)在實時性方面取得了良
好的效果。
(上接第96頁)
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r一+ ”+ t·+ ··+
保護環(huán)境
1 02 Electrical Automation
表1 仿真結(jié)果對比
5 結(jié)束語
本文詳細介紹了一款機載氣象雷達仿真系統(tǒng)的設(shè)計過程，針
對系統(tǒng)實時性差的特點，提出了GPU加速處理的解決方案，取得
了良好的效果。由于雷達系統(tǒng)仿真與建模是一項復(fù)雜的研究，本
文所做的工作只是初步的試探，還需要進一步的完善 、
參考文獻：
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【作者簡介】 周明(1987一)，男，河南通許人，碩士，研究方向：氣象雷達
仿真，并行程序設(shè)計； 胡士強(1969一)，男，河北定州人，教授，博士生導(dǎo)
師，研究方向：先進制導(dǎo)與控制技術(shù)； 張軍(1978一)，男，甘肅臨潭人，博
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出版禮，1982：106—191．
【作者簡介】袁晟，(1988一)，男，上海人，碩士，研究方向：高電壓絕緣技
術(shù)； 傅正財，(1965一)，男，浙江人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：
高電壓試驗技術(shù)與試驗設(shè)備開發(fā)．．
利國利民 造福后代

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