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冲击电阻分压器高压臂电阻绕法分析

文档作者：袁晟傅正财徐真潘洋文档来源： 1．上海交通大学电子信息与电气工程学院 2．上海市计量测试技术研究院		点击数：	更新时间： 2024年11月24日
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测量与检测技术 《电气自动化)2013年第35卷第4期
Measu rement＆ Detecting Technics
冲击电阻分压器高压臂电阻绕法分析
袁晟 ，傅正财 ，徐真 ，潘洋。
(1．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2．上海市计量测试技术研究院，上海201203)
摘要：对于冲击电阻分压器，在测量短脉冲时需要考虑剩余电感的影响。对冲击电阻分压器高压臂电阻的三种无感绕法进行介绍，
比较了相同条件下三种无感绕法的电感值，分析了不同骨架形状和骨架周长对于电感值的影响。结果表明：在骨架相同的情
况下，双线单层绕法的电感最小；对于双线双层反向绕法，骨架周长相同时，矩形骨架的电感小于圆形骨架的电感，矩形骨架长
宽比越接近1电感越大；对于圆形骨架，电感值随着骨架周长的变化基本不变。
关键词：冲击电阻分压器；剩余电感；高压臂；无感绕法；骨架
DOI：10．3969／j·issn．1000—3886．2013．04．034
[中图分类号]TM41／47；TM403．2 [文献标志码]A [文章编号]1000—3886(2013)04—0095—02
Analysis of W inding Method of High Voltage
Arm Resistor in lmpulse Resistive Voltage Divider
YUAN Sheng ，FU 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
冲击高电压的测量方法有很多种，比较常用的是冲击分压器
测量系统。冲击分压器可分为电阻分压器，电容分压器和阻容分
压器⋯ 。本文所考虑的分压器是冲击电阻分压器，它由屏蔽电
极，高压臂和低压臂组成，其中高低压臂均为电阻臂。冲击电阻
分压器与稳态电压下的分压器基本原理相似，但由于有动态特性
的要求，它应尽可能做成接近是无感的。现有高压臂通常用优质
电阻丝以无感绕法绕制于圆形绝缘骨架上。常用的无感绕法有
双线双层反向绕法；双线单层反向绕法和单线单层反向绕法。分
压器的寄生电容会和分压器阻抗元件的剩余电感构成高频振荡
回路，导致输出波形畸变 ，减小剩余电感可缓解输出波形畸变，
使响应时间变短 。因此探讨分压器高压臂电阻丝的绕法，减
小电感是有意义的。
本文计算了相同条件下三种无感绕法的电感值，分析了不同
骨架形状和骨架周长对于电感值的影响。本文在计算过程中运
用了有限元仿真软件。有限元算法是解决有限域电磁场问题的
一种有效方法，由于有限元方法有通用性强、易于处理复杂分块
均匀介质，且能同时求取电容及电感等优点，在电磁场数值计算
收稿日期：2012—11—05
方法中独树一帜 。 。
1 高压臂设计
1．1 电阻丝绕法
图1(a)所表示的是双线双层反向绕法的结构，在绝缘筒上
以螺旋问绕第一层(内层)，包扎绝缘层后再以反方向螺旋间绕
第二层(外层)，包扎绝缘层后浸渍绝缘漆制成。其值可按下式
计算 J：
L =79．12 T 占·10 (H) (1)
式中a 和。 —— 内层和外层绕组的半径，厘米；z——绕组的长
度，厘米； 一单层绕组的匝数；6—— 两层电阻丝的中心距离，
= a 2 一a 1。
图1(b)所示的是双线单层反向绕法结构。在绝缘筒或绝缘
板上用两根电阻丝以相反方向螺旋问绕。与双层绕法相比较，由
于没有绝缘层，单层绕法具有较小的剩余电感。双线单层反向绕
法的剩余电感计算公式如下 J：
L ： ．R ．K，．T， (H) (2)
P
式中p—— 电阻率，微欧·厘米；K —— 系数，机绕取1．0，手绕取
1．3。T 可根据电阻丝的直径d和电阻率P以及匝距。查出 J。
图1(C)表示单线单层反向绕法的结构。在绝缘筒或绝缘板
ElectricaI Automation 95
《电气自动化}2o13年第35卷第4期 测量与检测技术
Measurement＆ Detecting Technics
上用一根电阻丝以相反方向来回间绕。这种绕法的剩余电感虽
然稍微大一些，但绝缘强度比较高。剩余电感可按下式计算 ：
L：4nz．1n ×10一 (H) (3)
r0
式中n—— 环的个数；z——环的长度，厘米；d——环的宽度，厘
米；r0—— 电阻丝的半径，厘米。
oo
oo
o
oo
o
o
o o
o
o o
o
o
o
(b) (c)
图1 无感电阻的绕法
1．2 剩余电感
本文以300 kV冲击电阻分压器为算例，设计过程中高压臂
电阻值选取5 kQ，采用直径0．16 mm的卡玛电阻丝(6J22型)绕
制，电阻丝包绝缘层后直径为0．19 mm。电阻丝以三种绕法绕于
周长为90 mm的圆形绝缘筒上。分别计算得出每种绕法的剩余
电感如下：
表1 三种绕法的剩余电感
绕法 电感值
双线双层
双线单层
单线单层
145．30 IxH
l3．48 uH
285．9 H
计算结果中，双线双层绕法的电感值是双线单层绕法的
10．78倍，单线单层绕法的电感值是双线单层绕法的1．97倍，可
见在用相同电阻丝绕制，高压臂电阻相同的情况下，双线单层绕
法对于电感的降低最为明显。但是此绕法绝缘强度比另外两种
绕法低，实际可根据需要选择绕法。
2 骨架的影响
2．1 骨架形状的影响
本文以双线双层反向绕法为例，讨论骨架形状对于剩余电感
的影响，分析的骨架为圆形和矩形。采用上文1．2节的算例，已
得出圆形骨架双线双层绕法的剩余电感为145．30 IxH。保持电
阻丝特性和骨架周长不变的情况下分析矩形骨架。矩形骨架由
于没有特定的计算公式，因此通过软件仿真计算，采用Infolytica
公司的有限元仿真软件Magnet进行磁场分析。
保持骨架周长90 mm不变，建立边长为22．5 mm的正方形
骨架，骨架外绕两层电阻丝，通以不同方向的电流仿真读出电阻
丝线圈的磁链，除以电流，得出周长90 mm的正方形骨架双线双
层反向绕法的剩余电感为114．22 IxH，比同周长相同绕法下的圆
形骨架的剩余电感减小21．4％ 。
现令骨架周长不变，改变矩形骨架的长和宽，研究电阻丝电
感值的变化，其仿真结果如图2所示。
由图2可以看出，在骨架周长不变的情况下，随着矩形骨架
96 ElectricaI Automation
图2 电感值随矩形短边宽的变化曲线
短边宽的增加，电感值增加，其增长趋势逐渐变缓。当矩形骨架
的短边宽等于长边宽，即矩形骨架为正方形骨架(本例中为22．5
mm)时，电感值最大，约为114．22 IxH，小于同周长 形骨架的电
感。随着矩形骨架短边宽的减小，电感迅速下降，当短边宽为5
mm时电感值为45．59 H，为最大值的39．9l％ 。
2．2 骨架不同周长的影响
现改变骨架的周长，范围从70 mm至105 i／nil，对网形骨架的
双线双层绕法进行仿真分析，研究电感值变化，在电阻值相同的
情况下，其结果见如图3。
图3 电感值随骨架周长的变化曲线
从图3巾可以看出，电感值随着骨架周长的变化基本 变，
这是因为虽然骨架周长的增加使得电阻丝的总匝数略微变小，但
是磁通面积随之增加，从而使得电感基本不变。实际仿真结果
周长为70 mYil时，电阻丝匝数为2 126，电感值为148．52 IxH，
周长为105 mm时，电阻丝匝数为1 418，电感值为148．09 H
3 结束语
本文介绍了冲击电阻分压器电阻丝常用的二种尢感绕法，比
较了相同条件下三种无感绕法的电感值，分析了骨架形状和骨架
周长对于电感值的影响，结果表明：在电阻丝和骨架相同的情况
下，双线单层绕法的电感最小；对于双线双层反向绕法，骨架周长
相同时，矩形骨架的电感小于圆形骨架的电感，矩形骨架长宽比
越接近1电感越大；对于圆形骨架，电感值随着骨架硎长的变化
基本不变。在绕制高压臂电阻时，可根据需要选择合适的绕法和
骨架尺寸。
(下转第102页)
《电气自动化12013年第35卷第4期 模式识别
Pa~ern Identifications
到GPU的共享存储器中，GPU中的每一个线程根据不同的位置
数据来计算当前有效照射体积内的雷达回波强度，并将计算得到
的回波强度数据传回CPU端。最后，系统判断扫描是否完成，若
完成，则显示雷达回波。
4 仿真结果与分析
仿真在Intel Core2 E7400 2．8 GHz CPU，4G内存，GeForce GTX
550Ti显卡，Visual Studio 2008平台上进行，设置雷达天线的扫描方
位角范围为一90 deg～90 deg，俯仰角扫描范围为0 deg一4 deg。
图7中实线表示飞机的飞行
路径，此时飞机正要穿越密集的
云层区域，图8显示的是雷达探
测到前方航路的回波图，通过不
同的颜色表示回波强度的大小。
在仿真中，通过设置不同大
小的雷达扫描网格，并分别采用
CPU和CPU+GPU异构并行的
方式运行系统，可以得到如表1
所示的结果。
由表1数据
可以看出，并行
算法明显优于串
行算法。并且随
着扫描网格大小
的不断增大，加
速比也不断增
加，这充分说明
图7 载机飞行轨迹
图8 雷达回波显示
了基于CUDA的并行计算在处理大规模并行化数据的优势。基
于CPU+GPU异构并行的雷达仿真系统在实时性方面取得了良
好的效果。
(上接第96页)
参考文献：
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保护环境
1 02 Electrical Automation
表1 仿真结果对比
5 结束语
本文详细介绍了一款机载气象雷达仿真系统的设计过程，针
对系统实时性差的特点，提出了GPU加速处理的解决方案，取得
了良好的效果。由于雷达系统仿真与建模是一项复杂的研究，本
文所做的工作只是初步的试探，还需要进一步的完善 、
参考文献：
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高电压试验技术与试验设备开发．．
利国利民 造福后代

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