电阻式电压传感器误差分析文献综述

电阻分压器的误差综述 摘要：对于百万伏以上的冲击电压的测量，一般应用电容分压器或阻尼电容分

压器 。 但由于这两种分压器组成的测量系统，一般方波响应时间较大，或方波响应具有较高的过 冲。使用这样的测量系统，测量冲击全波或波尾截断波还尚可，但用它来测量波头截断波将带来很大的幅值误差，甚至无法直接应用。具有高响应特性的精密冲击电阻分压器的测量系统，能用来很准的测量冲击全波和波尾截断波，也能准确的测量波头截断波，还可以作为一个标准来校核其它冲击分压器。 关键词：电阻式分压器 、误差 1 引言 电磁脉冲测量，包括脉冲电场、脉冲磁场、脉冲电压及脉冲电流的测量。由于电磁脉冲信号是上升时间仅几个纳秒、持续时间几十纳秒至几个毫秒的极高强度的瞬态信号，其频谱覆盖了零到几百兆赫的频带，因而要求测量系统具有与之相适应的频率响应范围，且既不能对被测环境产生明显的影响，又要具有较强的抗干扰能力。 测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量[1]。 2 电阻式电压传感器分析 电阻式电压传感器的工作原理为一电阻式分压器，其原理如图1所示，分压器由高压臂电阻1R和低压臂电阻2R组成，电压信号在低压侧取出 ( 为防止低压电阻分压器的误差分析综述 1 部分出现过电压，保护二次侧测量装置，必须在低压电阻上加装一个放电管或稳压管S，使其放电电压恰好略小于或等于低压侧允许的最大电压 ( 其中1U为高压侧输入电压，2U为低压侧输出电压[2、3]。

图1 分压器原理图 由于大地及周围物体与分压器的电场产生相互影响，分压器存在对地杂散电容，使得沿分压器上各处的电流不同，电压分布不均，从而产生幅值误差和相角误差而分压器高压引线及高压端对分压器本体也存在杂散电容，它同样对分压器产生一定的影响[16]。在高电压下，电阻尺寸显著增加，因而必须考虑分压器对地和对高压引线的分布电容，其等值电路如图2所示，图2中忽略了电阻的杂散电感。其中图2a为局部等值电路图，图2b为分压器的整体等值电路图 L为分压器长度，r为沿全长均布电阻单位长度上的阻值（总阻值为R=r*L),为高压引线对分压器本体单位长度上的电容值(Cg为地对分压器本体单位长度上的分布电容值,总电

容为GC=gC*L),1U为被测电压，x为被讨论点距分压器底部的距离。电阻的纵向电容忽略不计。 电阻分压器的误差分析综述

2 图2 电阻分压器考虑对高压端及对地的杂散电容后等值线路图 由于电网上可能出现雷电冲击电压,因其速度问题,没有对雷电过电压进行直接的测量,而是将其作为一个控制触发信号,将它们设置为中断,一旦出现过 电压,向控制系统发送中断信号,实现控制[5、6]。

3 电阻式电压传感器结构与参数的确定 电压传感器最为重要的是误差的问题，其结构和参数的确定必须从减小误差的角度加以考虑。从电路分析可以看出，若在分压器的高压端加 设屏蔽罩 (即增加 GH 的值)，可以部分地补偿分压器对地杂散电容，即可以减小误差[8]。同时考虑到低压屏蔽罩可以控制分压器的对地杂散电容，因而 在设计时也加设了低压屏蔽罩。传感器额定电流的选择也必须从减小误差考虑。电阻1R不能太小，否则分压器将从电网上吸收过多的能量，热损耗太大，以致1R阻值不稳定而增加测量误差[14]。电阻的选择同样必须从减小误差出发。电阻不稳定是造成分压器误差的一个重要原因，它的大小决定于所选电阻的温度系数[11]。此外，根据国家标准 GB31111 —1997 , 一定电压等级的电压互感器必须耐受1min 工频试验电压。所以电阻的选择应从电阻温度系数、耐压性能和阻值三方面加以考虑。综 合考虑上述要求及各类电阻的性能，选用可承受高 电压的金属玻璃釉电阻器 , 阻值在兆欧级。该电阻 器又称厚膜电阻器，属于合成型电阻器，其阻值范围宽，电阻温度系数小，几乎没有杂散电感[7]。同时选择电阻元件的额定功率大于分压器所需功率，以降低温升，减缓老化[10]。

图 3 分压器结构示意图 电阻分压器的误差分析综述

3 传感器额定电流的选择也必须从减小误差考虑。电阻1R的选择不能太小，否则分压器将从电网上吸收过多的能量，1R的热损耗太大，以致 1R阻值不稳定而增加测量误差。电阻的选择也必须从减小误差出发。电阻不稳定是造成分压器误差的一个重要原因，它的大小决定于所选电阻的温度系数。

4 误差分析 外界大气环境对传感器分压比的影响主要在于大气介电常数的变化。气体的介电常数取决于气体在外电场中的极化。气体可分为两类，无极分子组成和有极分子组成。 无极分子介电常数表达式为 228r22

0118.5710iiiiii

ffNe

mww





由上式可知，温度、湿度对无极分子的介电常数都没有影响。 有极分子的介电常数为 20r1()3PNkT

由上式可以看出介电常数的变化主要取决于有极分子的极化效应，水蒸气属于极性分子。其次由式可以看出,有极分子的介电常数还与空气温度、压强有关。4．1 温度对传感器的影响 将实验设备放于气候室中，再比较温度变化时分压比变化。温度为25~50℃，误差 0.8%，并且由于测量结果受工频电压波动影响，以及示波器读数准确性影响，所以温度对传感器的影响可以忽略[16]。 4．2 湿度对传感器的影响 水为极性分子，水分含量会改变空气介电常数。为验证湿度对传感器精度的影响，进行 了大气湿度 与分压比关系的实验。在人工气候室中采用抽湿机改变空气湿度。绝对湿度变化为20.21～ 16.15g/3m，相对湿度变化为 81.7%～ 53.3%时,传感器分压比变化范围从 52782变化到53102，测量结果受工频电压波动示波器读数因素的影响，未看出明显规律 ，实验结果分压比误差仅为0.6%，可以忽略不计[11]。 电阻分压器的误差分析综述 4 电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。另外使用电阻分压器测量时应注意阻抗匹配和屏蔽。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，其比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其电压响应特性不如电阻分压器好[15]。 5 结束语 本文所研究的电阻式电压传感器采用了电阻分压器原理，并结合传统的电阻式分压器结构和新兴的电子技术、数字技术，代替了电网中传统的分别带有测量、保护绕组的仪用互感器，从根本上克服了其固有的弊端。该传感器结构紧凑，成本低，加工工艺简单，测量范围广，既有测量功能又有保护功能。因此它可以取代电网中德电磁式互感器，其适用于各种户内外断路器、柱上开关、高中压开关柜等电器设备。传感器的研制，为智能化电器的发展提供了技术支持。 6 参考文献

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