专利名称：一种方波发生器、电阻分压器标定系统和方法
技术领域：
本发明涉及高功率脉冲技术领域，尤其涉及一种电方波发生器、电阻分压器标定 系统和方法。
背景技术：
在高功率脉冲技术领域，如何准确地测量高压快前沿脉冲信号是人们不断研究的 课题。采用水电阻分压器是一种应用很广泛的测量手段，在水电阻分压器使用之前，需要对 水电阻分压器进行标定。目前较普遍的标定方法是使用方波源、利用比对法进行标定。可 以使用方波发生器作为方波源。方波发生器通常指一种脉冲电压源，能够产生一定上升时 间、一定脉冲宽度、波形为矩形的脉冲。但是，现有的方波源输出方波的上升沿大多速度较慢，不能满足标定纳秒级响应 的水电阻分压器的要求。此外，水电阻分压器的标定系统不规范，连线对标定结果影响较大。在实际应用 中，由于水电阻分压器的响应时间与其对地电容密切相关，当对地电容变大，分压器的响应 将变慢；由于水电阻分压器的尺寸比较大，如果接线回路所围成的面积变大，将因为回路电 感加大的原因，难以测得较快上升沿的方波信号。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是提供一种电阻分压器的标定系统，其方波源上升 沿的速度较快。本公开的一个方面提供一种电阻分压器的标定系统，包括方波发生器，和与方波 发生器相连的水电阻分压器；方波发生器用于提供方波信号，包括依次连接的直流电压生 成器、脉冲形成线、高压气体开关和输出端；其中，直流电压生成器用于输出直流电压为脉 冲形成线充电；当高压气体开关的火花间隙被脉冲形成线的电压击穿时，输出端输出方波信号。根据本公开的一个方面提供的电阻分压器的标定系统，方波发生器使用脉冲形成 线和气体开关配合工作，能够产生上升沿速度较快的方波脉冲。本公开要解决的一个技术问题是提供一种电阻分压器的标定方法，能够满足标定 纳秒级响应的水电阻分压器对方波信号的要求。本公开的一个方面提供一种电阻分压器的标定方法，包括通过直流电压为脉冲 形成线充电；通过脉冲形成线的电压击穿高压气体开关的火花间隙以输出方波信号；
将方波信号分为两路信号，其中，第一路信号不经过水电阻分压器传输给示波器， 第二路信号经水电阻分压器传输给示波器，以便通过对比两路信号对水电阻分压器进行标定。 根据本公开的一个方面提供的电阻分压器的标定方法，使用脉冲形成线和气体开关配合工作，产生上升沿速度较快的方波脉冲，能够满足标定纳秒级响应的水电阻分压器 对方波信号的要求。本公开的一个方面还提供一种方波发生器，包括依次连接的直流电压生成器、脉 冲形成线、高压气体开关和输出端；直流电压生成器用于输出直流电压为脉冲形成线充电； 当高压气体开关的火花间隙被脉冲形成线的电压击穿时，输出端输出方波信号。根据本公开的一个方面提供的方波发生器，使用脉冲形成线和气体开关配合工 作，能够上升沿速度较快的方波脉冲。
图1(a)示出本发明的水电阻分压器标定系统的一个实施例的示意图；图1(b)示出本发明的方波发生器的一个实施例的结构图；图2示出本发明的方波发生器的另一个实施例的结构图；图3示出本发明的水电阻分压器标定系统的另一个实施例的示意图；图4示出本发明的水电阻分压器标定方法的一个实施例的流程图；图5示出本发明的水电阻分压器标定方法的另一个实施例的流程图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。图1示出本发明的水电阻分压器标定系统的一个实施例的示意图。其中图1(a) 示出该实施例标定系统的示意图，图1(b)示出该实施例方波发生器的结构图。在图1(a) 中，该标定系统包括方波发生器11、水电阻分压器12和示波器13。方波发生器11产生方 波信号；将方波信号分成两路信号，分别传输给水电阻分压器12和示波器13 ；水电阻分压 器12对方波信号响应后输出给示波器13，根据示波器13对水电阻分压器12进行标定。在 图1 (b)中，方波发生器11包括依次连接的直流电压生成器111、脉冲形成线112、高压气体 开关113和输出端114。直流电压生成器111用于输出直流电压为脉冲形成线112充电； 当高压气体开关113的火花间隙被脉冲形成线112的电压击穿时，输出端114输出方波信 号。脉冲形成线可以是一定长度的电缆。本发明实施例的方波发生器例如可以产生上升沿 约为2ns、脉宽约100ns、幅值约4kV的方波脉冲。在上述实施例中，利用脉冲形成线充、放电得到上升沿为纳秒级的方波脉冲，克服 了现有技术中方波源输出方波信号上升沿速度较慢的问题，能够满足标定纳秒级响应的水 电阻分压器的要求。方波发生器的输出电压高，在保证上升沿约2ns的情况下幅度能够达 到约4kV。水电阻分压器标定系统通过使用上述方波发生器作为方波源，能够满足标定纳秒 级响应的水电阻分压器的要求。图2示出本发明的方波发生器的另一个实施例的结构图。在该实施例中，直流电 压发生器200包括调压器211、交流变压器212和整流器213。其中，调压器211输出低交 流电压到交流变压器212 ；交流变压器212对调压器211输出的低交流电压进行升压，输出 到整流器213 ；整流器213将交流变压器212输出的升压后的交流电压整流为直流电压，为 脉冲形成线112充电。调整高压气体开关113的火花间隙间距以及所气体(例如氮气)的 气压，使得高压气体开关113的火花间隙击穿，则在输出端114得到一纳秒级上升沿的方波信号。上述实施例的方波发生器，使用脉冲形成线和气体开关配合工作，能够产生上升 沿为纳秒级的方波脉冲，输出电压高，体积小，携带方便。图3示出本发明的水电阻分压器标定系统的另一个实施例的示意图。如图3所示， 在该实施例中，由方波发生器31产生方波脉冲(方波信号)，经功分器34将该信号分成两 路，一路经同轴衰减器35降低幅度后传输给示波器33，另一路传输给纳秒级响应水电阻分 压器32，两路测量得到的信号经由信号传输系统送到示波器33。功分器全称功率分配器， 可以将一路输入信号分成两路输出能量相等的信号，便于测量和连结。同轴衰减器指物理 结构为同轴形式的功率衰减器。同轴结构能够减小衰减器自身的电感，减小信号失真度，功 率衰减器能够将输入信号功率降低，使得输出信号功率小于输入信号。图3中使用的同轴 衰减器的频带宽度例如为4GHz，使得测得的信号失真度很小，便于准确地标定水电阻分压32 ο根据本公开的一个方面，水电阻分压器的周围设置有屏蔽装置，该屏蔽装置例如 由铜皮等导体组成。在图3中，水电阻分压器32垂直安装，信号由电缆输入。电缆外皮接 上部水平放置铜皮37，然后通过垂直铜皮37连接下部水平放置铜皮37，下部铜皮37接水 电阻分压器32接地端。电缆芯直接接水电阻分压器32高压端部。周边的铜皮37起到屏 蔽作用，下面的铜皮模拟地，上面的电缆芯模拟高压导体，左边使用较宽的铜皮(左边铜皮 的宽度例如在20-30CM之间)，而不是用铜线，电感很小，整套系统的回路电感很小，有利于 测得较准确的信号。在上述实施例中，采用铜皮屏蔽的纳秒级响应水电阻分压器测量系统，以降低回 路电感，能够模拟真实使用场合，例如GIS(fets Insulated Switchgear)传输筒的情况。整 个系统体积小，可作为便携式的设备使用。根据本公开的一个方面，同轴衰减器35和示波器33之间使用同轴电缆36传输信 号，水电阻分压器32和示波器33之间使用同轴电缆36传输信号，且在同轴电缆36的末 端、与示波器接口处加装阻抗与同轴电缆的阻抗匹配的电阻38，消除了波的全反射现象，改 善了波形。例如，同轴电缆阻抗是50欧姆，可以在同轴电缆末端加装50欧匹配电阻，避免 波形发生全反射从而导致测量幅值翻倍，改善了波形。图4示出本发明的水电阻分压器标定方法的一个实施例的流程图。
如图4所示，在步骤402，通过直流电压为脉冲形成线充电。在步骤404，通过脉冲形成线的电压击穿高压气体开关的火花间隙以输出方波信 号。例如可以产生上升沿约为2ns、脉宽约100ns、幅值约4kV的方波信号。在步骤406，将方波信号分为两路信号，其中，第一路信号不经过水电阻分压器传 输给示波器，第二路信号经水电阻分压器传输给示波器，以便通过对比两路信号对水电阻 分压器进行标定。上述实施例中，利用脉冲形成线和气体开关充、放电得到上升沿为纳秒级的方波 脉冲，克服了现有技术中方波源输出方波信号上升沿速度较慢的问题，能够满足标定纳秒 级响应的水电阻分压器的要求。方波发生器的输出电压高，在保证上升沿约2ns的情况下 幅度能够达到约4kV。水电阻分压器标定系统通过使用上述方波发生器作为方波源，能够满 足标定纳秒级响应的水电阻分压器的要求。
图5示出本发明的水电阻分压器标定方法的另一个实施例的流程图。如图5所示，在步骤502，通过直流电压为脉冲形成线充电。例如，通过调压器输出 较低电压，经交流变压器升压后整流为直流电压，然后给脉冲形成线(例如，一定长度的电 缆)充电(电缆外皮接地)。在步骤504，调整高压气体开关的火花间隙间距和所充气体(例如氮气)的气压， 使得脉冲形成线的电压击穿高压气体开关的火花间隙，在输出端输出方波信号，例如，得到 具有纳秒级上升沿的方波信号。在步骤506，例如通过功分器将方波信号分为两路信号。功分器可以将一路输入信 号分成两路输出能量相等的信号，便于测量和连结。在步骤508，将一路方波信号经过同轴衰减器传输给示波器。同轴衰减器的同轴结 构能够减小衰减器自身的电感，减小信号失真度；功率衰减器能够将输入信号功率降低，使 得输出信号功率小于输入信号。在步骤510，将另一路信号经水电阻分压器传输给示波器，便对水电阻分压器进行 标定。在本发明的实施例中，采用铜皮屏蔽的纳秒级响应水电阻分压器，以降低回路电感， 能够模拟真实使用场合，比如GIS (Gas Insulated Switchgear)传输筒的情况。根据本发明的一个方面，同轴衰减器、水电阻分压器和示波器之间都使用同轴电 缆传输信号，且在同轴电缆的末端、示波器接口处加装阻抗与同轴电缆的阻抗匹配的电阻， 消除了波的全反射现象，改善了波形。例如，同轴电缆阻抗是50欧姆，可以在同轴电缆末端 加装50欧匹配电阻，避免波形发生全反射从而导致测量幅值翻倍，改善了波形。本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明 限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描 述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理 解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
权利要求
1.一种方波发生器，其特征在于，包括依次连接的直流电压生成器、脉冲形成线、高压 气体开关和输出端；所述直流电压生成器用于输出直流电压为所述脉冲形成线充电；当所述高压气体开关的火花间隙被所述脉冲形成线的电压击穿时，所述输出端输出方 波信号。
2.根据权利要求1所述的方波发生器，其特征在于，所述直流电压发生器包括调压器，用于输出低交流电压；交流变压器，用于对所述调压器输出的低交流电压进行升压，整流器，用于将所述交流变压器输出的升压后的交流电压整流为直流电压，为所述脉 冲形成线充电。
3.根据权利要求1所述的方波发生器，其特征在于，通过调整所述高压气体开关的火 花间隙间距和所述高压气体开关所充气体的气压使所述高压气体开关的火花间隙被击穿， 从所述输出端输出方波信号。
4.一种水电阻分压器标定系统，其特征在于，包括权利要求1至3中任意一项所述的方 波发生器，以及与所述方波发生器相连的水电阻分压器。
5.根据权利要求4所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，所述标定系统还包括 功分器和示波器；所述方波发生器产生的方波信号经所述功分器分成两路信号，其中第一路信号传输给 所述示波器，第二路信号传输给所述水电阻分压器，由所述水电阻分压器传输给所述示波ο
6.根据权利要求5所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，在所述功分器和所述 示波器之间包括同轴衰减器，所述功分器输出的第一路信号经过所述同轴衰减器传输给所 述示波器。
7.根据权利要求5所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，所述水电阻分压器的 周围设置有屏蔽装置。
8.根据权利要求7所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，所述屏蔽装置由铜皮 组成。
9.根据权利要求6所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，所述同轴衰减器、所述 水电阻分压器和所述示波器之间都使用同轴电缆传输信号。
10.根据权利要求9所述的水电阻分压器标定系统，其特征在于，在所述同轴电缆的末 端、所述示波器接口处加装阻抗与所述同轴电缆的阻抗匹配的电阻。
11.一种水电阻分压器标定方法，其特征在于，包括通过直流电压为脉冲形成线充电；通过所述脉冲形成线的电压击穿高压气体开关的火花间隙以输出方波信号；将所述方波信号分为两路信号，其中，第一路信号不经过所述水电阻分压器传输给所 述示波器，第二路信号经水电阻分压器传输给示波器，以便通过对比两路信号对所述水电 阻分压器进行标定。
12.根据权利要求11所述的标定方法，其特征在于，所述水电阻分压器的周围设置有屏蔽装置。
13.根据权利要求11所述的标定方法，其特征在于，还包括 所述第二路信号经过同轴衰减器后传输给所述示波器。
14.根据权利要求13所述的标定方法，其特征在于，还包括所述同轴衰减器、所述水电阻分压器和所述示波器之间都使用同轴电缆传输信号给所 述示波器。
15.根据权利要求14所述的标定方法，其特征在于，还包括在所述同轴电缆的末端、所述示波器接口处加装阻抗与所述同轴电缆的阻抗匹配的电
全文摘要
本发明公开一种水电阻分压器标定系统、方法和方波发生器。该标定系统包括方波发生器，和与方波发生器相连的水电阻分压器；方波发生器用于提供方波信号，包括连接的直流电压生成器、脉冲形成线、高压气体开关和输出端；其中，直流电压生成器用于输出直流电压为脉冲形成线充电；当高压气体开关的火花间隙被脉冲形成线的电压击穿时，输出端输出方波信号。本公开采用方波发生器对水电阻分压器进行标定，产生的方波信号上升沿的速度比较快；采用同轴电缆连接方波源和规范的测量标定系统以及被测水电阻分压器，宽频带同轴衰减器能够降低原波形的幅度且失真较小，使得最终能够准确地标定水电阻分压器。
文档编号G01R35/02GK102053236SQ201010519809
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者丁卫东, 张乔根, 李峰, 李志兵, 王浩, 马宾 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司, 西安交通大学