电阻分压器的工作原理和应用

理想的电阻分压器结构原理图如图5-31所示。电阻分压器由高压臂R₁和低压臂R2（电阻值较小，R₂≪R₁）组成。被测脉冲高电压U_i加在高压臂的输入端，则在分压器中产生电流。在分压器低压臂输出的电压为。因此理想情况下电阻分压器的分压比k为

脉冲高压测量的电阻分压器通常采用非磁性、温度系数小的电阻丝按无感绕法绕制而成。尽管如此，实际上电阻分压器和引线中都不可避免地会引入一些残余电感，同时分压器高压引线及高压端等高压部分与分压器本体之间也存在的电场引起并联杂散电容。另外由于分压器与周围处于地电位的物体之间存在电场，从而不可避免地将引起分压器对地的杂散电容。考虑寄生参数的电阻分压器等效电路如图5-32所示，其中R′为单位长度上的电阻值；L′为单位长度寄生电感，C_p′为单位长度上的纵向电容；C_e′为单位长度对地杂散电容。

图5-31 理想电阻分压器原理图

图5-32 电阻分压器分布参数电路

电阻分压器寄生参数中电阻体纵向寄生电容和残余串联电感量相对较小，当不考虑其对电路响应影响时可以从理论上计算分压器测量输出U_o的阶跃响应

式中，τ＝RC／π²；K为稳态分压比；R为电阻分压器全长总电阻；C为电阻分压器对地杂散电容总值。

相应的归一化响应就是

由阶跃响应时间定义可得

当n值取很大时可得(www.xing528.com)

于是

T＝RC／6

由此可以得出分压器响应时间正比于总电阻与对地电容之积的结论，这同时也说明了电阻分压器的误差产生的两个重要因素为总电阻和总对地电容。因此要减少分压器的测量误差就必须尽可能地降低分压器对地电容，同时适当地限制分压器的电阻值。但是减少分压器的电阻值一方面将导致对被测信号的影响增大，另一方面使得引线残余电感与杂散电容之间的振荡难以得到阻尼而产生振荡。

改善电阻分压器性能的一种做法是缩小电阻体的尺寸来减少对地杂散电容。为此需使用高电阻率材料并需要把分压器放在耐电强度高的介质中，例如浸在变压器油中，同时置电阻体下端离地高约2m之处，这样可减小对地的杂散电容，从而减少响应时间。

由于对地杂散电容的存在，对地电杂散电容充电电流使得电阻分压器电压分布不均匀，大部分电压集中在顶部。为了补偿对地电容，通常在分压器顶端加一环状电极（见图5-33），通过环与分压器本体间的杂散电容对分压器本体的对地杂散电容充电电流引起的电压不均进行补偿。这种装有屏蔽环电极的分压器叫做屏蔽电阻分压器。此类分压器等电位面垂直于电阻体，电阻体对地电容很小，其响应特性取决于测量引线电感以及屏蔽电极的对地电容。这种分压器的响应特性好，被广泛运用。为了避免阻尼引线电感和屏蔽电极之间可能产生的振荡，常串接一个阻尼电阻（见图5-34）。此种接法的阻尼电阻能在不增大响应时间的情况下抑制振荡。阻尼电阻r需要满足

图5-33 补偿型电阻分压器

图5-34 带阻尼电阻的补偿型电阻分压器

r≥2（L／C）^1／2

式中，L为引线电感；C为屏蔽电极对地电容。

另外由于电阻分压器总电阻不能设计得过大，因此采用一级分压器可测量范围有限。对于较高电压的测量通常采用多级分压器。