用于脉冲放电的小型吸收水电阻的设计研究

沈阳理工大学自动化与电气工程学院 程 旭 陈世鑫

在脉冲功率技术中常用电容器作为储能元件、电容特性决定其放电后仍有残余电压存在、因此本文设计了一种小型吸收水电阻用来吸收储能电容器残余的电压。本文给出了水电阻外形尺寸以及其吸收能量与温升计算过程，同时又通过理论计算与COMSOL建模仿真测定水电阻的寄生电容值，本文以20nF云母电容充电5KVDC为例计算并实测其放电时间；综合给出本文设计的水电阻的性能。

电容器作为脉冲功率技术中的核心器件、 是重要的储能元件，由电容特性决定其需要一个吸能元件来吸收其残余电压、由于金属电阻容易发生局部烧毁因此通常都是用溶液体电阻作为吸收电阻，本文采用圆柱体设计方案并对设计方案进行理论计算、并且利用建模仿真以及实验测量加以验证。

1.水电阻结构设计

水电阻设计结构为圆柱体结构、其结构剖面如图1所示：

图1 水电阻结构剖面图

图1中：1、3--为电极固定螺栓孔；2--为注水孔；4--为有机玻璃腔体；5--为进线电极；6--为橡胶密封圈；7--为出线电极。

水电阻外形为φ30X50mm的圆柱体、腔内容积为3.2毫升，进线电极前端设计为圆台状是为了保证电阻在处于直立状态时电极也能与水保持有效接触，有机玻璃腔体外设有一个宽度为5毫米深度为2毫米的环形槽以此增大电极间的爬电距离、用万用表多次测量得其平均电阻值为550KΩ。

2.水电阻吸能温升计算

由于水电阻两端电极是用黄铜制作而成并且通过水电阻的电流为毫安级别、所以电极吸收消耗的能量可以忽略不计，水电阻吸收能量公式用公式（1）和公式（2）计算：

式中：

Q ----为吸收的能量，J；

m ----为质量，kg。

V ----为质量，kg。

T1----为吸收能量后的温度，℃；

T0----为初始温度，℃。

3.水电阻寄生电容值测定

水电阻圆柱形结构形成一个平行板电容器、根据平行板电容器电容计算公式可计算水电阻寄生电容值：

图2 水电阻电场分布以及寄生电容值

式中：

C ----为水电阻寄生电容，F；

ε ----为水的相对介电常数，4—88；

k ----为静电力常量，9×109Nm2/C；

d ----为电极板之间的间距，m。

水的介电常数与温度有关、典型值对应关系如表1所示：

表1 水介电常数与温度对应

本文选择27℃（接近室温）时的介电常数作为实际计算值、带入公式（3）计算得水电阻寄生电容为：1.7778e-12F。由于计算值存在一定的误差、因此利用COMSOL对水电阻建模仿真得其寄生电容为：1.5919e-12F；对比理论计算值和COMSOL仿真计算值可以看出水电阻的寄生电容值是皮法级别、且小于2pF、因此可以忽略掉寄生电容度水电阻的影响。COMSOL水电阻仿真电场分布以及电容值计算如图2所示。

4.水电阻放电时间测定

充有一定电压的电容通过水电阻释放电能、放电时间呈现e指数关系、其放电时间可由放电公式反推得到：

式中：

Ut----为t时刻电容电压，V；

U0----为电容初始电压，V；

τ ----为时间常数。

本文20nF云母电容实际充电5KVDC、理论上水电阻经历553us的时间吸收掉云母电容所储存的5KVDC电能，实测波形如图3所示：

图3 电容放电波形图

实际测得放电时间约为1.2秒、实际测量时间大于理论计算时间，造成这种差距的原因可能是由于水电阻的阻抗值随频率的变化而变化；测量时所用的高压探头为Tektronix P6015A、其测试阻抗为100 MΩ、相当于给水电阻并联一个100 MΩ的大阻抗。综合分析这两个因素会对水电阻放电时间造成一定的影响，所以水电阻的放电时间应当以实测为准。

5.结束语

本文给出了水电阻的结构设计尺寸，同时对其吸能温升以及寄生电容值进行理论计算以及OMSOL建模分析、得出其寄生电容值不到2pF, 基本可以忽略掉寄生电容对水电阻的影响，通过理论计算分析以及示波器实测其放电时间为1.2秒。本文设计的水电阻能够作为高压储能电容器的吸收电阻。

实际中由于水的掺杂不同会对水的性质造成一定的影响、进而对制作的水电阻性能造成影响、在实际应用中应以实际测量值为准。