1. 研究背景及意义

为了解决电磁干扰问题，保证设备和系统的可靠性，20世纪40年代初，人们提出了电磁兼容性的概念。电磁兼容是一个新兴的综合性边缘学科，随着电磁能的广泛应用，电磁兼容性问题已深入到人类科学技术、生产、军事、生活的各个领域。什么是电磁兼容呢？从概念上讲，电磁兼容是指设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态和能力，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会因其发射导致同一电磁环境中其他设备产生不允许的降级。电磁兼容性学科研究的内容主要包括以下几个方面：电磁骚扰源、骚扰信号的特性、骚扰信号的传播、被干扰设备（接收器）的研究、电磁兼容测量技术的研究、抗干扰技术的研究、电磁兼容性设计、信息设备电磁泄露及防护技术、电磁脉冲及其防护、电磁兼容标准和规范的研究^[1-4]。

本文针对中压电力系统，其干扰能量是以电压、电流形式通过电路传导形成的耦合，所以本文研究的骚扰信号的传播途径是传导干扰。针对中压电力系统高电压、大电流的特点，研究适用于中压电力系统高电压测量的电磁兼容探头。

国内外对高压分压器的研究都已经经历了长期的过程，取得了很大程度的进展。分压器作为测量系统中的转换装置，它的性能好坏直接影响测量系统测量结果的准确性。分压器的基本原理就是把被测量的高压按要求的比例衰减为低压，由高压臂和低压臂构成。将被测的高压施加于高压臂，由低压臂输出到示波器进行测量。分压器按工作原理可分为电容型分压器、电阻型分压器和阻容型分压器^[5]。

电阻型分压器结构简单，分压比稳定，工作在低频段测量结果准确，所以电阻型分压器多被用于低频电压的测量系统之中。在高频率电压测量时，电阻分压器由于系统接线情况和自身存在的电感、与大地之间的分布电容会随着频率升高而影响加大，这时电阻型分压器的分压比就会受到很大影响，测量波形产生畸变。

阻容型分压器有两种接线方式：串联式和并联式。大多数阻容型分压器都采用电阻电容串联方式经行分压，它同时具有了电阻型分压器和电容型分压器在低频率和高频率时良好的测量性能，它的频率响应带宽宽，但是阻容型分压器结构复杂，对于选择构成分压的电阻和电容的匹配问题难以解决。

电容型分压器一般用于高频电压测量系统中，结构简单，但是电容型分压器由于自身结构的影响，对地杂散电容和分压器内部感性元件对它的影响较大，使电容型分压器在实际应用中受到很多条件的限制。

本文着重分析同轴结构的电容型分压器实际工作状态和传输特性。对电容型分压器结构特性、工作特性、分压比的稳定性等问题，通过电磁场仿真软件或实验测量方法进行分析，为高压电磁兼容探头设计和制作提供有效的参考。

2.国内外研究现状

传输线上的干扰主要表现为共模（CM）干扰和差模（DM）干扰两种形式，并且在通常情况下，CM的大小一般是由系统中的寄生电容决定的，而DM的大小则是由系统中的分布电感决定的。传导干扰测试主要是在电源线的起始处或插座处对导线中所存在的CM噪声和DM噪声进行测量。通常用到的仪器主要有：EMI电磁骚扰测量接收机、线性阻抗稳定网络（LISN）、电流探头、电压探头、阻抗分析仪、示波器等^[6-8]。国内外对高电压传导干扰测量技术的研究已经经历了长期的过程，主要在实用性能和应用领域方面的研究。在各个研究课题中最主要解决的问题的技术是脉冲测量系统计术。在工频或常规条件下的高电压实验和测量系统中普通的测量方式和方法就可以满足测量要求。但是在较高频率脉冲条件下，实际的测量系统要求更高。如在GIS变电站二次设备端口电磁骚扰测量系统中，在GIS变电站中，大量二次智能单元下放到本地汇控柜或者安装在GIS一次设备附近，它们容易受到开关操作引起的瞬态骚扰电压影响而导致工作异常。开关操作引起的二次设备端口瞬态骚扰电压的特点是：高频成分较多，分布在几兆赫至十几兆赫，最高可达上百兆赫；上升沿陡度大，可至数纳秒级；持续时间长，整个过程可达几百毫秒。目前，基于阻容分压原理的高压探头作为传感器，采用高数字化仪作为采集设备，用于测量GIS变电站二次设备端口骚扰电压的测量系统已在某1000kv特高压GIS变电站得到应用^[9-10]。简言之，在较高频率脉冲条件下，实际测量系统主要具有以下几个特点：被测量脉冲前沿快、被测量脉冲幅值较高、信号源工作状态下的电磁干扰强烈。根据这些特点，目前常用的脉冲高电压测试方法主要有：球隙放电法、峰值电压表法、光电效应测量法和分压器结合示波器测量法。其中，分压器结合示波器测量法利用最为广泛。分压器目前主要有电阻分压器、电容分压器和阻容分压器三种结构，本文是针对电容型分压器为基础进行测量的系统。对于电容型分压器，国内外进行了很多的研究与设计。我国华北电力大学硕士论文中对脉冲高压同轴电容分压器进行了设计与研究^[5]，国外杜伊斯堡-埃森大学已经开发了一个带有嵌入式探头的低电感连接器的组合系统，适合快速的暂态信号的测量，缺点是测量受场合影响而需改变探头的尺寸，灵活性欠缺^[11]。还有研究设计一种用于电磁兼容测试质量保证的紧凑、宽带、可计算的电磁场源，可提供给测试设备适用^[12]。在汽车电力传动方面，因为准确测定其效率是非常重要的，这需要高精度的电压探头来测量变频器的电压，而现有的探头不能满足要求，针对这一问题，有人提出了一种差分电压探头来满足该要求并且提高测量精度^[13]。还有关于提高电容式电压探头在无预校准情况下测量精度的研究，提出电容电压探头（CVP）的标定方法，当内导体与外导体之间的电容改变时，由输出电平偏差估算CVP的转换因子，调查结果表明，估计值与实测值的偏差在1dB以内。用CVP法测量了被测设备的扰动，并与阻抗稳定网络（ISN）的测量值进行了比较，该系统采用锁相放大器和频谱分析仪对微弱信号水平下的电平偏差进行测量。结果表明，CVP与ISN的平均电平偏差在1dB以内。这意味着该方法可以用于CVP的标定，而无需进行预校准^[14]。对于一些特殊的测试场合，高压测量方法也会有相应的特殊之处，例如，李许立在《感应式高压测量法》中提到的，针对在高压隔离开关之外的高压线路上是不允许变电站装设任何电器设备这一特点，采取了感应式测量法，而不用高压互感器这种需与高压线路接触的方法，其与高压线路无接触，可在安全距离之外进行测量，具有安装方便、安全可靠、可不停电检修以减少停电损失的特点^[15]。