多级冲击电压发生器的设计

高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计
电气与电子工程学院
指导老师：戴玲
2010年3月1日
一、设计任务：
设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压波形（即50us），电压等级为330kv- 800kv, 级数为3 级以上。

二、额定电压的选择：
为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压等级的关系（见下表）
1．试品电压等级的确定：
表 1. 冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压
间的关系
试品额定电压 /
35110220330500
kV
冲击电压发生器标
～～～～～
称电压 / MV
根据设计要求的输出电压为 300-800kV，根据上表，可以假
定试品的电压等级为66kv。

2.额定电压的确定：
根据 66kV 设备雷电冲击耐受电压 ( 峰值 ) 表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为385kV，击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系
数取；假定冲击电压发生器的效率为 85%，故冲击电压发生器的标称额定电压应不低于：
由此确定冲击电压发生器的为 660kv。

三、冲击电容的选择：
将试品电容估算为900pF，冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容估算为500pF，电容分压器的电容估算为 600pF，
则总的负荷电容：C2≈900+500+600=2000（pF）
按冲击电容为负荷电容的 10 倍估算，
则冲击电容 10000pF=5C2<C1<10C2=20000（pF）
从国产脉冲电容器的产品规格中找到型高压脉冲电容器比较合适，具体参数和规格如下表：
表二：
型号额定电压 kv标称电容uF外形尺寸mm重量kg
110kvΦ635×495瓷壳235 选用此种型号电容器时，可以将所要设计的冲击电压发生
器做成110kv 一级，共6 级（其中每级电容用两个电容串联组成，这样即可同时满足此冲击电压发生器额定电压和冲击电容的要求）。

用此种电容器可装成柱式结构，总高约
为 3m，高度适中。

四、回路选择：
根据设计要求要选择高效回路，利用并联充电、串联放电的基本原理，得到合乎设计要求冲击试验电压。

回路图如下所示：
五、冲击电压发生器的主要参数计算：额
定电压： U1=110×6=660kv
冲击电容：
C1=C/ 5=2) ×( 1/ 6) ×106 =
能量 : W n C1U 12 / 2 0.1666 6602 / 2kJ 3.63kJ
六、波头电阻和波尾电阻的计算：
试品电容约 900pF，负荷总电容为 2000pF，波前等效回路
所以波前时间T
f 1.2 s 3.24 R f C1C2 /(C1 C2 )
求出 R
f 207.6 ，每级r f R
f / 6 34.6。

半峰值是等效回路
故半峰值时间
求出 R t3866.6，每级r t R t/ 6 644.4 七、冲击电压发生器的效率计算：
由公式
C1 20000pF
C1 C2 91%
20000 2000 pF
若考虑波形系数为，则0.91 0.94586% ，可见该冲击电压发生器具有较高的效率，即所选参数是合适的。

八、充电电阻和保护电阻的选择：
要求 C (R r f ) (10 ~ 20)Cr t，得：
取 R＝15kΩ。

每个充电电阻值 15kΩ, 结构长度应能耐受110kv 的电压（此处充电电阻的阻值过大或者过小都是不恰
当的。

过大会延长充电时间，增加各级电容器的充电
的不均匀性；过小则过小则各级球隙动作不可靠，冲击电
压波长时间减小，放电回路利用系数降低）。

在此基础上取保护电阻 r 充电电阻 R的 40 倍，则保护电阻r 为600kΩ，结构长度应能耐受×55kv=的高压（保护电阻不仅可以起到保护整流装置的作用，还可以起到均压作用）。

九、充电时间的估算：
因为采用了倍压充电回路，由式
但考虑到电容 C 的另一侧为r t及r f，它们远小于充电电
阻 R。

此外还应考虑倍压回路第一个回路中的保护电阻 r 的作用。

充电至倍电压时，
设 r0 r ，则计算得 T充 11.2 s 。

实际上还存在充电回路中C0的影响，它可使充电时间增加一些，可估计 T充为15s。

十、变压器选择：
考虑倍压充电回路所需的容量，加大安全系数到。

变压器容量 3.0 2 W n / T充 3.0 2 3.63 /15 kVA 1.452 kVA 变压器
电压＝ 1.1 55kV / 2 42.78kV
所以，可选择国产试验变压器，型号为 YD—3/50 ，其参数如下表。

表— 3/50 试验变压器的参数
额定容量额定电压 / kV 额定电流 / A 型号规格
输入输出输入输出
/ kVA
YD—3/50 3 50
十一、高压硅堆选择：
为了缩短充电时间，充电变压器应该提高 10％的电压，因此硅堆的反峰电压＝ 55kV×＋ 55kV＝。

硅堆的额定电流以平均电流计算，实际充电电流是脉动的，充电之初平均电流较大，选择硅堆用的平均电流难
以计算。

现只有根据充电变压器输出的电流（有效值）来
选择硅堆额定电流。

电流的有效值是大于平均值的。

因此
选用硅堆应满足：
1.反峰电压 >
2.额定整流电流 >
在此种条件要求下可以选用型号为 2DL150/ 的
高压硅堆。

（参数见下表）
表 4.
平均整流电
外形尺寸 mm
反向电流 uA正向压
型号反峰电压 kv
100
40度长宽高
2DL150/150<=10<=1205020003022 十二、球隙直径的选择：
由资料可知，Φ10cm 球隙在间隙距离为时的放电电压为
115kv，因此选择Φ 10cm铜球五对作为后五级的放电球隙，
而第一级球隙采用相同放电电压等级
的三电极球隙代替。

十三、波头电阻和波尾电阻丝材料的选择计算：
已知 r f 34.6 ，r t 644.4 ，一级电容器储能为：
CU2/2 0.5 0.1 10 6 (110 103 ) 2 kJ 0.605kJ 。

假定试品不放电时能量全部消耗在r t中，试品短路放电时能量的
+，即消耗在r f中。

如采用双股相反绕的无感电阻结构，则
波前电阻的每股阻值为2×Ω即Ω。

每股电阻丝消耗的能量
为 2kJ 即。

同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为 2×=Ω，每
股电阻丝消耗的能量为 2kJ 即。

冲击放电的过程很快，电阻丝
消耗的能量可按绝热过程考虑，所消耗的能量全部
转变为电阻丝温度的升高。

如所采用的电阻丝为康铜丝，
康铜丝的密度ν为 8.9 g / cm3，电阻率ρ为0.48cm2 / m ，比热容
C m
为 0.417J / ( g C ) ，电阻允许最高温升θ
为150℃。

令电阻丝长度为 l/m ，直径为 d/mm，则可得
R0 4 l ( d 2 ) (1)
而消耗的能量
Wl d 2 C m / 4 (2)
将式（ 1）和式（ 2）消去 l ，得电阻丝的直径为
d (2/ ) W
1/ 4
(3) /( R0C m )
首先令 R0 2r f 2 34.6 69.2 ， W 287J ，
最后，由式（ 3）得
实际选Φ的电阻丝两根，并按相反方向并绕。

由式（1）得其中一根阻丝的长度为
实际温升可由式（ 2）得
再次令 R
02r t 2 644.4 1288.8
，W302.5J 代入式（3）得电阻丝的直径为
实际选Φ电阻丝按相反方向并绕。

可算得一根电阻丝的长
度
实际温升
用所选康铜丝两根, 并联反绕到绝缘管上即可做成波头电
阻和波尾电阻。

要求匝间距离尽可能小。

电阻棒的长度应
使两端间能耐受110kV 的电压。

十四、测量环节冲击分压器系统的设计：
因为所设计的多级冲击电压发生器输出电压较高，同
时为得到较高的降压比例和好的瞬变响应特性，可以采用
两级分压系统；同时为减小寄生参数的影响，此处构成电
阻分压器的电阻丝要采用无感电阻，主要由锰铜、康铜和
镍镉等金属用无感绕法在绝缘板或者绝缘筒上绕制而成。

得到精确地测量结果，还要配合性能良好的低压测试
回路。

由于冲击电压持续时间短，波形变化快，在测量回
路中要考虑行波的折反射过程。

为防止波在
电缆上来回反射，需加装匹配电阻（见下图）。

1.一次分压器的设计：
采用电容分压器分压，使用如图 3 示测量回路。

同轴电缆输出端电压设为 2kV，然后经电阻分压器二次分压，把信号电压输入示波器。

考虑二次分压用的电阻分压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。

高压臂电容选国产 MY500—脉冲电容器（可承受电压最高）较合适，其参数如表 5。

表 5. MY500—脉冲电容器的规格
额定电标称电
重量
外形尺
型号容 / 外壳压 / kV 寸 / mm / kg
μF
MY500—500 Φ 182×胶纸1155 壳
用此种电容器三个并联，使高压臂
由于设同轴电缆输出端电压幅值为 2kV，故分压比K=660/2=330。

求出 C 2 0.06104 F 。

用MY80—脉冲电容器组成低压臂，其参数如表 6。

表 6. MY80—脉冲电容器的规格
标称电
外形尺重量 /
额定电
型号容 /
寸 / mm 外壳
压 / kV kg
μF
MY80—80 Φ220
胶纸壳×455
用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达（500＋80
×2）kV＝660kV，可用于测量冲击电压。

每级由 4 个电容器并联，使低压臂电容
故分压器的实际分压比为
即同轴电缆输出端电压U 2U1 / K (660 / 335.3)kV 1.968kV
2.二次电阻分压器（为简单的双电阻串联分压系统，如下
图所示）：
普通双电阻分压器
高压臂取 R
110000
，低压臂R2100，则分压比
最终输入示波器的电压幅值为（1968/101 ）V＝.
另需注意的是，测量时，为防止干扰，低压回路和测
量仪器必须进行良好的屏蔽，同时，测量仪器的电源要通
过滤波器以及带静电屏蔽的隔离变压器供给。

另外传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接。

设计小结
冲击电压发生器的设计可分为两个部分，第一是冲击电压发生器本身的设计，包括冲击电容的选定，波前电阻和波尾电阻的计算，充电电阻和保护电阻的选定，波前电阻和波尾电阻阻丝选择，高压试验变压器选择，高压硅堆的选择，球隙直径的选择等。

第二是冲击电压测量回路的设计，在本设计中冲击分压器采用两级结构，包括一次分压器的选择和二次分压器的选择。

在设计过程中做了较多的近似，因此不可避免地会带来设计误差，原因有以下几方面：一方面是忽略了各个环节寄生电感的影响；其次是冲击分压器的设计，两级分压结构虽然有较高的分压比和较好的响应特性，但也不可避免的引入了计算误差；另外是是元器件的选取，因参考资料有限，对于一些元器件，特别是分压器中的电容、电阻和电缆，只能在很小的范围内选择，不可能做到完全匹配和恰当，实际设计时应该进行更多的参考。

在本次设计过程涉及到很多高电压工程方面的知识和标准，通过此次设计本人对冲击电压发生器的工作原理有了更为深刻的了解。

本次设计的顺利完成当然离不开老师的
悉心指导和同学们的热情帮助。

冲击电压发生器设计说明书
一、高效雷电冲击电压发生器由六级组成，额电压为
660kv，输出标准雷电冲击电压波形。

二、冲击电容器选择国产型高压脉冲电容器，具体参数见设计过程相关参数表格。

三、该冲击电压发生器采用高效回路，使放电回路具有较
高的利用效率。

波尾电阻四、该冲击电压发生器的波头电阻 R
t3866.6，
R f 207.6 ，并且选用适当规格的康铜丝（即要同时满足温升
和耐压要求）做成。

五、为保证该冲击电压发生器具有合适的充电时间（不能过大或者过小），保证各级电容器的充电的均匀性，同时使各级球隙动作较为可靠，且保证放电回路的利用系数不
至过低，选择充电电阻 R＝15kΩ；为保护整流装置和均压，使保护电阻 r=600k Ω。

六、该冲击电压发生器的充电时间估算为 15s，长度适中，较为恰当。

七、经过容量和电压的估算，确定选择国产试验变压器，型号为 YD—3/50 ，具体参数见设计过程相关参数表格。

八、经过反峰电压和额定整定电流的估算，确定选择型号为 2DL150/ 的高压硅堆，具体参数见设计过程相关参数表
格。

九、查球隙放电电压表易确定Φ10cm铜球在间隙距离为时满放电要求。

十、为得到较高的分压比例和好的瞬变响应特性，该冲击电压发生器的冲击分压系统采用两级结构，具体分压系统结构和低压测试回路见设计过程 ( 在此不再赘述 ) 。

十一、为防止干扰，低压回路和测量仪器必须进行良好的屏蔽（具体方法不再详述，见设计过程）。

参考资料
《高电压工程》——林福昌主编
中国电力出版社
《高电压试验技术》
——华中科技大学上海交通大学合编水利
电力出版社 1982 .11 《高电压实验技术》
——张仁豫陈昌渔等着
清华大学出版社1982。