多级冲击电压发生器的设计

多级冲击电压发生器的

设计

Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

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50u s），电压等级为330k v-800k v,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

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660k v。

三、冲击电容的选择：

将试品电容估算为900p F，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500p F，电容分压器的电容估算为600p F，

则总的负荷电容：C2≈900+500+600=2000（p F）

按冲击电容为负荷电容的10倍估算，

则冲击电容10000p F=5C2

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110k v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： U 1=110×6=660k v

冲击电容：

C 1=C /5=2)×(1/6)×610=

能量: 22n 11/20.1666660/2 3.63W C U kJ kJ ==⨯=

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 12121.2 3.24/()f

f T s R C C C C μ==⨯+ 求出207.6f R =Ω，每级/634.6f f r R ==Ω。

半峰值是等效回路

故半峰值时间

求出3866.6t R =Ω，每级/6644.4t t r R ==Ω

七、冲击电压发生器的效率计算：

由公式 ()112C 20000pF 91%C C 200002000pF η==≈++

若考虑波形系数为，则0.910.94586%η=⨯=，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()(10~20)f t C R r Cr +≥ ，得：

取R ＝15k Ω。每个充电电阻值15k Ω,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600k Ω，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t r 及f

r ，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0r r =，则计算得11.2T s ≈充。实际上还存在充电回路中0

C 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 3.02/ 3.02 3.63/15 1.452n W T kVA kVA =⨯⨯=⨯⨯=充

变压器电压＝1.155/42.78kV kV ⨯=

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

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2D L 150/的

高压硅堆。（参数见下表）

表4.

号 型号 反峰电压kv 反向电流uA +25 正向压降 平均整流电流 外形尺寸mm 40度

100 长 宽 高 1 2D L 150/

150 <=10 <=120 50 20 400 30 22 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Φ10cm 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34.6f r =Ω，644.4t r =Ω，一级电容器储能为：

2632/20.50.110(11010)0.605CU kJ kJ -=⨯⨯⨯⨯=。假定试品不放电时能量全部消耗在t

r 中，试品短路放电时能量的