kv雷电冲击电压发生器

1
由此可知， d (2 / )[W /(R0Cm )]4 。
令 =2 =Ω，W=565J，
则
1
1
d (2 / )[W /(R0Cm )]4 (2 / )[565 0.48/(8.9 47.8 0.417150)]4 0.358mm
实际选φ的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为
1）确定冲击电压发生器级数 n
要求冲击电压发生器的标称电压为 400kv，可选取 4 级电容结构，则输出电 压的标称值为：
2）负荷电容 C2 选择
常见试品电容量如表 2 所示。
表 2、常见试品电容量 试品名称 线路绝缘子 高压断路器、电流互感器、电磁式电压 互感器
电容值/pF ＜50 50~600
电容式电压互感器
雷电冲击电压波形分为全波和截波两种。 全波是具有一定极性的非周期性脉冲电压波，这种非周期性的冲击电压波可 以用双指数函数表示：
式中： ——波尾时间常数，
——波头时间常数，通常
。
2、多级充电电压发生器
多级冲击电压发生器的作用原理可以简单地概括为多级电容器并联充电，然 后自动串联放电，形成幅值很高的冲击电压波。
由此可得， =Ω，每级 =Ω。
波头电阻和波尾电阻丝的选择： 冲击电压发生器中的阻尼电阻，波头电阻和波尾电阻都与波形有关，要求电 感小、热容量大、稳定性高。现在都用电阻丝按无感绕法做成。要求电阻材料的 电阻系数比较大，温度系数比较小。 由于冲击电压发生器放电时间很短，故冲击放电时电阻上的温升按绝热过程 来考虑。当进行全波冲击电压实验时，试品不放电时，冲击电压发生器的全部能 量都消耗在波尾电阻中（阻尼电阻阻值很小可以略去不计时），使之发热而不考 虑散热。一般从绝缘材料考虑取电阻的允许温升为 150℃，再结合所需阻值一起 来决定电阻丝的长度和直径。当试品放电在波头期间时，冲击电压发生器的全部 能量消耗在波尾电阻和波前电阻中，此时波头电阻和波尾电阻是并联关系，在计 算波头电阻的温升时，应去除波尾电阻中消耗的能量。
冲击放电过程很快，电阻丝消耗的能量可按绝热过程考虑，所消耗的能量全 部转变为电阻丝的温度升高。如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝密度ν为 cm3， 电阻率ρ为×10-6Ω·m，比热容 Cm 为(g·℃)，电阻允许最高温升θ为 150℃， 另电阻丝长度为 l/m，直径为 d/mm，则可得：
电阻 R0 4l /(d 2 ) ，消耗能量W l d 2 Cm / 4 ，
C1
(C1
C2
)
Rt
(Rt
Rd
)
由于高效回路，Rd≈0，因此冲击电压发生器高效回路的效率为：
为使回路效率足够高，一般取 至少比 大 5—10 倍，现取
≈
由上述可知，从脉冲电容器技术参数表中找到瓷壳高脉冲电容器比较适合， 用此种电容器四个串联可以达到 440kv 标称电压，满足要求。这种电容器的规格 如表 3 所示。
表 3、瓷高压脉冲电容器的规格
型号
额定电压/kV 标称电容/μF 外形尺寸/mm
重量/kg 适用范围
110
φ635×845 瓷壳 345
冲击电压
发生器
用此种电容器 4 级串联，标称电压可达 440kV，每级电容器为μF，使冲击
电容
C=4= >10
这样可使冲击电压发生器的效率较高。 依据整定的标称电压和冲击电容，计算可得标称能量为：
波头时间：
Tf
1.2S
3.24Rf C1C2
/ (C1 C2 ) 3.24Rf
0.025 0.025
0.0021 0.0021
6.277
103
R
f
S
由此可得， =Ω，每级 = /8≈Ω。
Байду номын сангаас
波尾时间： Tt 50S 0.693Rt (C1 C2 ) 0.693Rt (0.025 0.0021) 0.019Rt S
实际温升为
4W / (l d 2Cm ) 4 605 / (8.9 43.6 0.22 0.417) 119.01 C 150 C 所选用的康铜丝两根并联，并按相反方向绕在绝缘棒上，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 电压。
6）充电电阻 R、保护电阻 r 选择
4）冲击电压发生器的效率
由上述负荷电容 和冲击电容 ，计算可得冲击电压发生器的效率为：% 满足设计要求。
5）波头电阻 Rf、波尾电阻 Rt 选择
高效回路的充电回路利用波头电阻 和波尾电阻 构成充放电回路。
设计要求产生 50μS 标准雷电波，已知冲击电容 ，负荷电容 ，可由波头
时间和波尾时间，计算波头电阻 和波尾电阻 。
有上述可知， =Ω， =Ω。
每级电容器储能为：1/2×× ×
=
假定试品不放电，则能量全部消耗在 中；若试品短路放电，则[+]×=的能
量消耗在 中。
如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波头电阻的每股阻值为 2×=Ω，每 股电阻丝消耗的能量为 2=。
同样情况，波尾电阻的每股丝的阻值为 2×=Ω，每股电阻丝消耗的能量为 2=。
一、 设计背景和意义
电力系统中的高压电气设备在运行过程中可能会承受短时间的雷电冲击电 压和操作过电压的作用。冲击电压实验就是用来检测各种高压电气设备在雷电压 和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。
雷电冲击电压实验采用全波冲击电压波形或者截波冲击电压波形，其持续时 间较短，约数微秒至数十微秒。
其中雷电冲击电压波形由冲击电压发生器产生，而操作冲击电压波可以利用 冲击电压发生器产生，也可以利用变压器产生。因此，很多高压实验室的冲击电 压发生器既可以用来产生雷电冲击电压波，也可以用来产生操作冲击电压波。在 此重点讨论雷电冲击电压发生器的设计。
随着超高压输电工程的发展，冲击电压发生器已成为各高压实验室的重要实 验设备之一。其电压和容量不断提高。可以相信，在超高压输电的工程的发展过 程中，必将对冲击电压实验技术提出更高的要求。
二、 冲击电压发生器基本原理
1、雷电冲击电压波形
多级冲击电压发生器的作用原理可以简单地概括为多级电容器并联充电，然 后自动串联放电，形成幅值很高的冲击电压波。
如图为一种简单的多级冲击电压发生器的电路图：
其工作原理为:C10-C20 为各级对地的杂散电容。在充电过程结束时,上面一 排杂散电容 C10、C30、 C50 和 C70 充电到+U0 电压,1、3、5、7 各点对地电位皆 为+U0,而下面一排杂散电容 C20、C40、 C60 和 C80 未充电,2、4、6、8 各点电 位为零。当各级电容器 C 充电到 U0 电压时,第一级间隙 G1 首先击穿,1 点电位瞬 时从+U0 下降到零,2 点电位瞬时从零下降到-U0。由于 1、3 点之间和 2、4 点之 间存在着充电电阻 R 杂散电容 C30 来不及放电,在 G1 击穿瞬间仍使 3 点维持原来 的+U0 电位。于是,在 G1 击穿瞬间,球隙 G2 承受的电压由原来的 U0 突然上升到 2U0,从而导致 G2 击穿。G2 击穿后,3 点电位瞬时从+U0 下降到-U0,4 点电位瞬时 下降到-2U0,而 5 点和 6 点仍然维持原来的电位+U0 和零电位。于是在 G1 和 G2 击穿瞬间,球隙 3 承受的电压由原来的 U0 突然上升到 3U0,从而导致 G3 击穿。依 此类推,球隙 G1—Gn 依次在 U0—nU0 电压作用下击穿 将全部电容器串联起来。
实际的冲击电压发生器，波头电阻和波尾电阻常分散到各级中去，这样，既 可以起到阻尼电阻的作用，又可以起到充电电阻的作用。
三、设计目标
设计一个 400kv 雷电冲击电压发生器，输出波形为 50 标准雷电波，要求进 行电阻设计（线径，材料等），充电回路设计（升压变压器，硅堆，电阻等）。
四、设计步骤
如图，为冲击电压发生器的等效电路图，依此电路图进行设计：
l R0 d 2 / (4) 47.8 (0.36)2 / (4 0.48) 10.14m 10.2m
实际温升为
4W / (l d 2Cm ) 4 565 / (8.9 10.2 0.362 0.417) 146.63 C 150 C
再次令 =2 =Ω，W=605J，
则
1
1
d (2 / )[W /(R0Cm )]4 (2 / )[605 0.48/(8.9 665.6 0.417150)]4 0.189mm
实际选φ的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为
l R0 d 2 / (4) 665.6 (0.2)2 / (4 0.48) 43.56m 43.6m
电气与电子工程学院
《高电压》
课程设计 （400kv 冲击电压发生器的设计）
姓 名：
学 号 ： U8 专业班号 ： 电气 1303 班
评阅人： 指导教师 ： 日 期：
刘毅
目录
一、设计背景和意义 ....................................... 错误!未定义书签。 二、冲击电压发生器基本原理 ............................... 错误!未定义书签。
1、雷电冲击电压波形 .................................. 错误!未定义书签。 2、多级充电电压发生器 ................................ 错误!未定义书签。 三、设计目标 ............................................. 错误!未定义书签。 四、设计步骤 ............................................. 错误!未定义书签。 1）确定冲击电压发生器级数 n ........................... 错误!未定义书签。 2）负荷电容 C2 选择 .................................... 错误!未定义书签。 3）冲击电容 C1 选择 .................................... 错误!未定义书签。 4）冲击电压发生器的效率 .............................. 错误!未定义书签。 5）波头电阻 Rf、波尾电阻 Rt 选择 ........................ 错误!未定义书签。 6）充电电阻 R、保护电阻 r 选择 ......................... 错误!未定义书签。 7）充电时间 .......................................... 错误!未定义书签。 8）变压器选择 ........................................ 错误!未定义书签。 9）硅堆选择 .......................................... 错误!未定义书签。 10）球隙直径选择 ..................................... 错误!未定义书签。 五、设计总结与感想 ....................................... 错误!未定义书签。 六、附录 ................................................. 错误!未定义书签。 七、参考文献 ............................................. 错误!未定义书签。