冲击电压发生器

1000kV冲击电压发生器及测量系统的设计

摘要：本文介绍了1000kV冲击电压发生器及测量系统的基本工作原理，分析了设计过程中的主要问题，结合冲击电压发生器的主要技术指标，对设计过程进行了详细讨论，给出了电路原理图及实物结构图，并对主要元器件进行了选择，最后利用仿真软件ATP对输出波形进行了仿真，以验证选择参数的正确性，同时对某些电路参数对冲击电压波形的影响作出了分析。

关键词：冲击电压发生器；电路设计；结构图；ATP仿真

电力系统的高压电气设备在运行时不仅要经常承受正常的工作电压作用,而且还有可能遭受短时雷电过电压和内部过电压的侵袭,所以高压电气设备在安装前要进行必要的过电压的绝缘耐受试验,比如模拟雷电过电压和操作过电压作用。冲击高压实验是耐压实验的一种，进行冲击高压实验是为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能[1]。

冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，它是一种产生脉冲波的高电压发生装置。由于绝缘耐受冲击电压的能力与施加电压的波形有关，而实际冲击电压波形具有分散性，因此必须对于冲击电压波形参数做统一规定，以保证多次试验的重复性和不同试验条件下的结果的可比较性。我国采用国际电工委员会（IEC）标准规定标准冲击电压波形。即规定冲击电压波形为双指数型，波头时间为1.2uS，波尾时间为50us，冲击电压峰值一般为几十千伏到几兆伏。

1设计要求

1.1设计指标

设计一台1000kV的冲击电压发生器及测量系统，可以对2000pF的试品电容做冲击试验。

1.2基本要求

冲击电压发生器应该满足以下几个要求：

1) 能产生1.2/50μs 的标准雷电波。

2) 能给2000pF 以内的试品作冲击电压试验。

3) 要求画出结构简图。

4) 要求设计出各种元器件的参数（如电容、电阻器参数和型号等，球隙间 距等）。

5) 给出仿真波形并进行分析。

2冲击电压发生器的设计原理

如图1所示，为标准冲击电压波形。在经过时间T1时，电压从零上升到最

大值，然后经过时间T2-T1，电压下降到最大值的一半。规定电压从零上升到最大值所用的时间T1称为波头时间（或称波前时间）；电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T2称为波尾时间（或称半峰值时间）。

图1 标准冲击电压波形

由该图可知，非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加合成，

如图2所示，则其表达式为：

/1/2()()t t u t A e e ττ--=- （2-1）

该式中，1τ为波尾时间常数，2τ为波头时间常数，通常情况下有1τ>>2τ，

A 为单指数波幅值。IEC 中规定标准冲击电压波形参数为：

波头时间：1.2u s±30%

半峰值时间：50us±20%

幅值误差：±3%

图2 冲击电压波形的合成

由公式（2-1），冲击电压波形可由电容、电阻构成的二阶电路的充放电实现。如图3所示，为标准雷电波冲击电压发生器原理电路示意图。

图3 冲击电压发生器电路原理示意图

整流电路将电网中的交流变换为直流为电容充电，C0在被球隙G隔离的状态下由整流电路充电到稳态电压U0，放电球隙G被点火击穿后，电容C0上的电荷经电阻Rt放电，同时经Rf对Cf充电，在被试品上形成上升的电压波头。当Cf上的电压被充到最大值后，反过来经Rf和C0一起对Rt放电，在被试品上形成下降的电压波尾，从而产生雷电冲击电压全波波形。图中C0为主电容，G为放电球隙，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻，Cf为波头电容，Cx为被试品的等效电容。被试品的电容可以等效并入电容Cf中[2]。

由于受到高压硅堆参数等因素的限制，单级冲击电压发生器输出的冲击电压幅值一般不超过200~300kV ，所以实际中要获得更高的冲击电压，幅值，需采用多级

冲击电压发生器。图4为多级冲击电压发生器的电路原理图。

图4 多级冲击电压发生器电路原理图

多级冲击电压发生器的基本原理为：并联充电，串联放电。如图4，首先调整各个球隙的距离，使G1的放电电压为U0，G2~G4的放电电压在U0~2U0范围内，然后开始对各个电容器同时充电到U0。这时G1首先被击穿，导致G2~G4依次击穿，各个电容器串联起来对C2和R2放电，从而在输出端获得幅值很高的冲击电压。

3 冲击电压发生器的设计

3.1主回路的结构设计

要求设计的冲击电压发生器的标称值为1000kV ，则应采用多级冲击电压发生器结构。采用双边充电的高效回路，每级两个电容器，分5级。每一级级电压为200kV ，每一个电容通过变压器充电100kV 。则冲击电压发生器可产生的电压约为5×200=1000kV ，满足题设要求。冲击电压发生器原理图如图5所示。 V

R 0R 0K

R 0

R t r f R R R R R G r t G G G 0r f r f r t r t C C C C C C D D C C 12345678T 1

2T C 2G ’Z r C 11C 20R 1R R G r f r t C C 910r f C 12C 13

图5 1000kV 冲击电压发生器电路结构图

图5中K 是电源开关，D 是高压硅堆，T1是单相调压器，T2是试验变压器，

V 是交流电压表，R0是保护电阻，R 是充电电阻，rf 是波前电阻，rt 是波尾电阻，C 是各级电容，C2是试品电容，G0是点火球隙，G 是中间球隙，G ’是隔离球隙，C11 、C12 、C13是电容分压器的高压臂电容，C20是电容分压器的低压臂电容，Z 是测量电缆的波阻抗，R1是匹配电阻（R1=Z ），CRO 是高压脉冲示波器。

由T1、T2，两个反接的D 向C 充以U0的电压，这样所有电容器C 上都充以U0的电压。点火球隙G0的放电电压设置为2U0，5个中间球隙的放电电压设置为2U0-3U0之间，此时各个球隙都不能放电。串联放电的过程开始后，在G0的接地球内部点火电极上施加一个脉冲电压，使点火电极与接地极放电，从而使G0放电。之后1点电压强制为零，由于电容电压不能突变，迫使2点电压为-2U0，加在第一个中间球隙上的电压变为4U0，球隙击穿。之后过程依次类推，到10点处电压为-10U0，隔离间隙G ’击穿，在试品上就获得了10U0的冲击电压。图中试品C2右侧为测量系统。

3.2冲击电容值的选取

试品电容最高为2000pF ，估计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约为500pF ，估计电容分压器的电容约为600pF ，则总的最大负荷电容为：

220005006003100C pF =++=

为保证电压效率，冲击电容应大于等于负荷电容的10倍，则冲击电容约为：

121031000C C pF ≥≥

3.3冲击电容型号的选取

由于回路中的电感会影响到冲击电压波形，故选用主电容时应选择固有电感小的电容器，在本设计中主电容采用脉冲电容器。用于冲击电压发生器的脉冲电容器主要型式可分为：胶纸筒型、瓷套型和金属壳型等。

胶纸筒型电容器体型细长，机械强度差，不便于采用柱式发生器结构，需要另立绝缘支架，而且这种电容器的容量不能做很大，在使用中容易受潮，故很少用于大型冲击电压发生器。