高电压技术课程设计-冲击电压发生器的设计

高电压技术课程设计
——冲击电压发生器的设计
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冲击电压发生器的设计
电力系统种的高压电气设备，除了承受长时期的工作电压外，在运行过程种，还可能会承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。

一般用冲击高压试验来检验高压电气设备的雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。

雷电冲击高压试验采用全波冲击电压波形或截波冲击电压波形，这种冲击电压持续时间较短，约数微秒至数十微秒，它可以由冲击电压发生器产生；操作冲击电压试验采用操作冲击电压波形，其持续时间较长，约数百微秒至数千微秒，它利用变压器产生，也可利用冲击电压发生器产生。

许多高电压试验室的冲击电压发生器既可以产生雷电冲击电压波，也可以产生操作冲击电压波。

冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置。

雷电冲击电压波是一个很快地从零上升到峰值然后较慢地下降地单向性脉冲电压。

一.设计目标：
输出波形为1.2/50μs标准波形，回路采用高效率回路，输出电压为300～800kV，发生器级数为4～8级。

二.设计过程：
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关系
要求的输出电压为300~800kV，根据上表，可以暂定试品的电压等级为66kV。

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1.3；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1.1；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电压应不低于：
1385 1.3 1.1/0.85647
U kV kV
=⨯⨯=所以可取冲击电压发生器的标称电压为660kV 2．冲击电容的选定
如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，约1000pF ，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如估计为500pF ，电容分压器的电容如估计为600pF ，则总的负荷电容为
2(1000500600)2100C pF pF =++=
如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为
121021000C C pF ==
从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY110—0.2瓷壳高压脉冲电容器比较合适，这种电容器的规格如表3所示。

表3. MY110—0.2瓷壳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 外壳
MY110—0.2 110 0.2 Φ635×500 249 瓷壳
用此种电容器6级串联，标称电压可达到660kV ，满足前述要求，每级一个电容器，使冲击电容
(0.2/6)0.0333C F F μμ==
此值 210C >，可使（电压）效率不致很低。

3.冲击电压发生器主要参数：
标称电压：11106660U kV kV =⨯=
冲击电容：0.0333C F μ=
标称能量：22
1/20.0333660/27.26n W CU kJ kJ ==⨯=
4．回路的选择
选用高效率回路和倍压充电，回路如下图所示
5.波前电阻和波尾电阻的计算：
试品电容约1000pF ，负荷总电容为2100pF ，
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==⨯+
3.240.03330.0021/(0.0354)f R F F F μμμ=⨯⨯
求出187.5f R =Ω，每级/631.25f f r R ==Ω。

半峰值是等效回路
故半峰值时间 12500.693()0.693(0.03330.0021)t t t T s R C C R F F μμμ==+=+
求出2038t R =Ω，每级/6340t t r R ==Ω。

6.冲击电压发生器的效率：
112/()0.0333/0.03540.94C C C η=+==
此值比原估计的效率0.85高，所以所选电容是合适的。

7.充电电阻和保护电阻的选择：
要求 ()(1020)f t C R r Cr +≥: ，得：
(2034031.25)6769R ≥⨯-Ω=Ω
取R ＝10k Ω。

每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV 的电压。

如取保护电阻r 为充电电阻R 的40倍，则保护电阻r 为400k Ω。

8.充电时间的估算：
因为采用了倍压充电回路，由式2
15(8/)15()T r nR nC r nR nC π=+≈+充，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0.9倍电压时， 015(/2)T r r nR nC =++充
设0r r =，则计算得15T s ≈充。

实际上还存在充电回路中0C 的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T 充为20s 。

9.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3.0。

变压器容量＝3.02/ 3.027.26/20 2.175n W T kVA kVA ⨯⨯=⨯⨯=充
变压器电压＝1.15542.78kV kV ⨯=
所以，可选择国产试验变压器，型号为Y D —3/50，其参数如下表。

表4. Y D —3/50试验变压器的参数
10.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＝55k V ×1.1＋55kV ＝116kV 。

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。

2.175/(550.0495n I kVA kV A ==
因此，选硅堆的额定电流为0.05A 。

选择2D L —150/0.05高压硅堆。

11.球隙直径选择：
由资料可知，在间隙距离为4.5cm 时Φ10cm 球隙的放电电压为115kV ，故选Φ10cm 铜球，一共7对。

12.波前电阻和波尾电阻阻丝选择计算：
已知31.25f r =Ω，340t r =Ω，一级电容器储能为：
2632/20.50.210(11010) 1.21CU kJ kJ -=⨯⨯⨯⨯=。

假定试品不放电时能量全部消耗在t r 中，试品短路放电时的能量340/（340＋31.25）kJ ，即1.11kJ 消耗在f r 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2×31.25Ω即62.5Ω。

每股电阻丝消耗的能量为1.11/2kJ 即550J 。

同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2×340Ω即680Ω，每股电阻丝消耗的能量为1.21/2kJ 即605J 。

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28.9/g cm ，电阻率ρ为60.4810m -⨯Ωg ，比热容m C 为0.417/()J g C o
g ，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
2
04()R l d ρπ= （1）
而消耗的能量 2/4m W l d C νπθ=⨯⨯ （2）
将式（1）和式（2）消去l ，得电阻丝的直径为
[]1/4
0/()m d W R C ρνθ= （3）
首先令0262.5f R r ==Ω，550W J =，
最后，由式（3）得
[]1/4
5500.48/(8.962.50.417150)0.333d mm mm =⨯⨯⨯⨯=
实际选Φ0.35mm 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 22
0/(4)62.50.35/(40.48)12.53l R d m m πρπ==⨯⨯⨯=
实际温升可由式（2）得
24/()122.9m W l d C C θνπ︒
==
再次令02680t R r ==Ω，605W J =代入式（3）得电阻丝的直径为0.188d mm =，实际选Φ0.20mm 的电阻丝按相反方向并绕。

可算得一根电阻丝的长度l 为44.5m ，实际温升θ为116.6℃。

用所选康铜丝两根并联，并按相反方向绕到绝缘棒上，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 的电压。

13.一次分压器的设计：
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—0.00012脉冲电容器较合适，其参数如表5。

型号 额定电压 / kV 标称电容 /
µF 外形尺寸 / mm 重量 / kg 外壳
MY500—0.00012 500 0.00012 Φ182×1155 28.2 胶纸壳
用此种电容器三个并联，使高压臂
130.000120.00036C F F μμ=⨯=
由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV ，故分压比 K=660/2=330。

12123302()/2(0.00036)/(0.00036)K C C C F C F μμ==+=+
求出20.06104C F μ=。

用MY80—0.03脉冲电容器组成低压臂，其参数如表6。

表6. MY80—0.03脉冲电容器的规格
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
2(0.034/2)0.06C F F μμ=⨯=
故分压器的实际分压比为
1212()/2(0.000360.06)/0.00036335.3K C C C =+=+=
即同轴电缆输出端电压 21/(660/335.3) 1.968u U K kV kV ===
14.二次电阻分压器：
高压臂取10000H R =Ω，低压臂100L R =Ω，则分压比
2()/101H L L K R R R =+=
最终输入示波器的电压幅值为（1968/101）V ＝19.5V .
三．设计总结及感想
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，变压器的选择，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，包括一次分压器的选择和二次分压器的选择。

整个设计参照清华大学出版社的《高电压试验技术》2003年版，其中涉及的某些方面的误差，造成这些误差的原因有三个：一是没有考虑回路中电感的影响。

二是分压器的设计。

作为冲击和操作过电压两用的发生器，采用阻容串联分压器更合适，我采用的电容分压器更适合于测量操作过电压。

三是一些元器件的选取。

因为参考资料有限，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，实际设计时应该有更合适的型号。

本次设计过程涉及到很多高电压技术方面的知识，通过此次设计我对冲击电压发生器的工作原理有了比较深刻的了解，对电路方面的知识也得到了巩固。

感谢老师的指导，同学的帮助。