高電壓技術(shù)課程設(shè)計(jì)——沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、 高電壓技術(shù)課程設(shè)計(jì)沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)專 業(yè)： 班 級： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號： lizhiwei 指導(dǎo)老師： 電氣與電子工程學(xué)院沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)種的高壓電氣設(shè)備，除了承受長時(shí)期的工作電壓外，在運(yùn)行過程種，還可能會承受短時(shí)的雷電過電壓和操作過電壓的作用。一般用沖擊高壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)高壓電氣設(shè)備的雷電過電壓和操作過電壓作用下的絕緣性能或保護(hù)性能。雷電沖擊高壓試驗(yàn)采用全波沖擊電壓波形或截波沖擊電壓波形，這種沖擊電壓持續(xù)時(shí)間較短，約數(shù)微秒至數(shù)十微秒，它可以由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生；操作沖擊電壓試驗(yàn)采用操作沖擊電壓波形，其持續(xù)時(shí)間較長，約數(shù)百微秒至數(shù)千微秒，它利用變壓器產(chǎn)生，也可利用沖擊電壓發(fā)生

2、器產(chǎn)生。許多高電壓試驗(yàn)室的沖擊電壓發(fā)生器既可以產(chǎn)生雷電沖擊電壓波，也可以產(chǎn)生操作沖擊電壓波。沖擊電壓發(fā)生器是產(chǎn)生沖擊電壓波的裝置。雷電沖擊電壓波是一個(gè)很快地從零上升到峰值然后較慢地下降地單向性脈沖電壓。一.設(shè)計(jì)目標(biāo)： 輸出波形為1.2/50s標(biāo)準(zhǔn)波形，回路采用高效率回路，輸出電壓為300800kv，發(fā)生器級數(shù)為48級。二.設(shè)計(jì)過程：1試品電壓等級的確定表1.沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓與被測試設(shè)備額定電壓間關(guān)系試品額定電壓 / kv35110220330500沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓 / mv0.40.60.81.51.82.72.43.62.74.2要求的輸出電壓為300800kv，根據(jù)上表，可以暫

3、定試品的電壓等級為66kv。根據(jù)66kv設(shè)備雷電沖擊耐受電壓(峰值)表，可知變壓器類設(shè)備的內(nèi)絕緣的耐受電壓最高，為385kv，擊穿電壓和閃絡(luò)電壓都高于試驗(yàn)電壓，考慮為研究試驗(yàn)取裕度系數(shù)1.3；長期工作時(shí)沖擊電壓發(fā)生器會發(fā)生絕緣老化，考慮老化系數(shù)取1.1；假定沖擊電壓發(fā)生器的效率為85%，故沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓應(yīng)不低于：所以可取沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓為660kv2沖擊電容的選定如不考慮大電力變壓器試驗(yàn)和整卷電纜試驗(yàn)，就數(shù)互感器的電容較大，約1000pf，沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容如估計(jì)為500pf，電容分壓器的電容如估計(jì)為600pf，則總的負(fù)荷電容為 如按沖擊電容

4、為負(fù)荷電容的10倍來估計(jì)，約需沖擊電容為 從國產(chǎn)脈沖電容器的產(chǎn)品規(guī)格中找到my1100.2瓷殼高壓脈沖電容器比較合適，這種電容器的規(guī)格如表3所示。表3. my1100.2瓷殼高壓脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓 / kv標(biāo)稱電容 / f外形尺寸 / mm重量 / kg外殼my1100.21100.2635500249瓷殼用此種電容器6級串聯(lián)，標(biāo)稱電壓可達(dá)到660kv，滿足前述要求，每級一個(gè)電容器，使沖擊電容 此值 ，可使（電壓）效率不致很低。3.沖擊電壓發(fā)生器主要參數(shù)：標(biāo)稱電壓：沖擊電容：標(biāo)稱能量：4回路的選擇選用高效率回路和倍壓充電，回路如下圖所示5.波前電阻和波尾電阻的計(jì)算：試品電容約1000

5、pf，負(fù)荷總電容為2100pf，波前等效回路所以波前時(shí)間 求出，每級。半峰值是等效回路故半峰值時(shí)間 求出，每級。6.沖擊電壓發(fā)生器的效率：此值比原估計(jì)的效率0.85高，所以所選電容是合適的。7.充電電阻和保護(hù)電阻的選擇：要求 ，得： 取r10k。每根充電電阻的結(jié)構(gòu)長度應(yīng)能耐受110kv的電壓。如取保護(hù)電阻r為充電電阻r的40倍，則保護(hù)電阻r為400k。8.充電時(shí)間的估算：因?yàn)椴捎昧吮秹撼潆娀芈罚墒?，但考慮到電容c的另一側(cè)為及，它們遠(yuǎn)小于充電電阻r。此外還應(yīng)考慮倍壓回路第一個(gè)回路中的保護(hù)電阻r的作用。充電至0.9倍電壓時(shí)， 設(shè)，則計(jì)算得。實(shí)際上還存在充電回路中的影響，它可使充電時(shí)間增加一些，可

6、估計(jì)為。9.變壓器選擇：考慮倍壓充電回路所需的容量，加大安全系數(shù)到3.0。變壓器容量變壓器電壓所以，可選擇國產(chǎn)試驗(yàn)變壓器，型號為yd3/50，其參數(shù)如下表。表4. yd3/50試驗(yàn)變壓器的參數(shù)型號規(guī)格額定容量 / kva額定電壓 / kv額定電流 / a輸入輸出輸入輸出yd3/5030.225013.630.0610.高壓硅堆選擇：為了縮短充電時(shí)間，充電變壓器應(yīng)該提高10的電壓，因此硅堆的反峰電壓55kv1.155kv116kv。硅堆的額定電流以平均電流計(jì)算，實(shí)際充電電流是脈動的，充電之初平均電流較大，選擇硅堆用的平均電流難以計(jì)算?，F(xiàn)只有根據(jù)充電變壓器輸出的電流（有效值）來選擇硅堆額定電流。電

7、流的有效值是大于平均值的。 因此，選硅堆的額定電流為0.05a。選擇2dl150/0.05高壓硅堆。11.球隙直徑選擇：由資料可知，在間隙距離為4.5cm時(shí)10cm球隙的放電電壓為115kv，故選10cm銅球，一共7對。12.波前電阻和波尾電阻阻絲選擇計(jì)算：已知，一級電容器儲能為：。假定試品不放電時(shí)能量全部消耗在中，試品短路放電時(shí)的能量340/（34031.25）kj，即1.11kj消耗在中。如采用雙股相反繞的無感電阻結(jié)構(gòu)，則波前電阻的每股阻值為231.25即62.5。每股電阻絲消耗的能量為1.11/2kj即550j。同樣情況，波尾電阻每股阻絲的阻值為2340即680，每股電阻絲消耗的能量為1

8、.21/2kj即605j。沖擊放電的過程很快，電阻絲消耗的能量可按絕熱過程考慮，所消耗的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杞z溫度的升高。如所采用的電阻絲為康銅絲，康銅絲的密度為，電阻率為，比熱容為，電阻允許最高溫升為150。令電阻絲長度為l/m，直徑為d/mm，則可得 （1）而消耗的能量 （2）將式（1）和式（2）消去l，得電阻絲的直徑為 （3）首先令，最后，由式（3）得 實(shí)際選0.35mm的電阻絲兩根，并按相反方向并繞。由式（1）得其中一根阻絲的長度為 實(shí)際溫升可由式（2）得 再次令，代入式（3）得電阻絲的直徑為，實(shí)際選0.20mm的電阻絲按相反方向并繞。可算得一根電阻絲的長度l為44.5m，實(shí)際溫升為11

9、6.6。用所選康銅絲兩根并聯(lián)，并按相反方向繞到絕緣棒上，要求匝間距離盡可能小。電阻棒的長度應(yīng)使兩端間能耐受110kv的電壓。13.一次分壓器的設(shè)計(jì)：采用電容分壓器分壓，使用如圖3示測量回路。同軸電纜輸出端電壓設(shè)為2kv，然后經(jīng)電阻分壓器二次分壓，把信號電壓輸入示波器?？紤]二次分壓用的電阻分壓器阻值很大，其阻抗效應(yīng)可忽略。高壓臂電容選國產(chǎn)my5000.00012脈沖電容器較合適，其參數(shù)如表5。表5. my5000.00012脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓 / kv標(biāo)稱電容 / f外形尺寸 / mm重量 / kg外殼my5000.000125000.00012182115528.2膠紙殼用此種電容器

10、三個(gè)并聯(lián)，使高壓臂 由于設(shè)同軸電纜輸出端電壓幅值為2kv，故分壓比 k=660/2=330。 求出。用my800.03脈沖電容器組成低壓臂，其參數(shù)如表6。表6. my800.03脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓 / kv標(biāo)稱電容 / f外形尺寸 / mm重量 / kg外殼my800.03800.0322045519.7膠紙殼用此種電容器兩級串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達(dá)（500802）kv660kv，可用于測量沖擊電壓。每級由4個(gè)電容器并聯(lián)，使低壓臂電容 故分壓器的實(shí)際分壓比為 即同軸電纜輸出端電壓 14.二次電阻分壓器：高壓臂取，低壓臂，則分壓比 最終輸入示波器的電壓幅值為（1968/101）v19.5v.三設(shè)計(jì)總結(jié)及感想 沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)部分，第一是沖擊電壓發(fā)生器本身的設(shè)計(jì)，包括沖擊電容的選定，波前電阻和波尾電阻的計(jì)算，充電電阻和保護(hù)電阻的選定，波前電阻和波尾電阻阻絲選擇，變壓器的選擇，高壓硅堆的選擇，球隙直徑的選擇等。第二是沖擊電壓測量回路的設(shè)計(jì)，包括一次分壓器的選擇和二次分壓器的選擇。整個(gè)設(shè)計(jì)參照清華大學(xué)出版社的高電壓試驗(yàn)技術(shù)2003年版，其中涉及的某些方面的誤差，造成這些誤差的原因有三個(gè)：一是沒有考慮回路中電感的影響。二是分壓器的設(shè)計(jì)。作為沖擊和操作過電壓兩用的發(fā)生器，采用阻容串聯(lián)分壓器更合適，我采用