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

1、 高電壓技術(shù)課程設(shè)計沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計專 業(yè)： 班 級： 設(shè) 計 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)計電力系統(tǒng)種的高壓電氣設(shè)備，除了承受長時期的工作電壓外，在運行過程種，還可能會承受短時的雷電過電壓和操作過電壓的作用。一般用沖擊高壓試驗來檢驗高壓電氣設(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性能。雷電沖擊高壓試驗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；操作沖擊電壓試驗采用操作沖擊電壓波形，其持續(xù)時間較長，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)電壓都高于試驗電壓，考慮為研究試驗取裕度系數(shù)1.3；長期工作時沖擊電壓發(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和整卷電纜試驗，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為500pf，電容分壓器的電容如估計為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，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)稱電壓可達到660kv，滿足前述要求，每級一個電容器，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間 求出，每級。半峰值是等效回路故半峰值時間 求出，每級。6.沖擊電壓發(fā)生器的效率：此值比原估計的效率0.85高，所以所選電容是合適的。7.充電電阻和保護電阻的選擇：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。如取保護電阻r為充電電阻r的40倍，則保護電阻r為400k。8.充電時間的估算：因為采用了倍壓充電回路，由式，但考慮到電容c的另一側(cè)為及，它們遠小于充電電阻r。此外還應(yīng)考慮倍壓回路第一個回路中的保護電阻r的作用。充電至0.9倍電壓時， 設(shè)，則計算得。實際上還存在充電回路中的影響，它可使充電時間增加一些，可

6、估計為。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)試驗變壓器，型號為yd3/50，其參數(shù)如下表。表4. yd3/50試驗變壓器的參數(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算，實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算：已知，一級電容器儲能為：。假定試品不放電時能量全部消耗在中，試品短路放電時的能量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 實際溫升可由式（2）得 再次令，代入式（3）得電阻絲的直徑為，實際選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：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（500802）kv660kv，可用于測量沖擊電壓。每級由4個電容器并聯(lián)，使低壓臂電容 故分壓器的實際分壓比為 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)計總結(jié)及感想 沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計可分為兩個部分，第一是沖擊電壓發(fā)生器本身的設(shè)計，包括沖擊電容的選定，波前電阻和波尾電阻的計算，充電電阻和保護電阻的選定，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，包括一次分壓器的選擇和二次分壓器的選擇。整個設(shè)計參照清華大學(xué)出版社的高電壓試驗技術(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：一是沒有考慮回路中電感的影響。二是分壓器的設(shè)計。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