沖擊電壓發(fā)生器

1、高電壓技術課程設計姓名：賴智鵬學號：U200811806班級：電氣0809班郵箱：沖擊電壓發(fā)生器的設計一、引言沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，在電力系統(tǒng)中主要用于研究電力設備遭受大氣過電壓和操作過電壓時的絕緣性能。本文是高電壓技術課程的課程設計，參考相關文獻完成了沖擊電壓發(fā)生器設計，了解了該裝置基本原理、設計流程、注意事項等。二、設計過程1. 最大輸出電壓300800kV2. 沖擊電容為保證沖擊電壓發(fā)生器有較大適用范圍，考慮試驗可能遇到的最大的試品電容（不考慮大電力變壓器和整卷電纜試驗的情況）（1）試品中互感器電容最大，約1000pF（2）沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線

2、及球隙等的電容估計值取500pF（3）電容分壓器（分壓器采用電容式分壓器）的電容估計值取600pF由此得出，總的負荷電容約為為保證發(fā)生器有足夠高的效率，同時兼顧經(jīng)濟性，沖擊電容取負荷電容10至20倍，則沖擊電容為3. 電容器的選擇型號MY1100.2脈沖電容器參數(shù)如下表型號額定電壓（kV）標稱電容（pF）外形尺寸（mm）重量（kg）適用范圍MY110-0.2110200000瓷殼249沖擊電壓發(fā)生器需滿足兩個要求：（1）電壓發(fā)生器額定電壓要求：300800kV（2）沖擊電容要求：2100031500pF采用MY1100.2脈沖電容器，7級串聯(lián)，此時沖擊電壓發(fā)生器串聯(lián)放電時，峰值電壓約為770k

3、V滿足（300800kV），且沖擊電容為200000/7=28571滿足（2100031500pF）4. 回路選擇采用高效回路，單邊充電。圖 1 高效回路上圖中C為型號MY110-0.2脈沖電容器， R為充電電阻，r為保護電阻（同時起均壓作用，使電容充電比較均勻），大小取10R，rf為波頭電阻，rt為波尾電阻?；芈坊喖暗刃缦聢D圖 2 等效回路充電測量：毫安表測量充電電流，微安表與大電阻串聯(lián)測量充電電壓。圖 3 充電回路電參數(shù)測量5. 沖擊電壓發(fā)生器主要參數(shù)（1）額定電壓U1=7*110=770kV（2）沖擊電容C1=200000/7=28571pF（3）能量W=1/2*0.028571*1

4、0-6*(770*103)2= 8.4699e+003J=8.47kJ6. 波頭電阻和波尾電阻計算假定（1）試品電容為1000pF（2）負荷電容為2100pF則由于波前時間等效回路：圖 4 波前時間等效回路：波頭長得， 波長時間等效回路圖 5 波長時間等效回路：波長時間得，7. 充電電阻和保護電阻阻值計算及電阻材料的選擇下圖為充電回路內(nèi)部環(huán)流，為減小充電回路內(nèi)部放電回路對沖擊電壓發(fā)生器放電回路的影響，要求R+rf>1020rt。圖 6 充電回路內(nèi)部RC回路環(huán)流（1） 充電電阻R>20*337.5-27=6723歐姆，取10千歐，結構長度應能承受110kV電壓。由于高效回路發(fā)生球隙放

5、電不同步等異常時，電容的能量都將從波頭和波尾電阻釋放（由于充電電阻R遠大于波頭波尾電阻），所以一般情況下充電電阻不存在過熱的危險，故電阻的制作只需考慮絕緣的問題。圖 7 無感電阻繞制采用雙股反繞的無感電阻結構，則波尾電阻每股阻值20kohms。采用電阻率較大的鎳鉻絲繞制。線徑取0.050mm，截面積0.001964mm2，每米電阻555ohms，則電阻絲長度為20000/555=20.036m。選外徑為80mm，壁厚為3mm的環(huán)氧絕緣筒來繞電阻絲。為使電阻絲承受最大沖擊電壓時，匝間和表面不放電，根據(jù)1mm極板間隙放電電壓為1kV，則絕緣筒上來繞電阻絲的槽的直徑選為0.1mm。由絕緣筒截面周長約

6、為250mm。波前電阻絲所繞圈數(shù)20036/250= 80圈，故80圈電阻絲之間承受電壓110/80=1.375kV/圈，故電阻絲間距必須大于1.375mm，取1.4mm，則繞制波前電阻絲的絕緣筒長度為。（2） 保護電阻r取為40R=400kohms，結構長度應能承受1.1*110=121kV電壓。保護電阻亦不需考慮過熱的問題，而只需考慮絕緣問題，采用雙股反繞的無感電阻結構，則波尾電阻每股阻值800kohms。采用電阻率較大的鎳鉻絲繞制。線徑取0.020mm，截面積0.000314mm2，每米電阻3470ohms，則電阻絲長度為800000/3470=230.548m。選外徑為300mm，壁厚

7、為5mm的環(huán)氧絕緣筒來繞電阻絲。為使電阻絲承受最大沖擊電壓時，匝間和表面不放電，根據(jù)1mm極板間隙放電電壓為1kV，則絕緣筒上來繞電阻絲的槽的直徑選為0.1mm。由絕緣筒截面周長約為942mm。波前電阻絲所繞圈數(shù)230548/942= 245圈，故245圈電阻絲之間承受電壓為110*1.1/245=0.494kV/圈，故電阻絲間距必須大于0.494mm，取0.5mm，則繞制波前電阻絲的絕緣筒長度為。8. 沖擊發(fā)生器效率9. 充電時間估算非高效充電回路可作下列等效處理，由于是整流電壓充電故充電時間較直流電壓要長，T充=15rnC。（高效回路應有類似結論，下面直接用此結論）由等效電路估算，7個11

8、0kV電容器串聯(lián) ，90%充電時間約為t=15rnC=15*400*103*7*0.2*10-6=8.4s10. 硅堆選擇短時最大充電電流=按有效值選硅堆的額定整流電流=硅堆反峰電壓=選用硅堆：反峰電壓>231kV，額定整流電流=100mA查表得型號為“2DL 250/0.1 浸油”硅堆參數(shù)如下型號反向工作峰值電壓Ur/kV反向漏電25/A正向壓降/V平均整流電流If/A外形尺寸/mm2DL 250/0.1 浸油250102000.1L=800;D=25;H=35故可選用“2DL 250/0.1 浸油”硅堆。11. 變壓器選擇容量計算電壓有效值=故可選全絕緣變壓器：YD型100kV/10

9、kVA12. 球隙和觸發(fā)器的選擇及球隙放電同步性球隙：250mm在球隙距離為40mm時放電電壓為112kV（略大于110kV），故選取7個直徑250mm的銅球。點火球隙和觸發(fā)裝置：圖 8 點火球隙和點火發(fā)生裝置實際上當?shù)谝患壡蛳斗烹姾?，由于球隙間等效電容、充電電容和雜散電容三者分壓，以及回路中充電電阻、波前、波尾電阻對電壓分布的影響，球隙的電壓將比理想值要小，故可能引起放電不同步，為改善球隙放電同步性將沖擊電壓發(fā)生器球隙排在一垂線上，后一級球隙放電可利用前一級放電時產(chǎn)生的紫外線。13. 波頭電阻和波尾電阻的計算及選擇已知rf=27.0ohms；rt=337.5ohms，一級電容器儲能為為保證電

10、阻不至于因發(fā)熱而燒壞，考慮電容rf、rt上可能消耗的最大能量，從而選擇電阻材料（康銅絲）和結構。名稱主要成分%電阻率（20）電阻溫度系數(shù)（）最高工作溫度（）平均熱容康銅（8.9g/）Ni（39-41）Mn(1-2)Cu(余量)04855000.1電阻最高溫升為150，電阻絲長為L(m)，截面積為A()（1） 試品不放電時，全部能量消耗在rt，即1.21kJ采用雙股反繞的無感電阻結構，則波尾電阻每股阻值2*237.5=475ohms，消耗能量1.21/2=0.605kJ。沖擊放電時間極短，故電阻上消耗能量的過程看作是絕熱過程，能量全部轉化為電阻溫升。（注：下式是參照清華大學張仁豫教授的高電壓試驗

11、技術第一版的結論而列寫的，其中的系數(shù)0.24我也未理解其含義，而且在該書第二版中該系數(shù)也被不存在，個人也傾向于第二版的結論，但這里仍按第一版的結論計算）解得：L=46. 3964m，A=0.0469mm選擇與上述值最接近的電阻絲，線徑0.250mm，截面積0.0491，9.78ohms/m，應取長度L=475/9.78=48.57m，可得此時實際溫升137<150，符合要求。（2） 試品放電時，rt、rf的分流作用導致電容能量的，即0.8979*1.21=1.0865kJ，消耗在rf。采用雙股反繞的無感電阻結構，則波尾電阻每股阻值2*27=54ohms，消耗能量1.0865/2=0.54

12、32kJ。（注：下式是參照清華大學張仁豫教授的高電壓試驗技術第一版的結論而列寫的，其中的系數(shù)0.24我也未理解其含義，而且在該書第二版中該系數(shù)也被不存在，個人也傾向于第二版的結論，但這里仍按第一版的結論計算）解得：L= 10.4814m，A= 0.0932mm2選擇截面積0.0962，線徑0.350mm，4.99ohms/m，應取長度L=54/4.99= 10.82m，可得此時實際溫升141<150，符合要求。（3） 絕緣筒的選擇波頭電阻絕緣筒：選外徑為50mm，壁厚為3mm的環(huán)氧絕緣筒來繞電阻絲。為使電阻絲承受最大沖擊電壓時，匝間和表面不放電，根據(jù)1mm極板間隙放電電壓為1kV，則絕緣

13、筒上來繞電阻絲的槽的直徑選為1mm。由絕緣筒截面周長約為157mm。波前電阻絲所繞圈數(shù)10481.4/157= 67圈，故67圈電阻絲之間承受電壓為110/67=1.6418kV/圈，故電阻絲間距必須大于1.7mm，取1.7mm，則繞制波前電阻絲的絕緣筒長度為。波尾電阻絕緣筒：選外徑為80mm，壁厚為3mm的環(huán)氧絕緣筒來繞電阻絲。為使電阻絲承受最大沖擊電壓時，匝間和表面不放電，根據(jù)1mm極板間隙放電電壓為1kV，則絕緣筒上來繞電阻絲的槽的直徑選為1mm。由絕緣筒截面周長約為250mm。波尾電阻絲所繞圈數(shù)46396.4/250=185.6=186，圈絕緣必須大于110/186=0.5914kV/

14、圈，取0.6，故繞制波尾電阻的絕緣筒長度為14. 分壓器的選擇（1）采用電容式分壓器,考慮到前文中估算負荷電容時將電容分壓器的電容估計為600pF,所以電容分壓器除考慮分壓比外，還需考慮其等效電容值，選用集中式電容分壓器。示波器選擇：SBGM-2.5kV由于沖擊電壓峰值約700kV,而示波器輸入電壓約為2.5kV,故分壓比可選擇為500:1，則，即C2=499C1等效電容為600pF，則所以，（2）考慮阻抗匹配如下圖，其中Z為電纜波阻抗，匹配電阻R1、R2大小等于Z。脈沖波第一次進入電纜線時，波大小為，而示波器可等效為一電容，其電容值很小，故波在此處發(fā)生全反射，使末端電壓為，而此反射波到達R1

15、時由于R1=Z故不發(fā)生反射，這樣就實現(xiàn)了阻抗匹配。圖 9 沖擊電壓測量裝置阻抗匹配15. 容性試品前文在估算容性試品電容值時，假設了可能選取的最大情況，即互感器1000pF（不考慮整卷電纜線的情況），而充電電容的電容量是按照這個值進行計算的，所以對電容小于1000pF的試品此裝置均可滿足要求，而實際試驗時為滿足波形的要求，可補償一電容器使等效負荷電容為1000pF。關于該沖擊電壓發(fā)生器的不同試驗試品所能達到的電壓等級可參看GB 311-64。16. 沖擊電壓發(fā)生器結構設計考慮到級數(shù)為7為奇數(shù)，為保證空間對稱性從而雜散參數(shù)對稱，故采用單柱柱式結構。圖 10 沖擊電壓發(fā)生器柱式結構17. 測量裝置

16、的抗干擾圖 11 沖擊電壓發(fā)生器各系統(tǒng)位置關系（1）分壓器與試品間為避免相互的電場及電磁場的干擾影響，兩者必須相距一定的距離。（2）測量儀表必須遠離高壓試區(qū)外，同時應放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他嚴密的防干擾及反擊措施.（3）為了消除記錄儀器與高壓試區(qū)間的強電場和電磁干擾及安全事故，須采取幾十米長的射頻同軸電纜，從分壓器下端把電壓信號引至記錄儀器。（4）同軸電纜的外層屏蔽層良好接地，屏蔽靜電場，防止靜電場對內(nèi)導體的作用。在實驗室內(nèi)擊穿放電時，會產(chǎn)生很大的振蕩的短路電流，若僅用簡單的導線作為接地回路，不可能使電壓降減至很小。為了減小阻抗應采用高導電材料的銅或鋁制成的大金屬板。許多近期

17、建造的高壓實驗室把這種接地回路與整個法拉第籠焊接在一起，使之構成全屏蔽的實驗室。在較老的實驗室里，至少應采用較寬的金屬帶來組成接地回路。二、實驗仿真按設計過程有沖擊電壓發(fā)生器性能參數(shù)如下：90%充電時間：8.4s沖擊發(fā)生器效率：93.2%輸出波形1.2/50s1.充電時間仿真采用Multisim仿真，電路如下圖：圖 12 充電回路Multisim電路仿真以最后一級電容器充電完成時間作為充電回路充電時間，將數(shù)據(jù)導入Matlab做出圖形如下。圖 13 沖擊電壓發(fā)生器充電過程（最后一級電容器電壓）由上圖知90%充電時間為8.026s，而理論充電時間8.4s時充電，9.963e4/110e3=90.6

18、%=91%，與理論值吻合。2沖擊發(fā)生器效率與沖擊波形仿真電路如下圖 14 沖擊電壓發(fā)生器放電回路仿真圖 15 沖擊電壓仿真波形計算波頭圖 16 沖擊電壓波波頭時間計算Tf=t2-t1=0.9007-(-0.1906)=1.0913s=1.2s+9%（符合標準）計算波長圖 17 沖擊電壓波長時間計算波長Tt=t3-t1=52.5-(-0.1906)=52.7s=50s +5%（符合標準）效率，而估算值為92.3%，相差不大。三、結束語本次課程設計主要參考了清華大學張仁豫教授主編的高電壓試驗技術第一版，根據(jù)書中的介紹完成了發(fā)生器參數(shù)的計算和相關元件型號的選擇。其次還參考了林福昌老師編著的高電壓工程，以及其他一些文獻，在此對作者表示感謝。此外還要謝謝老師和同學的幫助。本次課程設計總體來說不是很滿意，其中關于觸發(fā)器的選擇、沖擊電壓發(fā)生器的絕緣、發(fā)生器各結構間的空間布置沒有做認真的論述，一方面這與手中資源有限和檢索方式落后有關，而也存在自身的原因。當然工程設計設計很廣泛的知識，要考慮的問題很多，而現(xiàn)階段我也不可能考慮的很全面。當然這次課設還是有很大收獲的，首先對沖擊電壓發(fā)生器的工作原理有了更深的理解，結合高電壓技術和電路理論的知識能分析發(fā)生器基本電路及某些等效電路工作狀態(tài)；