多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、 高電壓課程設(shè)計(jì)多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)電氣與電子工程學(xué)院指導(dǎo)老師：戴玲2010年3月1日一、 設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一高效多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器，使其輸出標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形（即1.2/50us），電壓等級(jí)為330kv-800kv,級(jí)數(shù)為3級(jí)以上。二、額定電壓的選擇：為確定所要設(shè)計(jì)的沖擊電壓發(fā)生器的電壓等級(jí)，需首先明確沖擊電壓發(fā)生器電壓等級(jí)與所測(cè)試品電壓等級(jí)的關(guān)系（見(jiàn)下表）1試品電壓等級(jí)的確定：表1.沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓與被測(cè)試設(shè)備額定電壓間的關(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根據(jù)設(shè)計(jì)要求的輸出

2、電壓為300-800kV，根據(jù)上表，可以假定試品的電壓等級(jí)為66kv。2.額定電壓的確定：根據(jù)66kV設(shè)備雷電沖擊耐受電壓(峰值)表，可知變壓器類(lèi)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(zhǎng)期工作時(shí)沖擊電壓發(fā)生器會(huì)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)稱額定電壓應(yīng)不低于：由此確定沖擊電壓發(fā)生器的為660kv。三、沖擊電容的選擇：將試品電容估算為900pF，沖擊電壓發(fā)生器的對(duì)地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容估算為500pF，電容分壓器的電容估算為600pF， 則總的負(fù)荷電容：C

3、2900+500+600=2000（pF） 按沖擊電容為負(fù)荷電容的10倍估算，則沖擊電容10000pF=5C2<C1<10C2=20000（pF）從國(guó)產(chǎn)脈沖電容器的產(chǎn)品規(guī)格中找到MY110-0.2型高壓脈沖電容器比較合適，具體參數(shù)和規(guī)格如下表：表二：型號(hào) 額定電壓kv標(biāo)稱電容uF外形尺寸mm重量kgMY110-0.2110kv0.2uF635×495 瓷殼235選用此種型號(hào)電容器時(shí)，可以將所要設(shè)計(jì)的沖擊電壓發(fā)生器做成110kv一級(jí)，共6級(jí)（其中每級(jí)電容用兩個(gè)電容串聯(lián)組成，這樣即可同時(shí)滿足此沖擊電壓發(fā)生器額定電壓和沖擊電容的要求）。用此種電容器可裝成柱式結(jié)構(gòu)，總高約為3m，

4、高度適中。四、回路選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)要求要選擇高效回路，利用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的基本原理，得到合乎設(shè)計(jì)要求沖擊試驗(yàn)電壓?；芈穲D如下所示：五、沖擊電壓發(fā)生器的主要參數(shù)計(jì)算： 額定電壓： U1=110×6=660kv 沖擊電容： C1=C/5=(0.2/2)×(1/6)×=16666.7pF 能量: 六、波頭電阻和波尾電阻的計(jì)算：試品電容約900pF，負(fù)荷總電容為2000pF，波前等效回路所以波前時(shí)間 求出，每級(jí)。半峰值是等效回路故半峰值時(shí)間 求出，每級(jí)七、沖擊電壓發(fā)生器的效率計(jì)算：由公式 若考慮波形系數(shù)為0.945，則，可見(jiàn)該沖擊電壓發(fā)生器具有較高的效率，即所選參數(shù)是合

5、適的。八、充電電阻和保護(hù)電阻的選擇：要求 ，得： 取R15k。每個(gè)充電電阻值15k,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)能耐受110kv的電壓（此處充電電阻的阻值過(guò)大或者過(guò)小都是不恰當(dāng)?shù)?。過(guò)大會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，增加各級(jí)電容器的充電的不均勻性；過(guò)小則過(guò)小則各級(jí)球隙動(dòng)作不可靠，沖擊電壓波長(zhǎng)時(shí)間減小，放電回路利用系數(shù)降低）。在此基礎(chǔ)上取保護(hù)電阻r充電電阻R的40倍，則保護(hù)電阻r為600k，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)能耐受1.1×55kv=60.5kv的高壓（保護(hù)電阻不僅可以起到保護(hù)整流裝置的作用，還可以起到均壓作用）。九、充電時(shí)間的估算：因?yàn)椴捎昧吮秹撼潆娀芈罚墒降紤]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

6、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，可估計(jì)為。十、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(guó)產(chǎn)試驗(yàn)變壓器，型號(hào)為YD3/50，其參數(shù)如下表。表3.YD3/50試驗(yàn)變壓器的參數(shù)型號(hào)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YD3/5030.225013.630.06十一、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55kV×1.155kV115.5kV。硅堆的額定電流以平均電流計(jì)

7、算，實(shí)際充電電流是脈動(dòng)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。現(xiàn)只有根據(jù)充電變壓器輸出的電流（有效值）來(lái)選擇硅堆額定電流。電流的有效值是大于平均值的。 因此選用硅堆應(yīng)滿足：1.反峰電壓>115.5kv2.額定整流電流>37.3mA在此種條件要求下可以選用型號(hào)為2DL150/0.05的高壓硅堆。（參數(shù)見(jiàn)下表）表4.型號(hào)型號(hào) 型號(hào) 反峰電壓kv 反向電流uA +25度 正向壓降v 平均整流電流mA 外形尺寸mm 40度 100度 長(zhǎng) 寬 高2DL1 2DL150/0.05 150 <=10 <=120 50 20 400 30 22十二、球隙直徑的選擇：由資

8、料可知，10cm球隙在間隙距離為4.5cm時(shí)的放電電壓為115kv，因此選擇10cm銅球五對(duì)作為后五級(jí)的放電球隙，而第一級(jí)球隙采用相同放電電壓等級(jí)的三電極球隙代替。十三、波頭電阻和波尾電阻絲材料的選擇計(jì)算：已知，一級(jí)電容器儲(chǔ)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)能量的644.4/(644.4+34.6)，即0.574kJ消耗在中。如采用雙股相反繞的無(wú)感電阻結(jié)構(gòu)，則波前電阻的每股阻值為2×34.6即69.2。每股電阻絲消耗的能量為0.574/2kJ即0.287J。同樣情況，波尾電阻每股阻絲的阻值為2×644.4=1288.8，每股電阻絲消耗的能量為0.605

9、/2kJ即0.3025J。沖擊放電的過(guò)程很快，電阻絲消耗的能量可按絕熱過(guò)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(zhǎng)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0.25mm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(zhǎng)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0.14電阻絲按相反方向并繞。可算得一根電阻絲的長(zhǎng)度實(shí)際溫升用所選康銅絲兩根,并聯(lián)反繞到

10、絕緣管上即可做成波頭電阻和波尾電阻。要求匝間距離盡可能小。電阻棒的長(zhǎng)度應(yīng)使兩端間能耐受110kV的電壓。十四、測(cè)量環(huán)節(jié)沖擊分壓器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：因?yàn)樗O(shè)計(jì)的多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器輸出電壓較高，同時(shí)為得到較高的降壓比例和好的瞬變響應(yīng)特性，可以采用兩級(jí)分壓系統(tǒng)；同時(shí)為減小寄生參數(shù)的影響，此處構(gòu)成電阻分壓器的電阻絲要采用無(wú)感電阻，主要由錳銅、康銅和鎳鎘等金屬用無(wú)感繞法在絕緣板或者絕緣筒上繞制而成。 得到精確地測(cè)量結(jié)果，還要配合性能良好的低壓測(cè)試回路。由于沖擊電壓持續(xù)時(shí)間短，波形變化快，在測(cè)量回路中要考慮行波的折反射過(guò)程。為防止波在電纜上來(lái)回反射，需加裝匹配電阻（見(jiàn)下圖）。1.一次分壓器的設(shè)計(jì)：采用電容分壓器

11、分壓，使用如圖3示測(cè)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(hào)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(guó)產(chǎn)MY5000.00012脈沖電容器（可承受電壓最高）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(hào)額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY5000.000125000.00012182×115528.2膠紙殼用此種電容器三個(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

12、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(hào)額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY800.03800.03220×45519.7膠紙殼用此種電容器兩級(jí)串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達(dá)（50080×2）kV660kV，可用于測(cè)量沖擊電壓。每級(jí)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 2.二次電阻分壓器（為簡(jiǎn)單的雙電阻串聯(lián)分壓系統(tǒng)，如下圖所示）：普通雙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.另需注意的是，測(cè)量時(shí)，為防止

13、干擾，低壓回路和測(cè)量?jī)x器必須進(jìn)行良好的屏蔽，同時(shí)，測(cè)量?jī)x器的電源要通過(guò)濾波器以及帶靜電屏蔽的隔離變壓器供給。另外傳輸電纜要采用雙層屏蔽電纜，外屏蔽層與屏蔽室相連，而內(nèi)屏蔽層與測(cè)量?jī)x器的接地端連接。設(shè)計(jì)小結(jié) 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，高壓試驗(yàn)變壓器選擇，高壓硅堆的選擇，球隙直徑的選擇等。第二是沖擊電壓測(cè)量回路的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中沖擊分壓器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，包括一次分壓器的選擇和二次分壓器的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中做了較多的近似，因此不可避免地會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)誤差，原因有以下

14、幾方面：一方面是忽略了各個(gè)環(huán)節(jié)寄生電感的影響；其次是沖擊分壓器的設(shè)計(jì)，兩級(jí)分壓結(jié)構(gòu)雖然有較高的分壓比和較好的響應(yīng)特性，但也不可避免的引入了計(jì)算誤差；另外是是元器件的選取，因參考資料有限，對(duì)于一些元器件，特別是分壓器中的電容、電阻和電纜，只能在很小的范圍內(nèi)選擇，不可能做到完全匹配和恰當(dāng)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該進(jìn)行更多的參考。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到很多高電壓工程方面的知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)此次設(shè)計(jì)本人對(duì)沖擊電壓發(fā)生器的工作原理有了更為深刻的了解。本次設(shè)計(jì)的順利完成當(dāng)然離不開(kāi)老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的熱情幫助。沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、高效雷電沖擊電壓發(fā)生器由六級(jí)組成，額電壓為660kv，輸出標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形。

15、二、沖擊電容器選擇國(guó)產(chǎn)MY110-0.2型高壓脈沖電容器，具體參數(shù)見(jiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)參數(shù)表格。三、該沖擊電壓發(fā)生器采用高效回路，使放電回路具有較高的利用效率。四、該沖擊電壓發(fā)生器的波頭電阻，波尾電阻，并且選用適當(dāng)規(guī)格的康銅絲（即要同時(shí)滿足溫升和耐壓要求）做成。五、為保證該沖擊電壓發(fā)生器具有合適的充電時(shí)間（不能過(guò)大或者過(guò)?。?，保證各級(jí)電容器的充電的均勻性，同時(shí)使各級(jí)球隙動(dòng)作較為可靠，且保證放電回路的利用系數(shù)不至過(guò)低，選擇充電電阻R15k；為保護(hù)整流裝置和均壓，使保護(hù)電阻r=600k。六、該沖擊電壓發(fā)生器的充電時(shí)間估算為15s，長(zhǎng)度適中，較為恰當(dāng)。七、經(jīng)過(guò)容量和電壓的估算，確定選擇國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)變壓器，型號(hào)為YD3/50，具體參數(shù)見(jiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)參數(shù)表格。八、經(jīng)過(guò)反峰電壓和額定整定電流的估算，確定選擇型號(hào)為2DL150/0.05的高壓硅堆，具體參數(shù)見(jiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)參數(shù)表格。九、查球隙放電電壓表易確定10