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)計班 級：姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師：一、課程設(shè)計要求：畫出沖擊電壓發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)布置圖 (含接地系統(tǒng)設(shè)計)，各主要部件或器件的型號、參數(shù)，絕緣距離與凈空 (空間布置)，各參數(shù)之間的匹配關(guān)系，波形測量系統(tǒng)等。對沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計的要求為：（1） 容性試品（2） 高效回路（3） 最大輸出電壓：800kV（4） 級數(shù)：3級以上（5） 輸出波形 1.2/50波形設(shè)計方案除分壓器本體電氣參數(shù)外，還需包含：（1） 分壓器的電阻（含線徑和材料）（2） 球隙大小和距離（3） 測量裝置（充電、放電）（4） 測量裝置抗干擾措施（5） 充電電源（各器件參數(shù)）（6） 本體、分壓器

2、、電源、測量系統(tǒng)（7） 絕緣材料、絕緣距離選?。?） 觸發(fā)器二、沖擊電壓發(fā)生器的功用及原理沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置。原先它只被用于研究電力設(shè)備遭受大氣過電壓（雷擊）時的絕緣性能，近年來又被用于研究電力設(shè)備遭受操作過電壓時的絕緣性能。所以對沖擊電壓發(fā)生器的要求，不僅能產(chǎn)生出現(xiàn)在電力設(shè)備上的雷電波形，還能產(chǎn)生操作過電壓波形。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波形陡度有關(guān)，對某些設(shè)備要采用截斷波來進(jìn)行試驗。沖擊電壓發(fā)生器要滿足兩個要求：首先要能輸出幾十萬到幾百萬伏的電壓，同時這電壓要具有一定的波形。它的原理圖如圖2。實驗變壓器T和高壓硅堆D構(gòu)成整流電源，經(jīng)過保護(hù)電阻r及充電

3、電阻R向主電容器C1 C4 充電，充電到U，出現(xiàn)在球隙g1g4上的電位差也為U，若事先把球間隙距離調(diào)到稍大于U，球隙不會放電。當(dāng)需要使沖擊機(jī)動作時，可向點火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球皮只見產(chǎn)生一小火花，引起點火球隙放電，于是電容器C1的上極板經(jīng)g1接地，點1電位由地電位變?yōu)?U。電容器C1與C2間有充電電阻R隔開，R比較大，在g1放電瞬間，點2和點3電位不可能突然改變，點3電位仍為+U，中間球隙g2上的電位差突然升到2U，g2馬上放電，于是點2電位變?yōu)?2U。同理，g3，g4也跟著放電，電容器C1C4串聯(lián)起來了，最后球隙g0也放電，此時輸出電壓為C1C4上電壓的總和，即-4U。上述一系

4、列過程可被概括為“電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電”。三、設(shè)計內(nèi)容（1） 高效回路選用高效率回路和倍壓充電，回路如下圖所示圖1 發(fā)生器的充電回路圖2 發(fā)生器的放電回路（2） 電容器的選擇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MY100-0.5高壓脈沖電容器比較合適，電容器規(guī)格如下表：型號工作電壓電容外型尺寸重量外殼MY100-0.5100kV0.5F64

5、0×300×1450335kg鐵殼用此電容器8級串聯(lián)，標(biāo)稱電壓可達(dá)到800kV，基本上滿足需要。沖擊電容：C1=0.5/8=0.0625F此值10C2 ,可使（電壓）效率不致很低。（3） 電阻（含線徑和材料）l 大小計算a) 波前電阻和波尾電阻試品電容約1000pF，負(fù)荷總電容為2100pF，波前等效回路圖3. 波前等效回路所以波前時間 求出，每級。半峰值等效回路圖4. 半峰值等效回路故半峰值時間求出，每級。b) 充電電阻和保護(hù)電阻的選擇：要求 ，得：取R5k。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200k。l 線

6、徑和材料已知，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2.5*138.21/（138.2122.788）kJ，即2.145kJ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2×22.788即45.576。每股電阻絲消耗的能量為2.145kJ/2即1.0725kJ。同樣情況，波尾電阻每股阻絲的阻值為2×138.21即276.42，每股電阻絲消耗的能量為2.5/2kJ即1.25kJ。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，

7、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，W=1.0725kJ，最后，由式（3）得 實際選0.45mm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，W=1.25kJ代入式（3）得電阻絲的直徑為，實際選0.30mm的電阻絲按相反方向并繞?？伤愕靡桓娮杞z的長度l為40.7m，實際溫升為117.1。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100kV的電壓。（4） 球隙大

8、小和距離查高電壓工程附表11球隙放電標(biāo)準(zhǔn)表得：在間隙距離為5.0cm時6.25cm球隙的放電電壓為107kV，故選6.25cm銅球，一共9對。（5） 測量裝置（充電、放電）l 充電測量裝置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。考慮二次分壓用的電阻分壓器阻值很大，其阻抗效應(yīng)可忽略。圖5 同軸電纜兩端匹配的測量回路高壓臂電容選國產(chǎn)MY5000.00012脈沖電容器較合適，其參數(shù)如表3。表3. MY5000.00012脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼

9、MY5000.000125000.00012182×115528.2膠紙殼用此種電容器一個，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=800/2=400。求出。用MY1100.022脈沖電容器組成低壓臂，其參數(shù)如表4。表4. MY1100.022脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY1100.0221100.022220×63527膠紙殼用此種電容器三級串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達(dá)（500110×3）kV830kV，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

10、際分壓比為即同軸電纜輸出端電壓 l 放電測量裝置采用電阻分壓裝置高壓臂取，低壓臂，則分壓比最終輸入示波器的電壓幅值為（1633/101）V16.2V.（6） 測量裝置抗干擾措施1. 防止空間電磁波輻射引起的干擾1） 把測試儀器裝置放在全金屬屏蔽室內(nèi)。此室用銅制成，室的門邊緣應(yīng)該有密閉措施。儀器在調(diào)試時，可以開門通風(fēng)散熱，在測壓的一瞬間把門關(guān)上。2） 分壓器的低壓臂應(yīng)裝入接地的金屬屏蔽盒中。3） 信號電纜采用雙屏蔽電纜。電纜的兩端均要用同軸插頭與分壓器和測試儀器相接。進(jìn)入全金屬屏蔽室時，也要用同軸插頭。c) 減小由電源線引入的電磁干擾1） 測量儀器通過1:1隔離變壓器供電。盡管隔離變壓器二次側(cè)繞

11、組外繞有屏蔽層，并與屏蔽室相連接，但屏蔽不可能是完全的，一、二次側(cè)繞組間有電容耦合，高頻電磁干擾波可通過隔離變壓器進(jìn)入測量儀器。2） DOS等測量儀器需要經(jīng)射頻濾波器接入電源，濾波器的濾波頻率應(yīng)從幾千赫茲到幾十兆赫茲。3） 測量儀器采用不間斷電源供電。在測試的瞬間斷開交流電源。3. 減小由信號電纜引入的電磁干擾（7） 分壓器有良好的接地。（8） 采用雙層屏蔽的同軸射頻電纜，電纜的內(nèi)外層屏蔽及電纜末端外層屏蔽接地。（9） 把上述同軸電纜套在金屬管道內(nèi)，管道兩端都接地。（10） 由分壓器到測量儀器敷設(shè)寬帶較大的金屬板作為接地連線。測量電纜應(yīng)該沿此接地連線緊靠地面敷設(shè)，使電纜外皮與接地連線構(gòu)成的回路

12、面積盡量減小。（11） 電纜外層屏蔽應(yīng)多點接地。相距1m的多點接地有利于把外層屏蔽上的電流散入大地。（12） 在電纜上加設(shè)共模抑制器，辦法是將電纜多匝地繞在鐵氧體磁芯環(huán)上。（13） 采用光導(dǎo)纖維傳遞信號。（14） 充電電源（各器件參數(shù)）主要構(gòu)成如圖1。其主要器件就是變壓器和高壓硅堆。l 充電時間的估算在保護(hù)電阻r遠(yuǎn)大于充電電阻R的情況下，充電時間約為：考慮到其他因素的影響，取充電時間為10s。l 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。標(biāo)稱能量 Wn= C1 U12/2=0.0625F×（800 kV）2/2=20kJ變壓器容量變壓器電壓所以，可選擇國產(chǎn)試驗變壓

13、器，型號為YD3/50，其參數(shù)如下表。表5. 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YD3/5030.225013.630.06l 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50kV×1.150kV105kV。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2DL10KV0.4A高壓硅堆。（15）

14、絕緣材料、絕緣距離選取絕緣支架：為了合理利用高壓試驗大廳的尺寸和進(jìn)行戶外試驗，沖擊電壓發(fā)生器采用戶內(nèi)移動式，采用氣墊移動。由于移動式對絕緣支架有一定要求，所以選用環(huán)氧筒作為絕緣支架。電極材料可以用薄金屬板或涂有金屬膜的薄玻璃纖維板。移動裝置采用氣墊式，要求載重為10t，高度不超過1m。絕緣支柱采用環(huán)氧筒，直徑20cm，高度0.9m，發(fā)生器的高度5×0.9×+1+1=7.5m。上述裝配需要一個接地電阻小于1的接地點。（16） 觸發(fā)器采用雙邊異極性同步觸發(fā)脈沖來觸發(fā)，如下圖：圖7. 觸發(fā)裝置電路圖l 實驗仿真使用Matlab進(jìn)行仿真，波形仿真電路：仿真波形：五、設(shè)計總結(jié)我感覺高電壓的課程設(shè)計比之前那些課的課程設(shè)計要難好多，而且時間比較緊，不像其他的課程設(shè)計一般有一個寒假或暑假的時間準(zhǔn)備。剛開始做這個，可以說是一點頭緒都沒有，仔細(xì)看了課本上的相關(guān)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)根本不能完成課設(shè)的所有要求。好在有學(xué)長做過的高電壓課設(shè)作參考，大致清楚了每一步的設(shè)計方法。而課設(shè)中的電容變壓器參數(shù)問題甚是讓人頭疼，網(wǎng)上基本找不到，好在我們班學(xué)委親自去圖書館查了相關(guān)書籍，列了很多型號的電容和變壓器給我們