高電壓課設設計沖擊電壓發(fā)生器

高電壓課程設計——沖擊電壓發(fā)生器高電壓課程設計——沖擊電壓發(fā)生器2名目課程設計要求 3設計原理 4沖擊電壓發(fā)生器本體輸出電壓與級數(shù)充電放電回路沖擊電容器球間隙充電回路數(shù)學分析點火裝置整流回路變壓器容量沖擊電壓測量系統(tǒng)原理電纜損耗的影響與末端的匹配衰減高壓引線的影響示波器抗干擾措施參數(shù)計算 11參考資料 15一、課程設計要求：畫出沖擊電壓發(fā)生器的總體構造布置圖(含接地系統(tǒng)設計)，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)之間的匹配關系，波形測量系統(tǒng)等。對沖擊電壓發(fā)生器設計的要求為：高效回路最大輸出電壓300～800kV級數(shù) 3級以上電阻〔含線徑和材料〕球隙大小和距離輸出波形 1.2/50波形測量裝置〔充電、放電〕測量裝置抗干擾措施充電電源〔各器件參數(shù)〕本體、分壓器、電源、測量系統(tǒng)絕緣材料、絕緣距離選取觸發(fā)器容性試品二、設計原理：一、沖擊電壓發(fā)生器本體電壓可供絕緣的沖擊耐壓或放電試驗用。輸出波形與高效回路：首先從單極沖擊電壓發(fā)生器的具體性質(zhì)來分析：為了產(chǎn)生1.2/50標準雷電沖擊波形可用的電路有如下的選擇：RR11R12R1u0C1R2C2uu0R2Cu2(c)率，他們分別為：U 2m

C1CC1

R2RR1

U 低效回路0(a)和(c)之間CU

1 U2m CC 1 2

高效回路由于該設計要求電路為高效回路，所以選擇電路〔C。即簡化后的電路為：R1C1R1C1R2C2u u0 單擊高效回路電路圖而對于多級沖擊電壓發(fā)生器一般的設計如下：簡潔的多級沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護電阻;R充電電阻;R1波頭電阻;R2波尾電阻;C主電容;C2波頭電容;G1~G4球間隙〔為了避開高電壓課程設計——沖擊電壓發(fā)生器高電壓課程設計——沖擊電壓發(fā)生器10〕rd,5Ω~25Ω。假設級nn﹒rdRd。Rd也起著調(diào)整波前時間的作用，R2會造成分壓，使輸出的電壓降低。所以有如下多級高效率沖擊電壓發(fā)生器。所以選擇如上的高效回路。多級高效率沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護電阻;R充電電阻;rt放電電阻;rf波前電阻;C2波頭電容;G1~G4球間隙rf相對較高，為高效回路。輸出電壓與級數(shù)：300～800kV3級以上，且試品為容〔如下表35kV等級的電氣設備。被試電力設備標稱電壓〔千伏〕被試電力設備標稱電壓〔千伏〕沖擊電壓發(fā)生器額定電壓〔兆伏〕350.4~0.61100.8~1.52201.8~2.73302.4~3.65002.7~4.27503.6~6.0〔表中的下限值滿足型式試驗要求，上限值供爭論試驗用〕充電放電回路：沖擊電容器紙筒、瓷套和金屬殼幾種型式?！灿诔惺苤桨l(fā)生器構造，需要另立絕緣支架。另外，這種電力電容器可貯存的能量不大，絕緣也簡潔受潮等特點。力電容器。2兆伏以下的中型電壓發(fā)生器。綜合設計的電壓等級選擇瓷殼電容器就能到達抱負的效果。充電電阻保護電阻①充電電阻充電電阻是為了使各級球隙能在足夠的沖擊過電壓作用下牢靠動作而在各級電擊電壓發(fā)生器的放電過程。沖擊電壓發(fā)生器高效回路的等值放電回路nRnrf

串聯(lián)分壓，阻的影響，分析可知每一級的波尾電阻削減到Rt≈

rtR+Rα=

=rtrt

(1?α)rt+R為了削減充電電阻對波形的影響，系數(shù)α限制在0.05～0.1的范圍內(nèi)較好。同時，為了避開充電電阻的電阻過分的影響放電回路的利用系數(shù)，R應當比rf大10～20倍。但是充電電阻并不是取的過大過小都是不好的。過大則延長充電時間減小，放電回路利用系數(shù)減低。②保護電阻起均壓的作用。球間隙擊電壓相對應?？捎汕蜷g隙放電標準表查得。壓發(fā)生器的第一級球間隙常用三電級間隙。提高球間隙工作牢靠性的幾種方法如下：承受多級球隙改進多級沖擊發(fā)生器的線路各級都承受三電極間隙各級間隙承受激光照耀本回路的分析放電電路等效回路Rd=0即可。由電路理論的學問我們可以得到如下式子U2(s)=U1d?(s2+as+b)式中a=b[C1(Rd+Rt)+C2(Rt+Rf)]b=1?[C1C2(RdRf+RdRt+RfRt)]d=RtC1b

u2(t)=U1ε[exp(s1t)?exp(s2t)]式中εs,s的表達式。1 2查表：tt(微秒)t(微秒)t(微秒)T(微秒)T(微秒)H2)λ(微秒)f t M 1 21.2 50 2.089 68.5 0.404 27.6 68.9ε00.9641tttTTf t M 1 2H=T·T2；λ=T×T；ε

波形系數(shù)1

1 2 0s=-0.014659;s=-2.4689.1u2

2的峰值設為單位值，則標準雷電沖擊波可用下式表示u2(t)=1.03725[exp(?0.014659t)?exp(?2.4689t)]tμs，等號右邊的系數(shù)為1?ε0充電回路數(shù)學分析t

=2.3RC；Uc/Um=0.9充點火裝置：

=15RC。則對多級充電回路的簡化電路有充t =15(r+8nR?π2)nC≈15(r+nR)nC充三電級球隙構造1-銅球；2-端端部有孔的銅球；3-鎢電極；4-瓷、膠木等絕緣材料在發(fā)生器的底座上。二、整流充電電源系統(tǒng)原理1〕整流回路：整流回路分為半波整流，全波整流，被壓整流。其中前兩種整流回路能獲得的最高直流電壓等于充電電源溝通電壓的幅值U，m在同樣的溝通電壓幅值U下，承受倍壓整流回路可獲得2～3倍U直流電壓。m m2)變壓器容量查閱資料有標稱試驗變壓器容量Pn

確實定公式：10-9tPn-標稱試驗變壓器容量〔kVA；kVnW-角頻率，W=2πf,f為試驗電源的頻率；C〔PF。tVk，標稱試驗電壓較低時，kn可取高一些；以以下出不同的試驗電壓V，所選用的安全系數(shù)k值，供參考：nVn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=13〕人身體安康不利。且允許通過的電流大，體積小，壽命長，結實耐用。100～150〔〕組成，而每個硅堆又由很多硅粒子〔或硅二極管〕串聯(lián)組成。里，并注入變壓器油。三、沖擊電壓測量系統(tǒng)原理沖擊分壓器與引線：沖擊分壓器的三種根本類型為：高壓臂：550kV，用電阻分壓器即可〔未加屏110~202.540?！?。近〔即減小方波響應中誤差項的幅值；其次盡可能減小從始態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)用的時間〔即減小誤差項的時間常數(shù)。具體方法有：橫補償縱補償電位補償?shù)仁狗€(wěn)態(tài)分布接近起始電位分布。RC。0.5/米。一般垂直圓柱體的2C10〔RC0.3T=RC/6=50量值的校正T，使測量結果誤差減??；再用橫補償法加裝屏蔽，把上電極做成錐形罩〔具體圖如下。H2/33/4H1.31.51.5H。低壓臂：數(shù)〔主要是寄生電感〕的阻容元件。同軸電纜的接入及對分壓比的影響：Z這里我們選用在電纜的兩端都匹配電阻的方法，這種狀況下分壓器的分壓比N=2(R+R)/R1 2 2R?R有匹配電阻R〔Z〕≈〔R+R〕1 2 4 2 3〔例如發(fā)生竄入信號或局部匹配不產(chǎn)生的反射減到很小的程度。電纜損耗的影響與末端的匹配：L衰減與畸變。對于波形的畸變總的來說衰減系數(shù)α隨fZ隨f增高而減小。Z壓比各不同。爭論結果說明，對于波阻抗為50Ω左右，電阻為0.01～0.5Ω/m的常用電纜，即可用低頻波阻抗做電纜匹配。高壓引線的影響：我們只爭論屏蔽式電阻分壓器帶高壓引線的狀況。近似計算有：T≈RdCT=L?R分析有：為了阻尼振蕩，在引線中串入阻尼電阻Rd，但串入的同時卻加大了Rd=Z，在引線首端可以消退屢次反射，而在末端不能。蔽罩和頂端之間。2〕示波器：3〕抗干擾措施：①防止空間電磁波輻射〔柜〕里。室〔柜〕最好用銅或鐵板做成，也可以用單層或雙層的金屬網(wǎng)制成。室〔柜〕的門的邊緣有密閉措施；信號電纜承受雙屏蔽電纜。測量儀器經(jīng)射頻濾波器接入電源；測量儀器承受不連續(xù)電源供電；分壓器良好接地；把上述同軸電纜套在金屬管道內(nèi)，管道兩端都接地；直接敷設使在接地的金屬板或帶之下；電纜外層屏蔽應多點接地；電纜上加設共模抑制器〔把電纜多匝繞在鐵體磁芯環(huán)上用光導纖維傳遞信號。三、參數(shù)計算額定電壓選擇：由上述分析可知該設計等下一般只能測量35kV等級的電氣設35kV185kV325k。查資料得對于高效回路放電回路的電壓利用系數(shù)η一般大于0.8，甚至可達0.9〔對于低效回路η0.7~0.80.85.1.3.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)1.1。故沖擊電壓發(fā)生器的標稱電壓應不低于：U1=325×1.3×1.1÷0.85=546.8kV產(chǎn)品試驗的要求，所以標稱電壓取為6kV。沖擊電容選擇：對35kV等級的試品〔不及大電容的一些電力變壓器容主要是沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容和試品電最大值2500pFC約為3000pF30~60nF2就足夠了。但為了增加放電效果，C1沖擊電容器選擇：查看脈沖電容器的技術參數(shù)表格，找到MY110-0.2此刻高壓脈沖電容器比較適宜，它的規(guī)格如下：型號型號MY110-0.2額定電壓〔千伏〕標稱電壓〔微法〕外形尺寸〔毫米〕1100.2Φ635×495〔公斤〕235用此種電容器5級串聯(lián)，標稱電壓可達550kV，滿足了電壓的要求。沖擊電容C1=1×0.2÷5=0.04μFC1

C1>(10~20)C2，可使沖擊電壓發(fā)生器的電壓利用率不至于很

5×0.495m=2.475m回路選擇：選擇高效回路和倍壓〔全波整流〕充電。沖擊電壓器主要參數(shù)：標稱電壓U1=1105=550kVC1=0.04μF1標稱能量Wn=C1U2?2=0.04μF×(550kV)2?2=6.05kJ1波前電阻和放電電阻：2500pF3000pFR,R,ε,ηt f從上述分析可列出1.2μs/50μs的標準雷電波形下有RfRt=0.23023×106Ω 2Rt=1596.0?0.069767Rft 為避開兩大數(shù)相減引起的計算誤差，宜先通過上述兩式求出Rt

最終得放電回路的近似計算

Rt=1585.87ΩRf=145.18Ωrt=Rt?5=317.17Ωrf=Rf?5=29.04Ω波前時間Tf=1.2μs=2.33Rf×C1C2?(C1+C2)〔考慮回路電感影響〕=2.33Rf×0.04μF×0.003μF?〔0.04μF+0.003μF〕求出

R=184.55Ωfrf=Rf?5=36.91Ω半峰值時間Tt=50μs=0.693Rt(C1+C2)=0.693Rt(0.04μF+0.003μF〕求出每級放電電阻

R=1677.79Ωtrt=Rt?5=335.56Ω不過這里我還是選取了用二元方程計算出的結果，即最終取rt=317.17Ω，rf=29.04Ω沖擊電壓發(fā)生器效率：由高效回路的電壓利用效率表達式得η=C1?〔C1+C2〕=0.04?(0.04+0.003)=0.930充電電阻和保護電阻選擇：要求C(R+rf)≥(10~20)Crt得R≥20×317.17?29.04=6314.36Ω≈6.65kΩ取R=6.65kΩ110kVrΩ。驗證充電電阻取值的合理性：α= rtrt+RR≥〔10~20〕rtα0.05～0.1代入有α=317.17?(317.17+6650)=0.046充電時間的估算：CrrR。同時還應當考慮倍壓回路t f第一個回路中的保護電阻r的作用。則有充電至0.9倍電壓時0

T =15〔r 〕×nC0充0T ≈15s充實際上還存在充電回路中C0

T充

20s。變壓器的選擇：試驗電壓與安全系數(shù)的取值關系如下：Vn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=1k3～4k=4充電回路中變壓器的容量為充充

=4.0×6.05kJ?20s=1.21kVA

Ut=1.1×55?√2≈42.78kV50kV，2kVA。硅堆選擇：考慮到縮短充電時間，充電變壓器常常提高10%的電壓，因此硅堆的反峰電壓為U =55×1.1+55=115.5kV反峰值〔效值〕來選擇硅堆額定電壓。電流的有效值是大于平均值的。In=1.21kVA?55kV?√2 =0.031A2DL-150/0.05球隙直徑選擇：第一級球隙承受三電級球隙〔如上述圖所示的構造。查表有Φ250mm40mm112kV，所以選擇Φ250mm6波前電阻和放電電阻阻絲計算：rt=317.17Ω，rf=29.04Ω，一級電容儲能為Wc1=0.5×0.2×106 ×110×1032=1.21kJ假設試品不放電時能量全部消耗在r中，試品短路放電時消耗在r中的能量t f[317.17?317.17+29.04]×1.21kJ=1.11kJ承受單線反繞法〔編織電阻〕的無感電阻構造。波前電阻的阻值為29.04Ω，電阻絲消耗的能量為1.11kJ。同理，放點電阻阻值為317.17Ω，電阻絲消耗的能量為1.21kJ。沖擊放電的過程很快，電阻絲消耗的能量按絕熱過程考慮，所消量全部轉化為電阻絲的溫度上升比照各種電阻材料覺察康銅的更好些，選擇康銅絲?？点~的密度γ為8.9g?cm3，電阻率ρ為0.48×106 Ω?m，比熱容Cm為0.417J?〔g?℃