高电压课设设计冲击电压发生器.doc

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1、,目录课程设计要求.3设计原理.4冲击电压发生器本体输出波形与高效回路输出电压与级数充电放电回路冲击电容器充电电阻保护电阻球间隙放电回路数学分析充电回路数学分析点火装置整流充电电源系统原理整流回路变压器容量高压硅整流器冲击电压测量系统原理冲击分压器与引线高压臂低压臂同轴电缆的接入及对分压比的影响电缆损耗的影响与末端的匹配 衰减 波阻的变化对分压比和匹配的影响高压引线的影响示波器抗干扰措施参数计算.11参考资料.15一、课程设计要求：画出冲击电压发生器的总体结构布置图 (含接地系统设计)，各主要部件或器件的型号、参数，绝缘距离与净空 (空间布置)，各参数之间的匹配关系，波形测量系统等。对冲击电压

2、发生器设计的要求为：（1） 高效回路（2） 最大输出电压 300800kV（3） 级数 3级以上（4） 电阻（含线径和材料）（5） 球隙大小和距离（6） 输出波形 1.2/50波形（7） 测量装置（充电、放电）（8） 测量装置抗干扰措施（9） 充电电源（各器件参数）（10） 本体、分压器、电源、测量系统（11） 绝缘材料、绝缘距离选取（12） 触发器（13） 容性试品二、设计原理：一、冲击电压发生器本体冲击电压发生器是产生冲击电压和操作冲击电压的一种发生装置。产生的冲击电压可供绝缘的冲击耐压或放电试验用。1） 输出波形与高效回路：首先从单极冲击电压发生器的具体性质来分析：为了产生1.2/50标

3、准雷电冲击波形可用的电路有如下的选择： (c)可产生雷电波形的电路由电路理论的基础知识可以推导出三个电路的电源的电压在输出端的利用率，他们分别为：a) 低效回路b) 效率介于(a)和(c)之间c) 高效回路 由于该设计要求电路为高效回路，所以选择电路（C）。即简化后的电路为：单击高效回路电路图而对于多级冲击电压发生器一般的设计如下：简单的多级冲击电压发生器电路图图中Ro保护电阻;R充电电阻;R1波头电阻;R2波尾电阻;C主电容;C2波头电容;G1G4球间隙这种多级冲击电压发生器采用的是波前电阻和放点电阻集中放置的方式。在这种电路中常常为了防止杂散电感和对地分布的杂散电容引起高频振荡（为了避免冲

4、击波前波形不光滑）在电路中分布放置了阻尼电阻rd,一般为525。若级数为n，则阻尼电阻的串联总值nrd称为Rd。Rd也起着调节波前时间的作用，但在放电时，它与R2会造成分压，使输出的电压降低。所以有如下多级高效率冲击电压发生器。所以选择如上的高效回路。多级高效率冲击电压发生器电路图图中Ro保护电阻;R充电电阻;rt放电电阻;rf波前电阻; C2波头电容;G1G4球间隙在这种设计中，分布放置的波前电阻rf兼起着阻尼电阻的作用，所以输出的电压相对较高，为高效回路。2） 输出电压与级数：由于设计的要求是最大输出电压在300800kV间，级数3级以上，且试品为容性的，由冲击电压发生器的额定电压与被试电

5、力设备的标称电压之间的大致关系（如下表），可得试品应为35kV等级的电气设备。被试电力设备标称电压（千伏）冲击电压发生器额定电压（兆伏）350.40.61100.81.52201.82.73302.43.65002.74.27503.66.0（表中的下限值满足型式试验要求，上限值供研究实验用）3） 充电放电回路：a) 冲击电容器对于冲击电压器最好采用专用的电感小的脉冲电容器。脉冲电容器一般分为胶纸筒、瓷套和金属壳几种型式。胶纸筒电容器很少用于大型冲击电压发生器，它体型细长，机械强度差（不便于采用柱式发生器结构），需要另立绝缘支架。另外，这种电力电容器可贮存的能量不大，绝缘也容易受潮等特点。金属

6、壳电容器的电压和容量都能做得很大，大型冲击电压发生器都采用这种电力电容器。瓷壳电容器具有很高的机械强度和良好的绝缘性能，很适用于柱式发生器结构。但其能量也不能做得太大，所以这种结构多用于2兆伏以下的中型电压发生器。综合设计的电压等级选择瓷壳电容器就能达到理想的效果。b) 充电电阻保护电阻充电电阻充电电阻是为了使各级球隙能在足够的冲击过电压作用下可靠动作而在各级电容器之间连入的。充电电阻不仅影响冲击电压发生器的充电过程，而且也影响冲击电压发生器的放电过程。冲击电压发生器高效回路的等值放电回路从高效回路的等值放电回路可以看出，充电电阻nR与波头电阻nrf串联分压，致使充电电阻既减少了波长时间，又减

7、低了放电回路的利用系数。考虑到充电电阻的影响，分析可知每一级的波尾电阻减少到RtrtRrt+R=rt(1-)=rtrt+R为了减少充电电阻对波形的影响，系数限制在0.050.1的范围内较好。 同时，为了避免充电电阻的电阻过分的影响放电回路的利用系数，R应该比rf大1020倍。但是充电电阻并不是取的过大过小都是不好的。过大则延长充电时间，增加各级电容器的不均性；过小则各级球隙间动作不可靠，冲击电压波长时间减小，放电回路利用系数减低。保护电阻保护电阻一般为几百千欧。同时为了使电容器上充电比较均匀，一般选择保护电阻r的阻值比R大一个数量等级，这样保护电阻不仅起保护整流装置的作用，还起均压的作用。c)

8、 球间隙冲击点发生器的球隙采用空心铜球或铝球。球径和最大球间隙距离应与最大冲击电压相对应。可由球间隙放电标准表查得。 所有球间隙由一电动传动机构统一驱动，球间隙距离应能均匀调节。为了确保冲击电压发生器各级球间隙可靠动作，各级球间隙的距离应配合得当。在布置各球间隙时，应能使前一级球间隙放电时的紫外线能照射到下一级球间隙。冲击电压发生器的第一级球间隙常用三电级间隙。 提高球间隙工作可靠性的几种方法如下：1. 采用多级球隙2. 改进多级冲击发生器的线路3. 各级都采用三电极间隙4. 各级间隙采用激光照射d) 放电回路数学分析本回路的分析 放电电路等效回路上图为冲击电压发生器的放点电路的等效图，对于高

9、效回路，只要令Rd=0即可。由电路理论的知识我们可以得到如下式子U2s=U1d(s2+as+b)式中 a=bC1Rd+Rt+C2(Rt+Rf) b=1C1C2(RdRf+RdRt+RfRt) d=RtC1b上式经过反变换有u2t=U1exps1t-exp(s2t)式中称为回路系数，其大小与所采用的回路参数值有关。再由根与系数的关系可得出s1,s2的表达式。查表：tf(微秒)tt(微秒)tM(微秒)T1(微秒)T2(微秒)H(微秒2)(微秒)01.2502.08968.50.40427.668.90.9641tf视在波头时间；tt视在波尾时间；tM理论波头时间；T1波尾时间常数；T2波头时间常数

10、；H=T1T2；=T1T2；0波形系数还查得s1=-0.014659;s2=-2.4689.若输出电压u2的峰值设为单位值，则标准雷电冲击波可用下式表示u2t=1.03725exp-0.014659t-exp(-2.4689t)式中t的单位为s，等号右边的系数为10e) 充电回路数学分析当回路是由整流电压充电时，它的充电时间比直流电压充电慢得多。若直流电压充电到Uc/Um=0.9，需要充电时间t充=2.3RC；若用整流电压充电到Uc/Um=0.9则需要充电时间t充=15RC。则对多级充电回路的简化电路有t充=15r+8nR2nC15(r+nR)nC4） 点火装置：三电级球隙结构1-铜球；2-端

11、端部有孔的铜球；3-钨电极；4-瓷、胶木等绝缘材料 发生器的点火触发是通过触发最下一级的球隙使之放电而完成的。因此最下一级的球隙被设计成三间隙结构。触发脉冲是由一个高电平，快速变化的脉冲电压。它是由点火脉冲放大器产生的。一个用于检测发生器点火的脉冲的耦合电容安装在发生器的底座上。二、整流充电电源系统原理1）整流回路：整流回路分为半波整流，全波整流，被压整流。 其中前两种整流回路能获得的最高直流电压等于充电电源交流电压的幅值Um，在同样的交流电压幅值Um下，采用倍压整流回路可获得23倍Um直流电压。2)变压器容量查阅资料有标称试验变压器容量Pn的确定公式：Pn=kVn2WCt10-9式中：Pn-

12、标称试验变压器容量（kVA）；k -安全系数；Vn-试验变压器的额定输出高压的有效值（kV）；W -角频率，W=2f,f为试验电源的频率；Ct-被试品的电容量（PF）。对于不同的试验电压Vn，选择适当的安全系数k，标称试验电压较低时，k值可取高一些；以下列出不同的试验电压Vn，所选用的安全系数k值，供参考：Vn=50100kV k=4；Vn=150300kV k=3；Vn300kV k=2；Vn1MV k=13） 高压硅整流器高压整流回路中最重要的元件之一就是整流元件。早期的高压整流回路中曾用过机械整流器、高压整流管。但前者工作时会产生出强烈的噪音和无线干扰；后者需要耐高压、体积大、价格昂贵的

13、灯丝变压器，甚至会放射出较强的硬射线对人身体健康不利。现在常用的是硅整流器。硅整流器不存在灯丝加热问题，设备简单，使用方便，且允许通过的电流大，体积小，寿命长，坚固耐用。200300千伏高压硅整流器是由若干100150千伏高压硅堆（或硅棒，硅柱）组成，而每个硅堆又由许多硅粒子（或硅二极管）串联组成。当用若干个电压较低的高压硅堆串联组成电压较高的高压硅整流器时，存在着沿硅堆的电压分布不均匀问题。这时可在每一个高压硅堆外并联均压电容和均压电阻。它们以螺旋形固定在高压硅堆外面，整个高压硅整流器装在有机玻璃圆筒里，并注入变压器油。三、冲击电压测量系统原理1) 冲击分压器与引线：冲击分压器的三种基本类型

14、为：电阻分压器，电容分压器，串联和并联的阻容分压器。高压臂：由于设计的冲击电压发生器产生的电压为550kV，用电阻分压器即可（未加屏蔽的一般可测量1兆伏以下的电压，阻值为1020千欧，加装屏蔽的可测到2.5兆伏，阻值可做到40千欧）。而影响电阻分压器测量值的重要有对地电容，纵电容（电感影响不大，一般忽略）。总体来讲，为减小测量误差，首先应该使分压器的启示电位分布和稳态分布接近（即减小方波响应中误差项的幅值）；其次尽可能减小从始态过渡到稳态用的时间（即减小误差项的时间常数）。具体方法有：1） 使起始电位分布接近稳态均匀分布。方法有：横补偿纵补偿电位补偿等2） 使稳态分布接近起始电位分布。3） 减

15、小RC。综上，从减小RC入手，C与分压器高度有关，高度又取决于分压器的工作电压，为了防止沿面闪络，对雷电冲击波取0.5兆伏/米。一般垂直圆柱体的对地寄生电容约为1015微微法。对未加任何屏蔽措施的电阻分压器一般测量11.5兆伏的电压。取1兆伏的电阻分压器，则有：分压器的高度为2米，C为30微微法，取电阻10千欧。（RC为0.3微法，T=RC/6=50毫微秒，为对测量值的校正T，使测量结果误差减小）；再用横补偿法加装屏蔽，把上电极做成锥形罩（具体图如下）。图中所加的屏蔽环下端宽为分压器高度H的2/3倍，所在高度为3/4H处。即：环宽为1.3米，距地面高度为1.5米。且除正常引线外周围物体与分压器

16、间必须保持的一定距离。这里我们就直接取无屏蔽的最差情况下：周围物体与分压器之间的距离应不小于分压器高度的1.5H。 低压臂：实际的低压臂既非高压阻抗上的一段，也不是理想的电阻、电容，而是有寄生参数（主要是寄生电感）的阻容元件。同轴电缆的接入及对分压比的影响：为了避免在电缆中发生多次反射，至少在电缆的一端接阻值等于Z的匹配电阻。这里我们选用在电缆的两端都匹配电阻的方法，这种情况下分压器的分压比N=2(R1+R2)/R2R1R2有匹配电阻R4（Z）（R2+R3）在两端都匹配电阻的回路中，可使某些情况下（例如发生窜入信号或局部匹配不准时）产生的反射减到很小的程度。电缆损耗的影响与末端的匹配： 衰减：

17、冲击测量中用的电缆为高频电缆。芯线是单股铜线或多股铜线绞合的。外皮由细铜丝编织成，在固定装置中也有用铜管作外皮的。理想条件下由于电缆的波阻抗只于单位长度上芯皮间的电容C和芯皮间磁场决定的电感L有关。而实际中电缆芯线与外皮均有一定的电阻，芯皮间的绝缘也有介质损耗，波通过有时会产生衰减与畸变。对一般长度的电缆在110兆周范围中，可推出幅值的衰减与波形距离成正比。 对于波形的畸变总的来说衰减系数 随f增高而加大，波阻Z随f增高而减小。 波阻的变化对分压比和匹配的影响：因为Z是变化的，分压比也随频率而变化。对很短的脉冲和一般的冲击电压，分压比各不同。研究结果表明，对于波阻抗为50左右，电阻为0.010

18、.5/m的常用电缆，即可用低频波阻抗做电缆匹配。高压引线的影响：我们只讨论屏蔽式电阻分压器带高压引线的情况。近似计算有：TRdCT=LR分析有：为了阻尼振荡，在引线中串入阻尼电阻Rd，但串入的同时却加大了响应时间，所以Rd常常比临界阻尼小一些，以便让响应曲线成为带上冲的震荡曲线。取Rd=引线波阻Z，在引线首端可以消除多次反射，而在末端不能。 为了不加大响应时间而又能阻尼振荡，有时也可以把阻尼电阻接在分压器的屏蔽罩和顶端之间。2）示波器：可选的有高压示波器，数字存储示波器。3）抗干扰措施：防止空间电磁波辐射测量装置放在金属屏蔽室（柜）里。室（柜）最好用铜或铁板做成，也可以用单层或双层的金属网制成

19、。室（柜）的门的边缘有密闭措施；分压器的低压臂放入接地的金属屏蔽盒中；信号电缆采用双屏蔽电缆。 小由电源线引入的电磁干扰测量仪器通过1:1隔离变压器供电(变压器要良好接地)；测量仪器经射频滤波器接入电源；测量仪器采用不间断电源供电； 小由信号电缆引入的电磁干扰分压器良好接地；用双层屏蔽的同轴射频电缆，电缆首端的内外屏蔽及电缆末端外层屏蔽接地；把上述同轴电缆套在金属管道内，管道两端都接地；由分压器到测量仪器敷设宽度较大的金属带作为接地连线，若有可能，测量电缆直接敷设使在接地的金属板或带之下；电缆外层屏蔽应多点接地；电缆上加设共模抑制器（把电缆多匝绕在铁体磁芯环上）；用光导纤维传递信号。三、参数计

20、算额定电压选择：由上述分析可知该设计等下一般只能测量35kV等级的电气设备。所以取35kV电瓷产品做试品。查表得国家标准规定35kV电瓷产品的雷电冲击耐受电压为185kV。放电电压与电瓷类别相关，一般小于等于325k。 查资料得对于高效回路放电回路的电压利用系数一般大于0.8，甚至可达0.9以上（对于低效回路一般为0.70.8）。所以初步考虑电压效率为0.85. 由于查的是耐受电压值，击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究实验取裕度系数1.3.长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数为1.1。故冲击电压发生器的标称电压应不低于：U1=3251.31.10.85=546.8kV

21、考虑尽可能不在标称电压下频繁放电，以延长使用寿命，同时也考虑偶尔有特殊产品试验的要求，所以标称电压取为6kV。 冲击电容选择：对35kV等级的试品（不及大电容的一些电力变压器），负荷电容主要是冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容和试品电容，所以各种杂散电容及试品电容考虑为500pF，试品电容取一般电力变压器 的最大值2500pF。即总的负荷电容C2约为3000 pF。仅从电压效率考虑，达3060nF就足够了。但为了增强放电效果，C1稍大些更好。 冲击电容器选择：查看脉冲电容器的技术参数表格，找到MY 110-0.2此刻高压脉冲电容器比较合适，它的规格如下：型号额定电压（千伏）标

22、称电压（微法）外形尺寸（毫米）重量（公斤）MY 110-0.21100.2635495 瓷壳235用此种电容器5级串联，标称电压可达550kV，满足了电压的要求。冲击电容C1=10.25=0.04F这个C1满足式子C1(1020)C2，可使冲击电压发生器的电压利用率不至于很低。发生器的高度约为50.495m=2.475m回路选择：选择高效回路和倍压（全波整流）充电。冲击电压器主要参数：标称电压 U1=1105=550kV冲击电容 C1=0.04F标称能量 Wn=C1U122=0.04F550kV22=6.05kJ波前电阻和放电电阻：当试品电容约为2500pF,负荷电容约为3000pF时，有1）

23、 根据二阶阻容回路计算Rt ,Rf ,从上述分析可列出1.2s/50s的标准雷电波形下有RfRt=0.23023106 2Rt=1596.0-0.069767Rf为避免两大数相减引起的计算误差，宜先通过上述两式求出Rt.在计算Rf最后得Rt=1585.87 Rf=145.18 所以每一级中的放点电阻为rt=Rt5=317.17 rf=Rf5=29.04 2）放电回路的近似计算波前时间 Tf=1.2s=2.33RfC1C2C1+C2 （考虑回路电感影响） =2.33Rf0.04F0.003F（0.04F+0.003F）求出Rf=184.55每级波前电阻rf=Rf5=36.91 半峰值时间 Tt=

24、50s=0.693Rt(C1+C2) =0.693Rt(0.04F+0.003F）求出Rt=1677.79每级放电电阻rt=Rt5=335.56 上述两种结果都合理，近似计算所得的结果与用二元方程求得的结果相差并不大，不过这里我还是选取了用二元方程计算出的结果，即最后取rt=317.17 ，rf=29.04 冲击电压发生器效率：由高效回路的电压利用效率表达式得=C1（C1+C2）=0.040.04+0.003=0.930比原来计算是估计的电路的效率还要高，所以所选择的电容器是合适的。充电电阻和保护电阻选择：要求CR+rf1020Crt,得R20317.17-29.04=6314.36 6.65

25、 k取R=6.65k，每根充电电阻的结构长度能耐受电压110kV。取保护电阻r为500k。验证充电电阻取值的合理性：=rtrt+RR（1020）rt为了减小充电电阻对波形的影响，系数应限制在0.050.1的范围内较好。代入有=317.17317.17+6650=0.046在0.050.1内，所以R的取值合理。充电时间的估算：由于用了倍压充电回路，难于精确计算。所以按简单整流充电的计算法。但考虑到电容C的另一侧为rt、rf，它们远小于充电电阻R。同时还应该考虑倍压回路第一个回路中的保护电阻r的作用。则有充电至0.9倍电压时T充=15（r0+r+nR2）nC设r0=r，则计算得T充15s实际上还存

26、在充电回路中C0的影响，它可使充电时间增加，故可估计T充为20s。变压器的选择：实验电压与安全系数的取值关系如下：Vn=50100kV k=4；Vn=150300kV k=3；Vn300kV k=2；Vn1MV k=1实验电压为110kV，安全系数k的取值在34间，取k=4。则由上述分析知这种充电回路中变压器的容量为PT=4.0WnT充=4.06.05kJ20s=1.21kVA电压器电压为Ut=1.155242.78kV所以选择型号为YD-2/50的变压器，其额定电压为50kV，额定容量为2kVA。硅堆选择：考虑到缩短充电时间，充电变压器经常提高10%的电压，因此硅堆的反峰电压为U反峰值=55

27、1.1+55=115.5kV硅堆的额定电流用平均电流计算。由于实际的脉冲电流是脉动的，充电之初平均电流较大，所以用它的平均电流难以计算。只能根据充电变压器输出的电流（有效值）来选择硅堆额定电压。电流的有效值是大于平均值的。In=1.21kVA55kV2=0.031A则选择硅堆的额定电流为0.05A。选择2DL-150/0.05做每个整流器。球隙直径选择：第一级球隙采用三电级球隙（如上述图所示的结构）。查表有250mm球隙在间隙距离为40mm时放电电压为112kV，所以选择250mm的铜球6对。波前电阻和放电电阻阻丝计算：已知rt=317.17 ，rf=29.04 ，一级电容储能为Wc1=0.5

28、0.210-6(110103)2=1.21kJ假设试品不放电时能量全部消耗在rt中，试品短路放电时消耗在rf中的能量 317.17317.17+29.041.21kJ=1.11kJ采用单线反绕法（编织电阻）的无感电阻结构。波前电阻的阻值为29.04，电阻丝消耗的能量为1.11kJ。同理，放点电阻阻值为317.17，电阻丝消耗的能量为1.21kJ。冲击放电的过程很快，电阻丝消耗的能量按绝热过程考虑，所消耗的能量全部转化为电阻丝的温度升高。对比各种电阻材料，发现康铜的更好些，选择康铜丝。康铜的密度为8.9gcm3，电阻率为0.4810-6m，比热容Cm为0.417J（g），电阻允许最高温升为150

29、。令电阻丝的长度为lm，直径为d/mm，则有R0=4l(d2)消耗的能量W=ld2Cm4上两式得电阻丝的直径d=(2)W(R0Cm)14令R0为29.04，W为1110J，有d=211100.488.929.040.41715014=0.481(mm)实际选取0.50mm的电阻丝，按单线反绕法。其长度为l=R0d24=29.040.50240.4811.88m实际温升=4Wld2Cm=411108.911.880.5020.417=128.2再令R0为317.17，W为1200J，有d=211100.488.9317.170.41715014=0.264(mm)实际选取0.28mm的电阻丝，按单线反绕法。其长度为l=R0d24=317.170.28240.4840.69m实际温升=4Wld2Cm=411108.940.690.2820.417=119.4要求间距尽可能小，编织电阻的两端能耐受110kV的电压。四、参考资料高电压试验技术（第三版）清华大学出版社 张仁豫 陈昌渔 王昌长 编著高电压实验技术水利电力出版社 华中工学院 上海交通大学 合编高电压工程清华大学出版社 梁曦东 陈昌渔 周远翔 编著