高电压技术课程设计--冲击电压发生器的设计.doc

高电压技术课程设计冲击电压发生器的设计班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 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。对冲击电压发生器设计的要求为：（1） 容性试品（2） 高效回路（3） 最大输出电压：800kV（4） 级数：3级以上（5） 输出波形 1.2/50波形设计方案除分压器本体电气参数外，还需包含：（1） 分压器的电阻（含线径和材料）（2） 球隙大小和距离（3） 测量装置（充电、放电）（4） 测量装置抗干扰措施（5） 充电电源（各器件参数）（6） 本体、分压器、电源、测量系统（7） 绝缘材料、绝缘距离选取（8） 触发器二、冲击电压发生器的功用及原理冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，近年来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。所以对冲击电压发生器的要求，不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波形陡度有关，对某些设备要采用截断波来进行试验。冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定的波形。它的原理图如图2。 实验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1 C4 充电，充电到U，出现在球隙g1g4上的电位差也为U，若事先把球间隙距离调到稍大于U，球隙不会放电。当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮只见产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为-U。电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为+U，中间球隙g2上的电位差突然升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为-2U。同理，g3，g4也跟着放电，电容器C1C4串联起来了，最后球隙g0也放电，此时输出电压为C1C4上电压的总和，即-4U。上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”。三、设计内容（1） 高效回路选用高效率回路和倍压充电，回路如下图所示图1 发生器的充电回路 图2 发生器的放电回路（2） 电容器的选择如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，约1000pF，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如估计为500pF，电容分压器的电容如估计为600pF，则总的负荷电容为 如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为 从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY100-0.5高压脉冲电容器比较合适，电容器规格如下表：型号工作电压电容外型尺寸重量外壳MY100-0.5100kV0.5 F6403001450335kg铁壳 用此电容器8级串联，标称电压可达到800kV，基本上满足需要。冲击电容：C1=0.5/8=0.0625F 此值10C2 ,可使（电压）效率不致很低。（3） 电阻（含线径和材料）l 大小计算a) 波前电阻和波尾电阻试品电容约1000pF，负荷总电容为2100pF，波前等效回路图3. 波前等效回路所以波前时间 求出，每级。半峰值等效回路图4. 半峰值等效回路故半峰值时间 求出，每级。b) 充电电阻和保护电阻的选择：要求 ，得： 取R5k。每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV的电压。如取保护电阻r为充电电阻R的40倍，则保护电阻r为200k。l 线径和材料 已知，一级电容器储能为：。假定试品不放电时能量全部消耗在中，试品短路放电时的能量2.5*138.21/（138.2122.788）kJ，即2.145kJ消耗在中。如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波前电阻的每股阻值为222.788即45.576。每股电阻丝消耗的能量为2.145kJ/2即1.0725kJ。同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2138.21即276.42，每股电阻丝消耗的能量为2.5/2kJ即1.25kJ。冲击放电的过程很快，电阻丝消耗的能量可按绝热过程考虑，所消耗的能量全部转变为电阻丝温度的升高。如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝的密度为，电阻率为，比热容为，电阻允许最高温升为150。令电阻丝长度为l/m，直径为d/mm，则可得 （1）而消耗的能量 （2）将式（1）和式（2）消去l，得电阻丝的直径为 （3）首先令，W=1.0725kJ，最后，由式（3）得 实际选0.45mm的电阻丝两根，并按相反方向并绕。由式（1）得其中一根阻丝的长度为 实际温升可由式（2）得 再次令，W=1.25kJ代入式（3）得电阻丝的直径为，实际选0.30mm的电阻丝按相反方向并绕。可算得一根电阻丝的长度l为40.7m，实际温升为117.1。用所选康铜丝两根并联，并按相反方向绕到绝缘棒上，要求匝间距离尽可能小。电阻棒的长度应使两端间能耐受100kV的电压。（4） 球隙大小和距离查高电压工程附表11球隙放电标准表得：在间隙距离为5.0cm时6.25cm球隙的放电电压为107kV，故选6.25cm铜球，一共9对。（5） 测量装置（充电、放电）l 充电测量装置 采用电容分压器分压，使用如图3示测量回路。同轴电缆输出端电压设为2kV，然后经电阻分压器二次分压，把信号电压输入示波器。考虑二次分压用的电阻分压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。图5 同轴电缆两端匹配的测量回路 高压臂电容选国产MY5000.00012脉冲电容器较合适，其参数如表3。表3. MY5000.00012脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY5000.000125000.00012182115528.2胶纸壳用此种电容器一个，使高压臂 由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV，故分压比 K=800/2=400。 求出。 用MY1100.022脉冲电容器组成低压臂，其参数如表4。表4. MY1100.022脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY1100.0221100.02222063527胶纸壳用此种电容器三级串联，使分压器额定电压可达（5001103）kV830kV，可用于测量冲击电压。每级由4个电容器并联，使低压臂电容 故分压器的实际分压比为 即同轴电缆输出端电压 l 放电测量装置采用电阻分压装置高压臂取，低压臂，则分压比 最终输入示波器的电压幅值为（1633/101）V16.2V.（6） 测量装置抗干扰措施1. 防止空间电磁波辐射引起的干扰1） 把测试仪器装置放在全金属屏蔽室内。此室用铜制成，室的门边缘应该有密闭措施。仪器在调试时，可以开门通风散热，在测压的一瞬间把门关上。2） 分压器的低压臂应装入接地的金属屏蔽盒中。3） 信号电缆采用双屏蔽电缆。电缆的两端均要用同轴插头与分压器和测试仪器相接。进入全金属屏蔽室时，也要用同轴插头。2. 减小由电源线引入的电磁干扰1） 测量仪器通过1:1隔离变压器供电。尽管隔离变压器二次侧绕组外绕有屏蔽层，并与屏蔽室相连接，但屏蔽不可能是完全的，一、二次侧绕组间有电容耦合，高频电磁干扰波可通过隔离变压器进入测量仪器。2） DOS等测量仪器需要经射频滤波器接入电源，滤波器的滤波频率应从几千赫兹到几十兆赫兹。3） 测量仪器采用不间断电源供电。在测试的瞬间断开交流电源。3. 减小由信号电缆引入的电磁干扰1) 分压器有良好的接地。2) 采用双层屏蔽的同轴射频电缆，电缆的内外层屏蔽及电缆末端外层屏蔽接地。3) 把上述同轴电缆套在金属管道内，管道两端都接地。4) 由分压器到测量仪器敷设宽带较大的金属板作为接地连线。测量电缆应该沿此接地连线紧靠地面敷设，使电缆外皮与接地连线构成的回路面积尽量减小。5) 电缆外层屏蔽应多点接地。相距1m的多点接地有利于把外层屏蔽上的电流散入大地。6) 在电缆上加设共模抑制器，办法是将电缆多匝地绕在铁氧体磁芯环上。7) 采用光导纤维传递信号。（7） 充电电源（各器件参数）主要构成如图1。其主要器件就是变压器和高压硅堆。l 充电时间的估算 在保护电阻r远大于充电电阻R的情况下，充电时间约为： 考虑到其他因素的影响，取充电时间为10s。l 变压器选择：考虑倍压充电回路所需的容量，加大安全系数到3.0。标称能量 Wn= C1 U12/2=0.0625F（800 kV）2/2=20kJ变压器容量变压器电压所以，可选择国产试验变压器，型号为YD3/50，其参数如下表。表5. YD3/50试验变压器的参数型号规格额定容量 / kVA额定电压 / kV额定电流 / A输入输出输入输出YD3/5030.225013.630.06l 高压硅堆选择：为了缩短充电时间，充电变压器应该提高10的电压，因此硅堆的反峰电压50kV1.150kV105kV。硅堆的额定电流以平均电流计算，实际充电电流是脉动的，充电之初平均电流较大，选择硅堆用的平均电流难以计算。现只有根据充电变压器输出的电流（有效值）来选择硅堆额定电流。电流的有效值是大于平均值的。 因此，选硅堆的额定电流为0.05A。选择2DL10KV0.4A高压硅堆。（8） 绝缘材料、绝缘距离选取绝缘支架：为了合理利用高压试验大厅的尺寸和进行户外试验，冲击电压发生器采用户内移动式，采用气垫移动。由于移动式对绝缘支架有一定要求，所以选用环氧筒作为绝缘支架。电极材料可以用薄金属板或涂有金属膜的薄玻璃纤维板。移动装置采用气垫式，要求载重为10t，高度不超过1m。绝缘支柱采用环氧筒，直径20cm，高度0.9m，发生器的高度50.9+1+1=7.5m。上述装配需要一个接地电阻小于1的接地点。（9） 触发器采用双边异极性同步触发脉冲来触发，如下图： 图7. 触发装置电路图4、 实验仿真使用Matlab进行仿真，波形仿真电路：仿真波形：五、设计总结我感觉高电压的课程设计比之前那些课的课程设计要难好多，而且时间比较紧，不像其他的课程设计一般有一个寒假或暑假的时间准备。刚开始做这个，可以说是一点头绪都没有，仔细看了课本上的相关内容，发现根本不能完成课设的所有要求。好在有学长做过的高电压课设作参考，大致清楚了每一步的设计方法。而课设中的电容变压器参数问题甚是让人头疼，网上基本找不到，好在我们班学委亲自去图书馆查了相关书籍，列了很多型号的电容和变压器给我们，鉴于时间紧迫，也就直接拿