高电压课程设计(华中科技大学).doc

电气与电子工程学院 级高电压工程课程设计姓 名 ； 学 号 专业班号 指导教师 日 期 实验成绩 评 阅 人 一、 设计目的设计一个多级冲击高压发生器，能够产生符合要求冲击的冲击高压。通过设计过程，掌握有关设计的基本步骤与规范；掌握冲击电压发生器的工作原理、波形形成过程、波形参数描述与计算方法等，巩固高电压的知识，增强感性认识。掌握冲击电压发生器的参数设计、总体结构、器件选型和绝缘设计。二、 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） 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） 容性试品三、 设计原理1) 原理电路图为获得较高幅值的冲击高压，利用“并联充电，串联放电”的原理设计多级冲击电压发生器。雷电波的波形如下:图一 雷电波的波形 在林福昌主编的高电压工程中一般电路如下： 图二 多级冲击电压发生器的原理电路图图三 多级冲击电压发生器的等效原理电路图等效放电回路如下图四 等效放电回路经过列写电路方程可以知道电容C2上的电压时两个指数波的叠加，则可以通过这种电路来产生雷电波或者冲击高压波。其中各元件的名称如下：D-高压硅堆；r-保护电阻；R充电电阻；C1C4 -主电容； C0-对地杂散电容；g1点火球隙；g2g4-中间球隙；g0-隔离球隙；R1-波尾电阻 ；R2-波头电阻；C2-被测试品及测量设备等电容2) “并联充电，串联放电”的工作过程实验变压器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向主电容器充电，充到U,出现在球隙g0g4上的电位差也是U,如果先把球隙距离调到稍大于U，球间隙 不会放电。当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针级送去一个脉冲电压，针级和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1的点位由地电位变为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的点位不可能突然改变，点3点位仍为+U，中间球隙g2上的点位差突然上升到2U,g2马上放电，于是点2点位变为2U。同理，g3,g4也跟着放电，电容器C1C4便串联起来了。最后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为四个电容器上的电压总和，即4U。同时，要求这组球隙同步性好，即g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。3) 各个部分的具体要求及作用在上图中r一般比R大一个数量级，不仅保护硅堆，还可使各级电容器的充电电压比较均匀，一般选取r为R的10倍左右。保护电阻不仅起保护整流装置的作用，还起均压的作用。在分析放电回路时可以看出，当中间球隙动作后，主电容器是可以通过充电电阻放电的。如希望充电电阻不影响主回路的放电效率，要求经过充电电阻的放电时间常数为主回路放电时间常数的（1020）倍。由于雷电波的波长较短，当充电电阻在数量级时，就可以满足这个要求。 从上图可以看出，要提高冲击电压发生器的输出电压有两种途径：一种是升高充电电压，但它要受电容器额定电压的限制；另一种是增加级数，但是级数多了会给同步带来困难。常用的一种回路如下：图五 高效回路的电路图这种回路的和被分散在各级小回路内，没有专门的rd，也没有隔离球隙g0。只有一个充电电阻R，另一边有、兼做充电电阻。这种回路的动作原理没有改变，只是串联放电后的等值回路略有不同。这种电路在相同充电电压下， 输出效率略高，故常被叫做高效回路。由于设计要求为高效回路，故最终设计的电路图即为上图设计的的电路图。4) 放电回路的数学分析及各个参数的计算公式由于雷电波为非周期波，其一般形式如下：。其中A为单指数波幅值。具体电路数学计算分析过程见张仁豫主编的高电压试验技术第115页。下面只做摘要分析：利用波头时间和波尾时间的定义，可推知近似公式：波头时间 波尾时间 回路效率。上式中，可认为是给定值，它包括试品电容，冲击电压发生器的出口电容和测量设备的电容。为了经济，不能太大，为了效率不致太低，有不能太小，故一般按照的（510）被来选择。且在高效回路中=0。当考虑电感的存在时，回路内的电感会使波头长度缩短。由于冲击电压发生器的充电回路与简单的RC回路不同，它是多段的，而且电容器与电容器之间隔着电阻，同时他的充电电压不是稳态直流电压而是整流电压。故可以把冲击电压发生器的充电回路看成一均匀线路来分析： （具体分析过程见张仁豫主编的高电压试验技术第122125页）则如果冲击电压发生器的级数不多且保护电阻比每级充电电阻大10及10被以上时，计算充电时间可只考虑保护电阻r,利用各种数学方法和各种曲线可得： (n为级数，C为级电容，r为保护电阻)在前面的分析中已经提到过，为了不降低利用率，必须使内部放电的时间常数为外部放电时间常数的（1020）倍。经分析之后可得：要求 ，这个时候充电电阻对放电回路的利用率的影响可以忽略不计。(为变压器输出电压的最大值)由于冲击电压发生器的充电电流仅在充电开始几周内数值较大，随后几十周内电流逐渐衰减到很小。如按充电电流的平均值来选取硅堆。尽管平均值小于硅堆的额定整定电流,仍有可能在开始几周内烧毁硅堆，为安全起见，应使充电电流的有效值不超过硅堆的额定整流电流。如果另额定整流电流则 为缩短充电时间，一般是变压器输出电压的最大值比所需充电电压高10%,故充电电压的有效值为变压器容量为单边充电时变压器的容量为 四、 具体设计及计算过程选择如图五所示的高效回路，倍压充电方式。1. 输出电压及额定电压的确定根据输出电压的要求（300800KV），确定输出电压在500KV左右，然后计算冲击电压发生器的额定电压。分为几步来考虑，因为中间存在很多误差原因。a) 变压器，互感器要考虑截波试验，一般取截波系数为1.3，则截波试验电压为1.3*500=650 KV。b) 击穿电压及闪络电压都高于实验电压，考虑为研究实验取余度系数为1.3；c) 长期工作冲击电压发生器绝缘老化，考虑去老化系数为1.1；d) 假定冲击电压发生器的效率为90%；由上面的分析可知，所设计的冲击电压发生器的额定电压应该不低于500*1.3*1.1*1.3/0.9=1032 KV 故选择冲击电压发生器的额定电压为1100 KV。2. 冲击电容的选择 波头电容要考虑很多因素:试品电容，杂散电容，分压器对地电容，及发生器高压引线电容，互感器的电容，球隙电容等。由于冲击高压发生器还没有设计成型，不知道实际电容大小，只能够根据将要选则材料的特性加上经验加于估算。分以下几个部分：a) 如果不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，互感器的电容最大，约1000PF。b) 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估计为500PF。c) 电容分压器的电容估计为600PF。则总的负荷电容为由于设计要求为，则选择为10，此时效率近似为，满足效率要求。从国产脉冲容器的产品规格中找到规格为MY2200.1的电容刚好合适，这样用5个电容组成五级，刚好可以产生1100KV的额定电压。当产生冲击高压时，五个电容串联，则波头冲击电容为C1=基本上满足要求。能量=12.1KJ3. 波头及波尾电阻的计算 因为是高效回路，则 由于前面的试品电容只是估算值，而在具体实验过程中会对各种电容的试品进行冲击实验，故在下面的分析中选取电容范围为100PF1000PF,相对应的负荷总电容为1000PF2000PF，从而得到波头波尾电阻的调节范围。n 当试品电容为1000PF,负荷总电容为2000PF时，则， ，故则，故n 当试品电容为100PF,负荷总电容为1000PF时， 则， ，故则，故故波头电阻调节范围为 ，波尾电阻调节范围为4. 冲击电压发生器的效率根据设计原理中的公式计算得效率为如果考虑波形系数为0.945,则此时值在原估效率范围内，则所选参数是合适的。5. 充电电阻和保护电阻的选择由前面的实验原理可知时满足要求，故，故取,则充电电阻为 .由于保护电阻要大于充电电阻的40倍，从安全角度考虑，取保护电阻为充电电阻的40倍，即，其结构长度应能够耐受1.1*220=242KV的电压。6. 充电时间的估算由公式推算7. 硅堆选择按有效值选取硅堆的额定整流电流硅堆反峰电压=220*1.1+220=462KV故选用硅堆：反峰电压462 KV 额定整流电流=150mA经查询高压硅堆级数参数表，选择硅堆型号为：2DL 200/0.2 浸油硅堆，其反向工作电压为200KV,平均整流电流为200mA,正向压降为低于180KV，外形尺寸为L600mm,D25mm,H40mm.三个这样的硅堆串联起来即可。8. 变压器选择 由前面的原理容量=电压=故变压器容量为200KVA,额定电流为15KA.9. 调压器的选择由于调压器的容量比充电变压器稍大一些，且其输出电压稍大于变压器低压侧的额定电压。 查询常用移卷调压器型号规格后,考虑了硅堆的正向压降，选择调压器型号为：TDGY500/10，其额地容量为500KVA，输入电压为6000v，输出调压范围为06300V,为油浸单相调压器。10. 球隙直径的选择由于直径为 250毫米的球隙在间隙距离为 90毫米时的放电电压为 226 千伏，故选取直径为250 毫米的铜球5 对。11. 波头电阻和波尾电阻阻丝选择计算已知， ，一级电容器储能为。假定试品不放电时能量全部消耗在中，试品短路时放电能量的消耗在中，即 2.24KJ。如果采用双绕组反绕的无感电阻结构，则波头电阻每股阻值为 ，每股消耗能量为 (1/2)*2.24=1.12KJ;波尾电阻每股阻值为2*659=1318，每股消耗能量为(1/2)*2.42=1.21 KJ。冲击放电中消耗的能量可按绝热过程考虑，消耗能量全部变为电阻丝温度升高。如果所用的电阻丝为康铜丝。康铜丝的比重为 8.9 ,电阻系数为0.48，比热为0.1.电阻最高允许温升为 150。令电阻丝长度为L(m),截面积为 A（），则波尾电阻 1318 = 0.48 解上式可得L= 77.28 m,A= 0.028 经查阅常用电阻合金线规格，当选择0.2mm,0.0314,15.28的康铜丝，则应需波头电阻 101.6= 0.48 解上式可得L= 20.6 m,A= 0.098经查阅常用电阻合金线规格，当选择0.4mm,0.1257,3.82的康铜丝，则应需用所选康铜丝10，分别按照上面长度绕制，并且并联反绕到绝缘管上即可做成波头电阻和波尾电阻。要求匝数尽可能小，但最短结构长度应能耐受220KV.12. 冲击分压器设计冲击电压测量系统分分压器和低压测试回路两部分。将高幅值的冲击电压转换为低幅值的冲击电压。再用示波器，数字记录仪和峰值表测量经过转换的冲击电压。其示意图见图 。图六 冲击电压发生器的测量电路1) 分压器本设计针对的是波形 1.2/50的电压，为雷电波的标准波形参数，故测量系统采用电阻式冲击分压器。其示意图见 电阻分压器的电阻通常是电阻丝绕制的。电阻丝的要求如下：a) 为了减小电感，要求在满足阻值的前提下线尽可能短，要求所用材料是非磁性的，且比电阻较大。b) 为了避免阻值随温度而改变，要求所用的材料的温度系数较小，通常选用康铜丝，锰铜丝按无感绕法做成。与冲击电压发生器的阻尼电阻、波头、波尾电阻绕制方法基本相同。 电阻分压器的数学分析见张仁豫主编的高电压试验技术第154页。 从两个方面分析分压器的性能：一个是按比例降低高电压的比例系数是多少。一个是分压器的瞬变响应特性，即按比例降低幅值后冲击电压波形是否发生畸变。而且这两个方面是相互关联的。 分压器响应特性的定义为：分压器回路的输入端施加某一波形电压，在分压器输出端会出现响应，就是的响应。通常采用直角波。分压器响应的好坏用响应时间来衡量。如图 所示 ，和的幅值都归一化为1，分压器的响应时间则由图中阴影部分的面积T表示图七 分压器的响应时间T越小，表明分压器的响应性能越好。由于冲击电压变化快，寄生电容的影响更明显，所以屏蔽寄生电容的影响是改善分压器响应特性的有效方法之一。除测量分压器的响应时间外，也采用比对法，即把响应曲线与“标准分压器”的响应分压器进行比对校正。2) 低压测试回路有了良好的分压器，还要有低压测试回路与其共同组成冲击电压测试系统，这两部分需要很好的配合，才能准确测量冲击高压。实际上，我们最终关心的是整个冲击测量系统的准确性，而不仅仅是分压器的响应特性如何好。典型的电阻式分压器冲击测量系统如图 所示对于测量仪器，常用示波器，但是由于安全等方面的原因，示波器与分压器要相隔一段距离，一般从几米到几十米；为了避免输出波形在这段距离内收到周围电磁场的干扰，通常要用高频同轴电缆把分压器的低压臂和示波器的现象板连接起来，见上图。图八 冲击分压器测量系统由于冲击电压持续时间比较短，波形变化快，在测量回路 中要考虑行波的折、反射过程；在如图中，为了防止波在电缆上来回反射，加装了匹配电阻，如果电缆的波阻抗为Z，电阻为，则各点阻的组织应该按照下式来选取 这样测量系统的分压比应为取分压比为1000，则令 ，可知，故查询同轴点缆参数表选择型号为 SYV5015，其波阻抗也不大于52.5，不小于47.5，而其衰减也比较小。在测量时，为了防止干扰，低压回路和测量仪器必须进行良好的屏蔽，同时，测量仪器的电源药通过滤波器及带静电屏蔽的隔离变压器供给。另外，传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接。13. 触发器一般把第一个球隙设计成三电极球隙。当冲击电压发生器的各个电容充电完毕后，利用另外一个回路产生一个电压较低的脉冲电压，并将该脉冲电压施加在三电极球隙的附加电极之间，使间隙击穿，利用间隙击穿时产生的火花出发主间隙G的击穿。调整延时电缆的长度可以使冲击电压发生器和示波器之间获得正确的同步。五、 冲击电压发生器各个部分型号选择一览表元件型号个数变压器容量为200KVA,电流为15KA1 调压器 TDGY500/101硅堆2DL 200/0.23球隙直径为250 毫米，距离为90毫米5电容MY2200.15波尾电阻丝直径0.2mm,0.0314,每米电阻值15.28的康铜丝 长86.3m5波头电阻丝直径0.4mm,截面积0.1257,每米电阻值3.82的康铜丝，长26.6米5充电电阻10千欧4保护电阻400千欧1同轴电缆SYV50151示波器SBGM21表一 各个元件的型号六、 冲击电压发生器的结构本设计中采用塔式结构，见图九。 它是竖立的5层绝缘台组成，有两个绝缘支柱支撑。将五组电容器分别按如图所示安装，同时要注意彼此之间的绝缘距离，不能彼此击穿放电。由于五组电容器是磁壳的，而且外形尺寸为直径635mm,长度845mm.考虑到各个电容器的绝缘距离，由于空气中的击穿场强为300kv/cm,则两个电容之间的距离至少为220*2/300=1.4cm,但是还要考虑到各种感应及空气杂质的存在，选取距离为3cm,故初步计算冲击电压发生器的总高度为0.845*2+0.03*4=4.345m,还要考虑到最底层电容距地面的距离，选为1m.还有绝缘支柱高于最高层电容的距离，选为0.2m.故冲击电压发生器的总高度约为5.5m.支柱也必须是绝缘的，本设计中采用瓷套支柱，这样的绝缘效果比较好。同时，支柱距电容器的距离至少应为1100*300=3.6cm.具体操作时可选取为10cm. 图九 冲击电压发生器的结构七、 设计过程中的关键点A. 如果考虑回路内自身存在的电感，会使波头长度缩短。这是由于回路电感使开始时回路电流为零，负载两端电压很不容易上升，但是最后达到幅值时间与没有电感差不多（由具体数学分析得到的），势必中间有一段波形上升较陡，按标准波定义，这样就使波头变短了。电感不仅会影响波形，严重时可能还会引起振荡，有时候电路故障可以考虑这个因素。同时设计的时候要尽量减小电路的电感，如连线要尽量短，电阻要采用无感绕法，电容器的内电感要尽可能地小。B. 本实验用到的是电容“并联充电，串联放电”的方式来产生冲击高压。也可以利用电感的储能特性同样来产生冲击高压，而且电感的单位储能密度比电容打得多，但是由于电感冲击放电需要关断大电流，这需要在开关关断技术成熟的条件下才能够方便应用。C. 波头电阻和波尾电阻应具有足够的绝缘强度和热容量。承受最大冲击电压时，匝间和表面不应该有放电现象。连续多次使用后，电阻的温度不应超过