华科_高电压测试研究生课程大作业(冲击电压发生器设计

1、.华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名*考生学号*系、年级*类别硕士.专业资料 .考试科目高电压测试技术考试日期2012年12月15日目录一、 设计要求 .- 1 -二、 冲击电压发生器的设计 .- 1 -2.1原理分析 .- 1 -2.2、设计回路图 .- 3 -2.3、参数计算 .- 4 -2.3.1、负荷电容 ，冲击电容的选取以及效率的估算 .- 4 -2.3.2、波头电阻 ，波尾电阻 ，充电电阻 ，保护电阻的选取 .- 6 -2.3.3、试验变压器的选择 .- 8 -2.3.4、硅堆选择 .- 10-2.3.5、球隙的选择 .- 11-2.3.6、绝缘支撑件的选择 .- 11-2.

2、3.7、固有电感的估算 .- 12-三、 仿真实验及结果 .-13-3.1、不考虑杂散参数的仿真 .- 13-3.2、考虑杂散参数的仿真 .- 14-.专业资料 .3.3、对参数进行改进.-17-四、 测量系统设计 .-18-4.1分压器选型 、参数与结构设计 ，电缆以及匹配阻抗的选择 .- 19-4.2考虑高压引线的影响 .- 21-4.3测量仪器的选择 .- 22-五、 冲击电压发生器以及测量系统的总体结构 .-22-六、 设计小结 .-23-.专业资料 .一、设计要求设计一个标称电压为 1500KV 的冲击电压发生器及其测量系统 ，并且满足以下要求 ：1. 产生 1.2/50us 的标准

3、雷电冲击波 ；2. 冲击电压发生器中计算所用元器件的参数 ，进行结构设计及杂散参数分析 ；测量系统中的结构设计 、参数、分压器选型选取 ；3. 考虑杂散参数的仿真分析及参数改进 ；二、冲击电压发生器的设计2.1 原理分析电力系统中的电力设备除了要承受正常情况下的工作电压以外 ，还要考虑在雷电冲击波作用下的承受能力 ，以应对环境变化所带来的影响 。 设备制造厂商在设备出厂前都会对电气设备进行冲击电压试验，因此需要设计冲击电压发生器来对电气设备进行绝缘水平试验。国际上定义标准雷电冲击电压为 （1.2/50 ） s ，波形如下图 1 所示：.专业资料 .u/Um1.00.90.50.30TT1T2t

4、图 1 ：标准雷电冲击波由以上图形可看出 ，标准的雷电冲击波是非周期且呈指数衰减。因此可以用两个指数波形叠加形成。其电压 u(t) 可表示为 ：ttu(t )A(eT1eT2 )由于单级冲击电压发生器的最高电压受硅整流器和电容器额定电压的限制 ，而本次试验要求设计标称电压为1500KV 的冲击电压发生器，因而采用多级冲击电压发生器来实现。多级冲击电压发生器如下图 2 所示。C10C30C50C70oR3R5R7R1R1uoF1 CF2 CF3CF4 CF5R2 C2 u2rdrd6rd48RRRRC80CCC204060图 2 考虑杂散电容的多级冲击电压发生器.专业资料 .在图 2 中， C1

5、0 C80 为各级对地的杂散电容 。充电结束时 ，上面的各级对地杂散电容对地电压为Uo ，下面各级对地杂散电容对地电压为 0。调整各级球隙之间的间隙 ，使各级球隙的放电电压略大于 Uo 。当各级电容充电到 Uo 时，给点火球隙的针级送去脉冲电压 ，引起点火球隙放电 ，于是 1 点电位变为 0 电位，2 点电位变为 -Uo 。由于存在电阻隔离电阻 R，将 1 点与 3 点隔离开来 ，因此 3 点电位不变 。同理 4 点电位不变 ，因此 F2 两端的电压变为 2Uo ，于是 F2 放电，3 点电位变为 -Uo ，4 点电位变为 -2Uo 。以此类推 。对 4 级冲击电压发生器来说，14 级球隙在

6、Uo 4Uo 电压下击穿 ，将电容器串联起来放电，球隙 F5 在 4Uo 的作用下也瞬时击穿 ，从而使放电回路导通 ，在C2 上形成高峰值的冲击电压波。2.2、设计回路图由于受到硅整流器和电容器额定电压的限制 ，单级冲击电压发生器的最高电压不超过 200 300KV。若取每级冲击电压发生器产生的电压为 300KV ，则需要 5 级，但实际中单级冲击电压发生器的最高电压可能达不到 300KV 。若取每级冲击电压发生器产生的电压为150KV，则需要 10 级，但级数越多会导致各级电容器充电不均匀 ，充电利用系数过低的问题。因此采用双边充电的冲击电压发生器，分设 5 级，每级充电电压为300KV，在

7、每级上下臂有两个电容，因此每个电容上分得的电压为150KV。结构图以及等效图分别如图3、图4所示：.专业资料 .D1RRRoiC F6F1CF2CCC2 uF5RRRiCCCCD2rtrfrtrfrtrf图 3:双边充电冲击电压发生器充电回路RfU=2n*UoC/2nRtC2图 4:放电等效回路（ n 为级数 ）2.3、参数计算2.3.1、负荷电容 ，冲击电容的选取以及效率的估算常见试品的电容量如表1 所示：表 1 ：试品电容量一览表试品冲击入口电容 /pF绝缘子100 以下高压断路器 ，电流互感器及电磁式电压互感100 1000.专业资料 .器高压套管50 600电力变压器1000 2500

8、电缆进线的电力变压器3000 4500电力电缆 （每米 ）150 400不考虑大电力变压器和电缆的情况下 ，在被试品中互感器的电容最大，选定为 1000pF ，冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线以及球隙等的电容估计为 500pF ，电容分压器的电容估计为 600pF ，则总的负荷电容为 ：C2=1000+500+600=2100pF又因为 U 2 mU 0C1C1C2，考虑电压利用系数 =0.9 时，即：U 2mC1=0.9U 0C1 C2C1=9C2=18900pF=0.0189F由于上述计算存在误差 ，为了提高实际电路中的电压利用系数 ，因此所选的 C1 远大于 C2，故选取扬州华电电

9、气有限公司出产的型号为 MWF150-0.65 的电容器 。详细参数如下表 2：表 2 ：特定型号的电容器参数额定电额定电电感放电回路外形尺寸 mm长宽外壳重量型号应用压容nH参数高 / 总高kg.专业资料 .KVF或放电波形正常工作冲击电压发MWF150-0.651500.65410 145 1260/1730122250回路生器用上述电容器 5 级串联，每级由 2 个电容器串联 ，标称电压可达1500KV，满足要求 。 用上述规格的电容器时 ，冲击电容为C10.65() F 0.065 F 9C2 0.0189 F52用此种电容器 5 级串联后电压可达1500KV。符合要求 。发生器高度约

10、为 5*1730mm=8.65m。标称能量 Wn C1U 12 / 20.06510 6(1500KV ) 273.125KJ2效率约为 :C10.0650.969C1 C20.0650.00212.3.2、波头电阻 ，波尾电阻 ，充电电阻，保护电阻的选取波头电阻 、波尾电阻的计算 ：波头 时间常数 T1 1.2 s ，又 T13.24RfC1C2 。波尾时间常数C1C2T2 50 s ，又 T20.7Rt (C1C2) 。因此RfT1C1C21.210 60.0650.00216182.063.24C1C23.240.0650.002110.专业资料 .因此每级中每个波头电阻为r f182.

11、06。36.4125RtT25010 61064.510.7(C1 C2 )0.7(0.065 1060.0021 10 6 )因此每级中每个波尾电阻为rt1064.51。212.9025充电电阻 、保护电阻的选取 ：充电电阻在电容充电时起隔离作用 ，但当充电完成后 ，球隙被击穿后，电容会通过充电电阻进行放电 ，导致充电电阻上形成压降 ，使输出电压降低 ，从而使电压利用系数降低 。 因此必须使内部放电的时间常数为外部放电的时间常数的 1020 倍。由图 3 所示：2u iR2ir fC du3idtRr f，外部放电时间常数为则内部放电的时间常数为 C()63C ( r f ) ，因此：2nR

12、r fCC (3) (1020) ( r f )62n式中 n 为级数 。则:(1020) Crfr f1019.5362111.896R 632nC取 R 3K ，由于是两个电容串联对充电电阻进行放电 ，因此每根充电电阻的结构长度应能耐受 300KV。若取保护电阻 R0 为充电电阻的 50 倍，则保护电阻 R0 为 150 K 。.专业资料 .2.3.3、试验变压器的选择由于采用的是对变压器输出电压进行整流后再对电容进行充电，考虑到上臂的电阻R 要比下臂的电阻 rtrf 大很多，因此考虑上臂最后一个电容器充满电需要的时间，充电时间 :t充 =15(2nR R0 ) nC 15 (2 5 3k

13、150k ) 5 0.65 10 68.775s考虑实际电路中杂散电容的影响，因此取为 10s。变压器容量在考虑安全系数为3.0 以及倍压充电回路时为 ：S 3.0 2 Wn=3.02 73.12543.875kVAT充10充电变压器高压绕组的电压（有效值）在考虑一定的裕度后的值为：U 1.1 150 116.67 kV2所以选用上海神模电气有点公司出产的型号为G-YD50/150 的轻型高压试验变压器 ，详细的参数如下表3：表 3 ：试验变压器型号容量高压电压高压电流低压输入型号（ KVA）（ KV）（MA）电压 V电流 AG-YD50/15050150333380132实际图片如下 ：.专

14、业资料 .单相调压器为上海羽顺机电设备制造有限公式出产的型号为TDGC2J 的单相调压器 ，额定输出电压范围为220V ，输出电压范围为 0250V。具体参数如下表 4；表 4 ：调压器参数产品尺寸包装尺寸规格型号重量 （ kg ）台装（ cm ）（ cm ）TDGC2J2KVA21*25*2311.825*50*442图片如下 ;.专业资料 .2.3.4、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 150 1.1 150315KV 。硅堆的额定电流以平均电流计算。实际充电电流时脉动的，充电之平均电流较大 。 选择硅堆用的平均电流难以计算 。现只能根据充

15、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 。变压器的输出电流为 ：500.47 AI T150 /2因此，选硅堆的额定电流为 0.5A。选择由鞍山雷盛电子有限公司出产的型号为 2CL400KV/500mA 的高压硅堆 。实际图形如右 ：具体参数如下表5：表 5：高压硅堆参数反向重复正向平均最大正最大正向最大直流反向电流 型号峰值电压整流电流向浪涌峰值电压AKVmA电流 AVTa=25 Ta=100 2CL400KV/500mA400500254201075.专业资料 .2.3.5、球隙的选择由于每级两个电容上的电压为300KV，因此选取球隙的击穿电压约

16、为 300KV 时最佳 。从清华大学出版的高电压试验技术的附录A 中，可以看到选取 50cm 的球隙，距离为 12cm 时，放电电压为 309kV 。因此可选择这种球隙作为点火球隙。而取 75cm 的球隙，其在距离为 12cm 时的放电电压为 315kV 。因此取 4 对球直径为 75cm 的球隙用于后面4 级。2.3.6、绝缘支撑件的选择根据上图的布置结构来看，绝缘支撑件的高度要与电容器的高度相匹配，由于每个电容器的总高度为1730mm 。冲击电压发生器为五级，则绝缘支撑件的高度为 ： h 6(1730mm) 10.38m 。考虑一定的裕度，则绝缘支撑件的高度为h 6 (2000mm)12m

17、绝缘支撑件由于要起支撑作用，电容器的长宽高分别为410 145 1260mm ，因此采用半径为 200mm 的圆柱形的支撑件 ，由于要保证.专业资料 .绝缘，可采用的绝缘支撑件的材质可为陶瓷 ，聚酯，玻璃纤维 ，若为户外使用则可选陶瓷的 ，户内使用可选择玻璃纤维材质的绝缘支撑件。电容器与绝缘支撑件平行放置 ，为减小电容之间电磁的影响 ，可使两个绝缘支柱之间的距离约为 1m 。2.3.7、固有电感的估算雷电冲击试验回路电感L 包括冲击电压发生器的电感 LG 以及冲击电压发生器本体至被试品之间的高压引线及接地回路，即外回路的电感 L1 。即：LLGL1（1）冲击电压发生器的电感LG冲击电压发生器的

18、电感LG 为试验中所采用的冲击电压器级数n 乘以各级小回路的电感Lg 。即：LGnLgn(LcLdLr )式中， Lc 为每级脉冲电容器的电感，根据设计中选取的电容器型号可得电容器的电感为250nH ，由于每级由两个电容串联，因此每级总的电感为500nH 。 Ld 为每级小回路中扣除电容器及波前电阻所占有的空间回路长度之外的引线长所代表的电感。假设每级引线长度为 2.95m ，现以 1H /m 估算，故 Ld 2.95 H。 Lr 为每级波头电阻r f 的残余电感 ，假设每根波头电阻的残余电感为1.1H 。由于此次设计中采用五级串联 ，因此冲击电压发生器的电感为：LG5(0.52.951.1)

19、22.75H.专业资料 .（2）外回路电感 L1外回路的电感考虑在冲击电压发生器第五级波前电阻末端（按 5级电容器的高度算为8.65m ）水平向外引出0.5m 引线，然后垂直引向地面并与冲击电压发生器接地相连接，这时的外回路为一开口矩形，其三条边的总周长为9.65m ，以 1H /m 进行估算 ，其开口矩形的外回路引线电感为 ：L19.65H因此固有电感约为LG L1 32.4 H 。三、仿真实验及结果3.1、不考虑杂散参数的仿真由于是对等效电路进行的仿真 ，因此仿真所用参数均为等效电路中 的 参 数 。 C1=0.065 f ， C2=0.0021 F ， Rf=182.06 ， Rt=10

20、64.51 。并假定 C1 上的初始电压已经充电到了 1500KV 。仿真电路图如下 ：示波器中的波形如下所示：.专业资料 .1.410.94由图中可以看出 ，输出电压为 1.41KV，效率为15，与理论分析接近 。波头时间为 1.1s，波尾时间为 47.6s。实际中允许的偏差如下 ：波头时间30%波尾时间20%即对应于 1500KV的标准雷电波形来说，波头时间允许在为0.841.56s 范围内，波尾时间允许在 40 60 范围内 。从仿真结果来看在误差范围之内 。3.2、考虑杂散参数的仿真冲击电压发生器的电感为 ： LG5(0.5 2.951.1) 22.75 H ，外回路引线电感为 ： L

21、19.65 H ，则总的固有电感为32.4H。 冲击电压发生器对地电容以及分压器电容估算为200pF 。 得到仿真电路图如.专业资料 .下：示波器中的波形如下图所示：由波形图可看出 ，波头波形处冲击峰值过冲 ，不加对地电容的作用后，电路图及波形如下 ：.专业资料 .负载电容上的输出波形 ：对比前后两波形图 ，可以看出 ，省略对地杂散电容之后 ，波头波形处的冲击电压增加了 ，因此可以看出波头波形过冲的主要原因来自于电感的作用 。回路电感上的波形如下 ：.专业资料 .电感的存在严重影响了输出波形 。由上图中电感上的电压波形图所示，在放电瞬间电感上的电压突变 ，电感开始储能 ，在充电电流首个峰值时

22、，电感能量开始释放 ，相当于主电容和电感串联对负载电容继续充电 ，产生冲击峰值过冲 。3.3、对参数进行改进由于上述方针中的Rf 的计算中没有考虑电感的影响，由于回路电感的不可避免 ，电感的存在将严重的影响输出波形 ，考虑电感的作用后RfT1C1 C21.2 10 60.0650.0021 62.33C1C22.330.06510 253.170.0021再对电路进行仿真 ，得到输出电压波形图如下：.专业资料 .由上图可见 ，对波头电阻 Rf 进行改进之后 ，输出电压波头波形得1.410.94到了改善 ，输出电压峰值为1.41kV ，效率为15。波头时间为 1.2s，波尾时间为 48s。误差在

23、允许范围内 ，满足设计要求 。四、 测量系统设计在进行高电压和大电流试验时 ，需要对试验电压和电流进行测量 。雷电冲击电压的特点是持续时间短 ，波形变化快 ，且峰值高 ，因此要求冲击电压测量系统具有很好的瞬态响应特性 。 本次设计采用冲击分压器作为冲击测量系统的转换装置 ，将高达几十万伏或几百万伏的冲击高电压转换成示波器等记录仪器能够测量的低电压 。 冲击分压器可分为电阻分压器 、电容分压器和阻容分压器 。 本次设计的冲击电压发生器输出标称值为 1500KV 的雷电冲击电压 ，采用串联阻容分压器中的低阻尼电容分压器来构成测量系统 。.专业资料 .4.1 分压器选型 、参数与结构设计 ，电缆以及

24、匹配阻抗的选择高压C1臂低C2R1压R2j臂g图 5 设计原理图如上图 5 所示，分压器高压臂 C1 采用电感量较小的聚苯乙烯电容器串联 ，低压臂C2 采用电容量较大的电容器并联 ，放置于金属圆柱容器中 ，高压臂末端串联阻尼电阻 R1 ， R2 是匹配电阻 ，其阻值与同轴电缆波阻抗相同 。二次电压通过电缆头 j 引出，保护间隙 g 用来保护二次设备和人身安全 。被测电压为1500KV 的雷电冲击电压 ，按标准大气压下绝缘爬距3KV/mm ，并考虑安全裕度计算 ，分压器高度 h=1500/3=500mm。高压臂电容选用型号为MY200-0.0006的脉冲电容器 （见清华大学出版的高电压试验技术附

25、录表A3），详细规格如下表 ，额定电标称电容外形尺寸重量型号适用范围压/kV/uF/mm/kg182*660冲击电压MY200-0.00062000.000618.7胶纸壳分压器选用上述电容器8 个串联即可构成额定电压为1600kV ，电容量.专业资料 .C175 pF 。考虑同轴电缆匹配阻抗时，为避免电磁干扰 ，同轴电缆的首段接地屏蔽应与低压臂的外屏蔽紧密且紧凑的相连接，测量接线示意图如图 6 所示。U1R1C1R2ZCROR3U2C3C2图 6 低压臂同轴电缆首末两端匹配由上图可得分压比K 为：U 1C1 C2 C3 Cc2(C1 C2 )KC1C1U 2为避免同轴电缆在传输中的衰减，因此

26、选取衰减系数较小的型号。根据清华大学出版的高电压试验技术的附录表A5 中选取型号为SYV-75-2 的同轴电缆 。参数如下表 ：计算重量 /电容不大试验电压电晕衰减不波阻型号于/千伏电压大于（kg/km ）抗（pF/m ） （50Hz）/kV/(dB/m)SYV-75-211.370 80741.80.90.28为消除记录仪器与高压试验区间的强电场和电磁干扰以及保证安全 ， 采 用20m长 的 测 量 同 轴 电 缆 。 由 上 表 得CcC0l74201480 pF 。.专业资料 .同轴电缆的阻抗匹配采用首末两端匹配，故匹配电阻 R2 、 R3 都等于电缆波阻抗 Z，即 R2 R3 Z75。

27、为满足传输过程中初始分压比等于最终分压比 ，则：C1C2C3 Cc式中 Cc 为同轴电缆集中电容 。假设输出端示波器输入电压不高于600V，则：1500kV600VK得到：C21249C10.094F因此选用两个型号为MY110-0.2 的脉冲电容器进行并联，并联后C20.1F ，此时分压比 K2668.7,示波器的输入电压为 562.08V 。因C2远大于 Cc ，末端匹配电容C3 的电容值可近似选择等于C2，即C30.1F 。4.2 考虑高压引线的影响高压脉冲源与分压器之间有一段高压引线 ，高压引线必然会影响分压器的特性 ，而串联阻尼电阻可减小影响 。 假定高压引线和分压器电感总和为 L （由于高压引线电感大于分压器自身电感 ，故 L 近似C1C2为高压引线电感 ）， R1 为阻尼电阻 ， C 为分压器电容CC2 。C1加入阻尼电阻 R1 后，为减小振荡 ，在不考虑另加低压臂的补偿电阻时 ，为减小响应时间而使波形捎带振荡，阻尼电阻必须满足.专业资料 .R1(0.25