高电压技术课程设计

1、高电压技术课程设计冲击电压发生器的设计一、引言冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，在电力系统中主要用于研究电力设备遭受大气过电压和操作过电压时的绝缘性能。本文是高电压技术课程的课程设计，参考相关文献完成了冲击电压发生器设计，了解了该装置基本原理、设计流程、注意事项等。二、设计过程1. 最大输出电压300800kv2. 冲击电容为保证冲击电压发生器有较大适用范围，考虑试验可能遇到的最大的试品电容（不考虑大电力变压器和整卷电缆试验的情况）（1）试品中互感器电容最大，约1000pf（2）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值取500pf（3）电容分压器（分压器采用电容

2、式分压器）的电容估计值取600pf由此得出，总的负荷电容约为为保证发生器有足够高的效率，同时兼顾经济性，冲击电容取负荷电容10至20倍，则冲击电容为3. 电容器的选择型号my1100.2脉冲电容器参数如下表型号额定电压（kv）标称电容（pf）外形尺寸（mm）重量（kg）适用范围my110-0.2110200000瓷壳249冲击电压发生器需满足两个要求：（1）电压发生器额定电压要求：300800kv（2）冲击电容要求：2100031500pf采用my1100.2脉冲电容器，7级串联，此时冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约为770kv满足（300800kv），且冲击电容为200000/7=285

3、71满足（2100031500pf）4. 回路选择采用高效回路，单边充电。图 1 高效回路上图中c为型号my110-0.2脉冲电容器， r为充电电阻，r为保护电阻（同时起均压作用，使电容充电比较均匀），大小取10r，rf为波头电阻，rt为波尾电阻。回路化简及等效如下图图 2 等效回路充电测量：毫安表测量充电电流，微安表与大电阻串联测量充电电压。图 3 充电回路电参数测量5. 冲击电压发生器主要参数（1）额定电压u1=7*110=770kv（2）冲击电容c1=200000/7=28571pf（3）能量w=1/2*0.028571*10-6*(770*103)2= 8.4699e+003j=8.4

4、7kj6. 波头电阻和波尾电阻计算假定（1）试品电容为1000pf（2）负荷电容为2100pf则由于波前时间等效回路：图 4 波前时间等效回路：波头长得， 波长时间等效回路图 5 波长时间等效回路：波长时间得，7. 充电电阻和保护电阻阻值计算及电阻材料的选择下图为充电回路内部环流，为减小充电回路内部放电回路对冲击电压发生器放电回路的影响，要求r+rf1020rt。图 6 充电回路内部rc回路环流（1） 充电电阻r20*337.5-27=6723欧姆，取10千欧，结构长度应能承受110kv电压。由于高效回路发生球隙放电不同步等异常时，电容的能量都将从波头和波尾电阻释放（由于充电电阻r远大于波头波

5、尾电阻），所以一般情况下充电电阻不存在过热的危险，故电阻的制作只需考虑绝缘的问题。图 7 无感电阻绕制采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值20kohms。采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取0.050mm，截面积0.001964mm2，每米电阻555ohms，则电阻丝长度为20000/555=20.036m。选外径为80mm，壁厚为3mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm极板间隙放电电压为1kv，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为0.1mm。由绝缘筒截面周长约为250mm。波前电阻丝所绕圈数20036/250= 80圈，故80圈电阻丝之间

6、承受电压110/80=1.375kv/圈，故电阻丝间距必须大于1.375mm，取1.4mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。（2） 保护电阻r取为40r=400kohms，结构长度应能承受1.1*110=121kv电压。保护电阻亦不需考虑过热的问题，而只需考虑绝缘问题，采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值800kohms。采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取0.020mm，截面积0.000314mm2，每米电阻3470ohms，则电阻丝长度为800000/3470=230.548m。选外径为300mm，壁厚为5mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，

7、根据1mm极板间隙放电电压为1kv，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为0.1mm。由绝缘筒截面周长约为942mm。波前电阻丝所绕圈数230548/942= 245圈，故245圈电阻丝之间承受电压为110*1.1/245=0.494kv/圈，故电阻丝间距必须大于0.494mm，取0.5mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。8. 冲击发生器效率9. 充电时间估算非高效充电回路可作下列等效处理，由于是整流电压充电故充电时间较直流电压要长，t充=15rnc。（高效回路应有类似结论，下面直接用此结论）由等效电路估算，7个110kv电容器串联 ，90%充电时间约为t=15rnc=15*400*103*7*

8、0.2*10-6=8.4s10. 硅堆选择短时最大充电电流=按有效值选硅堆的额定整流电流=硅堆反峰电压=选用硅堆：反峰电压231kv，额定整流电流=100ma查表得型号为“2dl 250/0.1 浸油”硅堆参数如下型号反向工作峰值电压ur/kv反向漏电25/a正向压降/v平均整流电流if/a外形尺寸/mm2dl 250/0.1 浸油250102000.1l=800;d=25;h=35故可选用“2dl 250/0.1 浸油”硅堆。11. 变压器选择容量计算电压有效值=故可选全绝缘变压器：yd型100kv/10kva12. 球隙和触发器的选择及球隙放电同步性球隙：250mm在球隙距离为40mm时放

9、电电压为112kv（略大于110kv），故选取7个直径250mm的铜球。点火球隙和触发装置：图 8 点火球隙和点火发生装置实际上当第一级球隙放电后，由于球隙间等效电容、充电电容和杂散电容三者分压，以及回路中充电电阻、波前、波尾电阻对电压分布的影响，球隙的电压将比理想值要小，故可能引起放电不同步，为改善球隙放电同步性将冲击电压发生器球隙排在一垂线上，后一级球隙放电可利用前一级放电时产生的紫外线。13. 波头电阻和波尾电阻的计算及选择已知rf=27.0ohms；rt=337.5ohms，一级电容器储能为为保证电阻不至于因发热而烧坏，考虑电容rf、rt上可能消耗的最大能量，从而选择电阻材料（康铜丝）

10、和结构。名称主要成分%电阻率（20）电阻温度系数（）最高工作温度（）平均热容康铜（8.9g/）ni（39-41）mn(1-2)cu(余量)04855000.1电阻最高温升为150，电阻丝长为l(m)，截面积为a()（1） 试品不放电时，全部能量消耗在rt，即1.21kj采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值2*237.5=475ohms，消耗能量1.21/2=0.605kj。冲击放电时间极短，故电阻上消耗能量的过程看作是绝热过程，能量全部转化为电阻温升。（注：下式是参照清华大学张仁豫教授的高电压试验技术第一版的结论而列写的，其中的系数0.24我也未理解其含义，而且在该书第二版中该系数也

11、被不存在，个人也倾向于第二版的结论，但这里仍按第一版的结论计算）解得：l=46. 3964m，a=0.0469mm选择与上述值最接近的电阻丝，线径0.250mm，截面积0.0491，9.78ohms/m，应取长度l=475/9.78=48.57m，可得此时实际温升137150，符合要求。（2） 试品放电时，rt、rf的分流作用导致电容能量的，即0.8979*1.21=1.0865kj，消耗在rf。采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值2*27=54ohms，消耗能量1.0865/2=0.5432kj。（注：下式是参照清华大学张仁豫教授的高电压试验技术第一版的结论而列写的，其中的系数0.

12、24我也未理解其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在，个人也倾向于第二版的结论，但这里仍按第一版的结论计算）解得：l= 10.4814m，a= 0.0932mm2选择截面积0.0962，线径0.350mm，4.99ohms/m，应取长度l=54/4.99= 10.82m，可得此时实际温升141150，符合要求。（3） 绝缘筒的选择波头电阻绝缘筒：选外径为50mm，壁厚为3mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm极板间隙放电电压为1kv，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为1mm。由绝缘筒截面周长约为157mm。波前电阻丝所绕圈数10481.4/1

13、57= 67圈，故67圈电阻丝之间承受电压为110/67=1.6418kv/圈，故电阻丝间距必须大于1.7mm，取1.7mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为。波尾电阻绝缘筒：选外径为80mm，壁厚为3mm的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm极板间隙放电电压为1kv，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为1mm。由绝缘筒截面周长约为250mm。波尾电阻丝所绕圈数46396.4/250=185.6=186，圈绝缘必须大于110/186=0.5914kv/圈，取0.6，故绕制波尾电阻的绝缘筒长度为14. 分压器的选择（1）采用电容式分压器,考虑到前文中估算负

14、荷电容时将电容分压器的电容估计为600pf,所以电容分压器除考虑分压比外，还需考虑其等效电容值，选用集中式电容分压器。示波器选择：sbgm-2.5kv由于冲击电压峰值约700kv,而示波器输入电压约为2.5kv,故分压比可选择为500:1，则，即c2=499c1等效电容为600pf，则所以，（2）考虑阻抗匹配如下图，其中z为电缆波阻抗，匹配电阻r1、r2大小等于z。脉冲波第一次进入电缆线时，波大小为，而示波器可等效为一电容，其电容值很小，故波在此处发生全反射，使末端电压为，而此反射波到达r1时由于r1=z故不发生反射，这样就实现了阻抗匹配。图 9 冲击电压测量装置阻抗匹配15. 容性试品前文在

15、估算容性试品电容值时，假设了可能选取的最大情况，即互感器1000pf（不考虑整卷电缆线的情况），而充电电容的电容量是按照这个值进行计算的，所以对电容小于1000pf的试品此装置均可满足要求，而实际试验时为满足波形的要求，可补偿一电容器使等效负荷电容为1000pf。关于该冲击电压发生器的不同试验试品所能达到的电压等级可参看gb 311-64。16. 冲击电压发生器结构设计考虑到级数为7为奇数，为保证空间对称性从而杂散参数对称，故采用单柱柱式结构。图 10 冲击电压发生器柱式结构17. 测量装置的抗干扰图 11 冲击电压发生器各系统位置关系（1）分压器与试品间为避免相互的电场及电磁场的干扰影响，两

16、者必须相距一定的距离。（2）测量仪表必须远离高压试区外，同时应放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他严密的防干扰及反击措施.（3）为了消除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及安全事故，须采取几十米长的射频同轴电缆，从分压器下端把电压信号引至记录仪器。（4）同轴电缆的外层屏蔽层良好接地，屏蔽静电场，防止静电场对内导体的作用。在实验室内击穿放电时，会产生很大的振荡的短路电流，若仅用简单的导线作为接地回路，不可能使电压降减至很小。为了减小阻抗应采用高导电材料的铜或铝制成的大金属板。许多近期建造的高压实验室把这种接地回路与整个法拉第笼焊接在一起，使之构成全屏蔽的实验室。在较老的实验室里，至少应

17、采用较宽的金属带来组成接地回路。二、实验仿真按设计过程有冲击电压发生器性能参数如下：90%充电时间：8.4s冲击发生器效率：93.2%输出波形1.2/50s1.充电时间仿真采用multisim仿真，电路如下图：图 12 充电回路multisim电路仿真以最后一级电容器充电完成时间作为充电回路充电时间，将数据导入matlab做出图形如下。图 13 冲击电压发生器充电过程（最后一级电容器电压）由上图知90%充电时间为8.026s，而理论充电时间8.4s时充电，9.963e4/110e3=90.6%=91%，与理论值吻合。2冲击发生器效率与冲击波形仿真电路如下图 14 冲击电压发生器放电回路仿真图

18、15 冲击电压仿真波形计算波头图 16 冲击电压波波头时间计算tf=t2-t1=0.9007-(-0.1906)=1.0913s=1.2s+9%（符合标准）计算波长图 17 冲击电压波长时间计算波长tt=t3-t1=52.5-(-0.1906)=52.7s=50s +5%（符合标准）效率，而估算值为92.3%，相差不大。三、结束语本次课程设计主要参考了清华大学张仁豫教授主编的高电压试验技术第一版，根据书中的介绍完成了发生器参数的计算和相关元件型号的选择。其次还参考了林福昌老师编著的高电压工程，以及其他一些文献，在此对作者表示感谢。此外还要谢谢老师和同学的帮助。本次课程设计总体来说不是很满意，其中关于触发器的选择、冲击电压发生器的绝缘、发生器各结构间的空间布置没有做认真的论述，一方面这与手中资源有限和检索方式落后有关，而也存在自身的原因。当然工程设计设计很广泛的知识，要考虑的问题很多，而现阶段我也不可能考虑的很全面。当然这次课设还是有很大收获的，首先对冲击电压发生器的工作原理有了更深的理解，结合高电压技术和电路理论的知识能分析发生器基本电路及某些等效电路工作状态；其次