冲击电压发生器

1、详中科在大学高电压技术课程设计姓名：赖智鹏学号：U6班级：电气0809班邮箱: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，在电力系统中要紧用于研究电力设备蒙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，了解了该装置大体原理、设计流程、注意事项等。二、设计进程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，考虑实验可能碰到的最大的试品电容(不考虑大电力变压器和整卷电缆实验的情形)(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

2、球隙等的电容估量值取500pF(3)电容分压器(分压器采纳电容式分压器)的电容估量值取 600pF由此得出，总的负荷电容约为C21000 500 6002100pF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，那么冲击电容为C1 (1020)C2 (21000 31500)pF3 .电容器的选择型号MY110-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110200000635 500凡兀249冲击电压发 例需知足两个要求：(1)电压发生器额定电压要求：300800kV(2)冲击电容要求：2100031500pF采纳

3、MY110-脉冲电容器，7级串联，现在冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约为 770kV 知足(300800kV),且冲击电容为 200000/7=28571 知足(2100031500pF)4 .同路选择采纳高效回路，单边充电。上图中C为型号脉冲电容器， R为充电电阻，r为爱惜电阻（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。回路化简及等效如以下图图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 .冲击电压发生器要紧参数(1)额定电压 U1=7*110=770kV(2)冲击电容 C1=200000

4、/7=28571pF(3)能量 W=1/2*10A-6*(770*10A3)A2= +003J=6 .波头电阻和波尾电阻计算图4波前时刻等效回路:假定(1)试品电容为1000pF(2)负荷电容为2100pF那么由于波前时刻等效回路：波头长tf 1.210 63.24rfC1C2 3.24 C1 C2 _12 _122100 1028571 10rf _12 _122100 10 1228571 1012rf189.33189 ,rf189.33 / 727.047127.0波长时刻等效回路图5波长时刻等效回路:波长时刻tt 50 1060.69rt (285712100) 1012rt2362

5、.6 =2363rt2362.6 / 7337.57 .充电电阻和爱惜电阻阻值计算及电阻材料的选择以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 的阻碍，要求R+rf>1020rt 。图6充电回路内部 RC回路环流(1) 充电电阻R>20*=6723欧姆，取10千欧，结构长度应能经受 110kV电压。由于高效回路发生球隙放电不同步等异样时，电容的能量都将从波头和波尾电阻释放(由于充电电阻 R远大于波头波尾电阻)，因此一样情形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。:Hill 1王“川e1 HillllJI ”；用iii而蓄油i；图7

6、无感电阻绕制采纳双股反绕的无感电阻结构，那么波尾电阻每股阻值20kohms。采纳电阻率较大的馍铭丝绕制。线径取，截面积，每米电阻555ohms,那么电阻丝长度为 20000/555=。选外彳仝为80mm壁厚为3mm勺环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝经受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，依照1mm极板间隙放电电压为 1kV,那么绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为。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圈电阻丝之间经受电压 110/80=圈，故 电阻丝间距必需大于，取，那么绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为1.48080 0.1120.0mm(2) 爱惜电阻

7、r取为40R=400kohms结构长度应能经受 *110=121kV电压。爱惜电阻亦不需考虑过热的问题，而只需考虑绝缘问题，采纳双股反绕的无感电阻结构，那么波尾电阻每股阻值800kohmso采纳电阻率较大的馍铭丝绕制。线径取，截面积，每米电阻3470ohms,那么电阻丝长度为 800000/3470=。选外彳仝为300mm壁厚为5mm勺环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝经受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，依照1mm极板间隙放电电压为 1kV,那么绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为。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圈电阻丝之间经受电压为1

8、10*245=圈，故电阻丝间距必需大于，取，那么绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为0.5245245 0.1C1C1C22857128571 210093.2%8 .冲击发生器效率9 .充电时亥ij估算非高效充电回路可作以劣等效处置，由于是整流电压充电故充电时刻较直流电压要长, T充=15rnC。(高效回路应有类似结论，下面直接用此结论)硅堆反山I电压=110 1.1110231kV选用硅堆：反峰电压231kV,额定整流电流=100mA查表得型号为“ 2DL 250/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 cl A正向压降/V平均整流电流 If/A外形尺寸/mm2DL 250

9、/ 浸油250<10<200L=800;D=25;H=35故可选用“ 2DL 250/浸油”硅堆。由等效电路估算，7个110kV电容器串联，90砒电时刻约为t=15rnC=15*400*10A3*7*10A-6=10.硅堆选择110 1031.1 7T3短时最大充电电流=400 100.3A300mA按有效值选硅堆的额定整流电流300=.3054.8 mA11. 变压器选择容量计算 21 O163n - cu27 -0.210 6 (110 103)S2 2 1.0083 103VA=1.0083kVA8.48. 4电压有效值=1110288kV故可选全绝缘变压器：YD型100kV

10、/10kVA12. 球隙和触发器的选择及球隙放电同步性球隙：？250mm&球隙距离为 40mm寸放电电压为 112kV （略大于110kV）,应选取7个 直径250mml勺铜球。点火球隙和触发装置：图8点火球隙和点火发生装置实际被骗第一级球隙放电后，由于球隙间等效电容、充电电容和杂散电容三者分压，和回路中充电电阻、波前、波尾电阻对电压散布的阻碍，球隙的电压将比理想值要小，故可能引发放电不同步，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= ; rt=, 一级电容器储能为1a-0.2 1

11、0 6 （110 103）21.21kJ为保证电阻不至于因发烧而烧坏，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）和结构。名称主要成分电阻率(20C)2 .mmm电阻温度系数（10 6 / C）最局，作 温度（C）平均热容Kcal kg ? oC康铜3(cm )Ni( 39-41 ) Mn(1-2) Cu(余量)0. 485500电阻最高温升为150 C,电阻丝长为L（m）,截面积为A（mm）（1） 试品不放电时，全数能量消耗在rt ,即采纳双股反绕的无感电阻结构，那么波尾电阻每股阻值2*=475ohms,消耗能量2=。冲击放电时刻极短，故电阻上消耗能量的进程看做是绝热进

12、程，能量全数转化为电阻温升。（注:下式是参照清华大学张仁豫教授的高电压实验技术第一版的结论而列写的，其中的系数我也未明白得其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在，个人也偏向于第二版的结论，但那个地址仍按第一版的结论计算）8.9 L 1004750.48_AA一 0.11501.211003100.24解得：L=46. 3964m , A=选择与上述值最接近的电阻丝，线径，截面积mm, m,应取长度L=475/=,可得现在实际温升137c <150 C,符合要求。(2) 试品放电时, 消耗在rf 。rt、rf的分流作用致使电容能量的23",即*=,采纳双股反绕的无感电阻结构,

13、 下式是参照清华大学张仁豫教授的那么波尾电阻每股阻值2*27=54ohms,消耗能量 2=。(注:高电压实验技术 第一版的结论而列写的， 其中的系数个人也偏向于第二版的结论,我也未明白得其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在, 但那个地址仍按第一版的结论计算)540.48-AA38.9 L 1000.11500.5432100.24100解得：L= , A=选择截面积mm,线径，m应取长度L=54/=,可得现在实际温升 141c <150C,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勺环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝经受最大冲击电压时，匝间和表面不放

14、电，依照1mm极板间隙放电电压为 1kV,那么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 157= 67圈，故67圈电阻丝之间经受电压为 110/67=圈，故电阻 丝间距必需大于，取，那么绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为1.7 42 42113.4mm波尾电阻绝缘筒：选外径为80mm壁厚为3mm勺环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝经受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，依照1mm极板间隙放电电压为 1kV,那么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 250=186,圈绝缘必需大于 110/186=圈，取，故绕制

15、波尾电阻的绝缘筒长度为0.6 186 186297.6 mm14. 分压器的选择(1)采纳电容式分压器，考虑到前文中估算负荷电容时将电容分压器的电容估量为 600pF,因此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:由于冲击电压峰值约 700kV,而示波器输入电压约为，故分压比可选择为 500:1 ,那么C11C1 C2500 ,即 C2=499C1C1 C2等效电容为600pF,那么C1 C2600pFC1600pF因此，C2300000pF(2)考虑阻抗匹配如以下图，其中Z为电缆波阻抗，匹配电阻 R-、R2大小等于Z。脉冲波第一次进入电缆线时，波大小为

16、U1号人1 U1C1U1 C1 C2,而此反射波抵达 R1时由于R1=Z故2 C1 C2 ,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，使结尾电压为 不发生反射，如此就实现了阻抗匹配。OCR).©1IHYT15. 容性试品前文在估算容性试品电容值时，假设了可能选取的最大情形，即互感器 1000pF (不考 虑整卷电缆线的情形)，而充电电容的电容量是依照那个值进行计算的，因此对电容小于 1000pF的试品此装置都可知足要求，而实际实验时为知足波形的要求，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实验试品所能达到的电压品级可参看GB 311

17、-6416. 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，故采纳单柱柱式结构。图10冲击电压发生器柱式结构17. 测量装置的抗干扰一巴生电小血色统_ I _ 恻导也压的系统图11冲击电压发生器各系统位置关系(1)分压器与试品间为幸免彼此的电场及电磁场的干扰阻碍，二者必需相距必然 的距离。(2)测量仪表必需远离高压试区外，同时应放置在屏蔽室或屏蔽箱中利用，而且 要采取其他周密的防干扰及还击方法.(3)为了排除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及平安事故，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

18、蔽静电场，避免静电场对内导体的作用。 在实验室内击穿放电时，会产生专门大的振荡的短路电流，假设仅用简单的导线作为接 地回路，不可能使电压降减至很小。为了减小阻抗应采纳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路，使之 组成全屏蔽的实验室。在较老的实验室里，至少应采纳较宽的金属带来组成接地回路。、实验仿真按设计进程有冲击电压发生器性能参数如下:90砒电时刻：冲击发生器效率：%输出波形50 ds采纳Multisim 仿真，电路如以下图:图12充电回路 Multisim 电路仿真以最后一级电容器充电完成时刻作为充电回路充电时刻，将数据导入Matl

19、ab做出图形如下。12» ,X: 8,062Y: 9.9e+004 1X: 8.4Y: 9.963e+004$冲击 电压发生器充电回路末端电容充电过程1086422410124 x 1068t/s14图13冲击电压发生器充电进程（最后一级电容器电压）由上图知90%充电时刻为，而理论充电时刻时充电，110e3=%=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Rt -"口I l_L-_-Wr- RfVolUge MeasurementSoopeC2 'IOut1Continuouspogrgui图14冲击电压发生器放电回路仿真5x 10a输出脉冲波形76

20、5X: 1.9e-0Y: 6.978)06e+005 1fX: 7.92e-CY: 6.283e-07+005V 4X: 5.25e-005QY: 3.494e+005321dX: 1.2e-007Y: 1.986e+005iI10012341t/s5678-5x 10图15冲击电压仿真波形计算波头图16冲击电压波波头时刻计算Tf=t2-t1= (1 s=(1 s+9% (符合 I E C 标准)计算波长865V 431X: 9.007e1 Y: 6.978e-007t+00521X: 7.92e-0Y: 6.283e-079卜0050%峰值X: 5.25e-00550%峰值Y: 3.49t34e+005X: 1.2e-007Y: 1.986e+005）%峰值d)X: -1.906e-007Y: 00t1 波头时间计算5x 10012345678t/s-5x 10波长 Tt=