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电气与电子工程学院冲击电压发生器的设计电力系统种的高压电气设备，除了承受长时期的工作电压外，在运行过程种，还可能会 承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。一般用冲击高压试验来检验高压电气设备的雷 电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。雷电冲击高压试验采用全波冲击电压波形或截波冲击电压波形，这种冲击电压持续时间 较短，约数微秒至数十微秒，它可以由冲击电压发生器产生；操作冲击电压试验采用操作冲 击电压波形，其持续时间较长，约数百微秒至数千微秒，它利用变压器产生，也可利用冲击 电压发生器产生。许多高电压试验室的冲击电压发生器既可以产生雷电冲击电压波，

2、也可以 产生操作冲击电压波。冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置。雷电冲击电压波是一个很快地从零上升到峰 值然后较慢地下降地单向性脉冲电压。一. 设计目标：输出波形为 1.2/50s标准波形，回路采用高效率回路， 输出电压为 300800kV， 发生器级数为 48 级。二. 设计过程：1试品电压等级的确定表 1. 冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间关系试品额定电压 / kV35110220330500冲击电压发生器标称电压 / MV0.4 0.60.81.51.82.72.4 3.62.74.2要求的输出电压为 300800kV ，根据上表，可以暂定试品的电压等级为 66kV 。根据

3、 66kV设备雷电冲击耐受电压 （峰值 ）表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高， 为 385kV，击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数1.3 ；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化， 考虑老化系数取 1.1 ；假定冲击电压发生器的效率为 85%， 故冲击电压发生器的标称电压应不低于：U1 385 1.3 1.1/ 0.85kV 647kV所以可取冲击电压发生器的标称电压为 660kV2冲击电容的选定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

4、估计为 600pF，则总的负荷电容为C2 (1000 500 600) pF 2100 pF如按冲击电容为负荷电容的 10 倍来估计，约需冲击电容为C1 10C2 21000 pF从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY11 0 0.2 瓷壳高压脉冲电容器比较合适，这种电容器的规格如表 3 所示。表 3. MY11 0 0.2 瓷壳高 压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MY11 0 0.21100.2 635× 500249瓷壳用此种电容器 6 级串联 ，标称电压可达到 660kV ，满足前述要求，每级一个电容器， 使冲击电 容C

5、 (0.2/ 6) F 0.0333 F此值 10C2 ，可使(电压)效率不致很低。3. 冲击电压发生器主要参数 ：标称电压： U1 110 6kV 660kV冲击电容： C 0.0333 F标称能量： Wn CU12/ 2 0.0333 6602/2kJ 7.26kJ4回路的选择选用高效率回路和倍压充电，回路如下图所示5. 波前电阻和波尾电阻的计算 ：试品电容约 1000pF，负荷总电容为 2100pF，波前等效回路所以波前时间 Tf 1. 2s3. R2f4 C1C2 C /1(C 2 )3.24Rf 0.0333 F 0.0021 F /(0.0354 F )求出 Rf 187.5 ，每

6、级 rf Rf / 6 31.25 。半峰值是等效回路故半峰值时间 Tt 50 s 0.693Rt (C1 C2) 0.693Rt (0.0333 F 0.0021 F)求出 Rt 2038 ，每级 rt Rt / 6 340 。6. 冲击电压发生器的效率 ：C1 /(C1 C2) 0.0333/ 0.0354 0.94此值比原估计的效率 0.85 高，所以所选电容是合适的。7. 充电电阻和保护电阻的选择 ：要求 C(R rf ) (10 2C0rt) ，得：R (20 340 31.25) 6769取 R 10k 。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

7、阻 R 的 40倍，则保护电阻 r 为 400k 。8. 充电时间的估算 ：因为采用了倍压充电回路，由式 T充 15(r 8nR/ 2)nC 15(r nR)nC ，但考虑到电 容 C 的另一侧为 rt 及 rf ，它们远小于充电电阻 R。此外还应考虑倍压回路第一个回路中的保 护电阻 r 的作用。充电至 0.9 倍电压时， T充 15(r0 r nR/ 2)nC 设 r0 r ，则计算得 T充 15s 。实际上还存在充电回路中 C0 的影响，它可使充电时间增加一 些，可估计 T充 为 20s。9. 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。变压器容量 3.0 2 Wn /

8、T充 3.0 2 7.26/ 20kVA 2.175kVA变压器电压 1.1 55kV / 2 42.78kV所以，可选择国产试验变压器，型号为Y D 3/50 ，其参数如下表。表 4. YD 3/50 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YD3/5030.225013.630.0610. 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 55kV×1.1 55kV116kV。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

9、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。In 2.175kVA/(55kV / 2) 0.0495A 因此，选硅堆的额定电流为 0.05A 。 选择 2DL 150/0.05 高压硅堆。11. 球隙直径选择 ： 由资料可知，在间隙距离为 4.5cm 时 10cm球隙的放电电压为 115kV，故选 10cm 铜球，一 共 7 对。12. 波前电阻和波尾电阻阻丝选择计算 ：已知 rf 31.25 ， rt 340 ，一级电容器储能为：CU2/2 0.5 0.2 10 6 (110 103 ) 2 kJ 1.21kJ 。假定试品不放电时能量全部消耗在 rt

10、中，试品短路放电时的能量 340/(34031.25)kJ，即 1.11kJ消耗在 rf 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2×31.25即 62.5 。每股电阻丝消耗的能量为 1.11/2kJ 即 550J。同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2× 340 即 680，每股电阻丝消耗的能量为 1.21/2kJ 即 605J 。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8.9 g / cm2 ，电阻率为0.48 106 m，比热容 Cm为0.417 J

11、/( g C ) ，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)R0 4 l( d 2)2而消耗的能量 W l d2 Cm / 42）将式（ 1）和式（ 2）消去 l ，得电阻丝的直径为d (2/ ) W /( R0Cm ) 1/ 43）首先令 R0 2rf 62.5 ，W 550J ， 最后，由式（ 3）得d (2/ ) 550 0.48/(8.9 62.5 0.417 150) 1/4 mm 0.333mm实际选 0.35mm 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22l R0 d2 /(4 ) 62.50.352 /(4

12、 0.48)m 12.53m实际温升可由式（ 2）得4W /( l d 2Cm) 122.9 C再次令 R02rt 680 ，W 605J 代入式（ 3）得电阻丝的直径为 d 0.188mm，实际选 0.20mm的电阻丝按相反方向并绕。可算得一根电阻丝的长度l 为 44.5m，实际温升 为116.6。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 110kV 的电压。13. 一次分压器的设计 ：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

13、压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。高压臂电容选国产 MY50 0 0.00012 脉冲电容器较合适，其参数如表 5。表 5. MY50 0 0.00012 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MY50 0 0.000125000.00012182× 115528.2胶纸壳用此种电容器三个并联，使高压臂C1 3 0. 0001F2 0. 000F36由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV ，故分压比 K=660/2=330 。K 330 2C(1 C2 )C/12(0. 000F36C2) / (0. F00036 )求出 C2 0.0

14、6104 F 。用 MY8 00.03 脉冲电容器组成低压臂，其参数如表6。表 6. MY80 0.03 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MY8 0 0.03800.03 220× 45519.7胶纸壳用此种电容器两级串联， 使分压器额定电压可达( 500 80×2)kV 660kV ，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C2 ( 0. 03 4 / 2F) 0.F06故分压器的实际分压比为K 2(C1 C2 ) /C1 2( 0. 00036 0. 06) / 0. 00036 335. 3

15、即同轴电缆输出端电压 u2 U1/K (660 / 335.3)kV 1.968kV14. 二次电阻分压器 ：高压臂取 RH 10000 ，低压臂 RL 100 ，则分压比K2 (RH RL)/RL 101最终输入示波器的电压幅值为( 1968/101) V 19.5V.三设计总结及感想冲击电压发生器的设计可分为两个部分，第一是冲击电压发生器本身的设计，包括冲击 电容的选定，波前电阻和波尾电阻的计算，充电电阻和保护电阻的选定，波前电阻和波尾电阻阻丝选择，变压器的选择，高压硅堆的选择，球隙直径的选择等。第二是冲击电压测量回路的设计，包括一次分压器的选择和二次分压器的选择。 整个设计参照清华大学出版社的高电压试验技术20XX年版，其中涉及的某些方面的误差，造成这些误差的原因