毕业论文-陡波前冲击电压发生器设计

1、PAGE 哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目： 陡波前冲击电压发生器设计 院 、 系： 电气与电子工程学院 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012年 哈尔滨理工大学学士学位论文III-陡波前冲击电压发生器设计摘 要电力系统中的高压电气设备在投入运行之前需要进行冲击电压试验来检验其在过电压作用下的绝缘性能。随着电力科技的发展，需要进行冲击电压试验的试品种类日益增多，尤其是例如防爆电机一类的大型电机设备。电机作为电能生产的基本设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用，国内外的运行经验和大量资料表明，电机的运行事故中，磁极线圈匝间绝缘损坏所占的比重较大，尤其是大型防爆电

2、机，因此，对高压防爆电机进行全面的技术研究与绝缘试验就显得极其迫切和重要。本课题通过阅读国内外大量文献，提出了一种检测线圈匝间绝缘的耐压冲击试验方法，并对试验设备进行了初步的设计。在进行冲击电压试验时，由于必须用冲击电压发生器产生符合国家标准的雷电波或者-操作波波形，且各种电气设备所呈现出的阻抗性质也不同，所以就造成了每一次试验时都要对所有的试验参数进行新的计算和选择，这自然会影响到发生器的同步特性。甚至有些时候仅仅利用改变调波元件参数的方法已经不能满足输出的要求。这就使得我们在设计及试验时有很大的困难，对冲击电压发生器的输出能力也提出了新的要求。为更充分利用已有的冲击电压发生器，需要针对不同

3、情况采取措施进行改进，以产生符合标准要求的输出波形。本文利用电路仿真软件orcad建立发生器模型，进行不同情况下的仿真计算，其目的是为了比较采取措施前后不同的输出波形，从而验证所采取的改进电路法等措施的有效性。该设计方案已用于电机企业的生产，运行结果表明设计是合理的。关键词 防爆电机；绝缘试验；陡波头；冲击电压发生器Steep front impulse voltage generator designAbstractHigh-voltage electrical equipment in the power system need to be put into operation befor

4、e the impulse voltage test to test the effect of over-voltage insulation performance. With the development of the power of science and technology, the need for the growing number of trial types of impulse voltage test, especially such as explosion-proof motor of a type of large-scale electrical equi

5、pment. Motor as the basic equipment of the production of electricity, safe and stable operation of the entire power system plays a vital role, domestic and international operating experience and the large amounts of data showed that motor run accident in the pole coil interturn insulation damage to

6、the share of the proportion of , especially large-scale explosion-proof motor, therefore, comprehensive technical study on the high-pressure explosion-proof motor and insulation test is extremely urgent and important.This topic by reading the extensive literature at home and abroad, a detection coil

7、 interturn insulation pressure impact test method and test equipment for the preliminary design. When the impulse voltage test must meet the national standard lightning wave impulse voltage generator - operating waveforms, and a variety of electrical equipment showing the impedance nature is differe

8、nt, so it causes every test the new calculation and selection of all test parameters, which will naturally affect the synchronization characteristics of the generator. Or sometimes even just change the modulated wave component parameters can no longer meet the output requirements. This allows us to

9、have great difficulties in the design and test the output of the impulse voltage generator also proposed new requirements. To more fully utilize the existing impulse voltage generator, you need to take measures for different situations to improve and meet the standard requirements to produce the out

10、put waveform.In this paper, the circuit simulation software orcad generator model, the simulation under different circumstances, the purpose is the improved circuit and method effectiveness of measures taken in order more to take measures before and after the output waveform to verify.The design pro

11、gram has been used in the production of the motor business, the results show that the design is reasonable.Key words Explosion-proof motor; insulation test; steep wave head; impulse voltage generator目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328568836 摘 要 PAGEREF _Toc328568836 h I HYPERLINK l _Toc328568837

12、 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328568837 h 1 HYPERLINK l _Toc328568838 1.1 课题的研究背景 PAGEREF _Toc328568838 h 1 HYPERLINK l _Toc328568839 1.2 发展趋势 PAGEREF _Toc328568839 h 1 HYPERLINK l _Toc328568840 1.3 研究意义 PAGEREF _Toc328568840 h 4 HYPERLINK l _Toc328568841 1.4 常用陡波产生方法 PAGEREF _Toc328568841 h 5 HYPERLINK l _To

13、c328568842 1.5 本文主要工作 PAGEREF _Toc328568842 h 5 HYPERLINK l _Toc328568843 第2章 冲击电压发生器的基本原理 PAGEREF _Toc328568843 h 7 HYPERLINK l _Toc328568844 2.1 基本原理 PAGEREF _Toc328568844 h 7 HYPERLINK l _Toc328568845 2.2 陡波冲击电压的形成 PAGEREF _Toc328568845 h 7 HYPERLINK l _Toc328568846 2.3 基本回路分析 PAGEREF _Toc3285688

14、46 h 10 HYPERLINK l _Toc328568847 2.3.1 已知回路元件参数求波形参数Tf 和Tt PAGEREF _Toc328568847 h 10 HYPERLINK l _Toc328568848 2.3.2 已知波形参数Tf 和Tt 求回路参数 PAGEREF _Toc328568848 h 12 HYPERLINK l _Toc328568849 2.3.3 计算方法 PAGEREF _Toc328568849 h 12 HYPERLINK l _Toc328568850 2.3.4 冲击电压发生器的技术特性指标 PAGEREF _Toc328568850 h

15、12 HYPERLINK l _Toc328568851 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc328568851 h 13 HYPERLINK l _Toc328568852 第3章 陡波前冲击电压发生器的设计 PAGEREF _Toc328568852 h 14 HYPERLINK l _Toc328568853 3.1 整体电路的构成及工作原理 PAGEREF _Toc328568853 h 14 HYPERLINK l _Toc328568854 3.2 回路的选择 PAGEREF _Toc328568854 h 15 HYPERLINK l _Toc328568855 3.2.1

16、 充电基本回路 PAGEREF _Toc328568855 h 15 HYPERLINK l _Toc328568856 3.2.2 基本放电回路 PAGEREF _Toc328568856 h 15 HYPERLINK l _Toc328568857 3.3 波头波尾电阻的计算 PAGEREF _Toc328568857 h 16 HYPERLINK l _Toc328568858 3.4 设备调试 PAGEREF _Toc328568858 h 17 HYPERLINK l _Toc328568859 3.5 发生器的结构 PAGEREF _Toc328568859 h 18 HYPERL

17、INK l _Toc328568860 3.6 冲击电压发生器设计计算举例 PAGEREF _Toc328568860 h 18 HYPERLINK l _Toc328568861 3.6.1 已知回路参数, 求波形参数 PAGEREF _Toc328568861 h 18 HYPERLINK l _Toc328568862 3.6.2 已知波形参数Tf和Tt求回路参数 PAGEREF _Toc328568862 h 19 HYPERLINK l _Toc328568863 3.7 本章小结 PAGEREF _Toc328568863 h 20 HYPERLINK l _Toc32856886

18、4 第4章 OrCAD/PSpice对电路仿真 PAGEREF _Toc328568864 h 21 HYPERLINK l _Toc328568865 4.1 课题研究的方法和采用的工具 PAGEREF _Toc328568865 h 21 HYPERLINK l _Toc328568866 4.2 orcad简介 PAGEREF _Toc328568866 h 21 HYPERLINK l _Toc328568867 4.3 优点 PAGEREF _Toc328568867 h 22 HYPERLINK l _Toc328568868 4.4 电路图的生成（Capture） PAGEREF

19、 _Toc328568868 h 22 HYPERLINK l _Toc328568869 4.5 电路特性分析及参数设置（Profile ） PAGEREF _Toc328568869 h 23 HYPERLINK l _Toc328568870 4.6 运行Pspice A/D 程序 PAGEREF _Toc328568870 h 24 HYPERLINK l _Toc328568871 4.7 模拟结果的显示与分析（Probe） PAGEREF _Toc328568871 h 24 HYPERLINK l _Toc328568872 4.7.1 模拟的显示 PAGEREF _Toc328

20、568872 h 24 HYPERLINK l _Toc328568873 4.7.2 结果分析 PAGEREF _Toc328568873 h 25 HYPERLINK l _Toc328568874 4.8 电路参数的修改 PAGEREF _Toc328568874 h 25 HYPERLINK l _Toc328568875 4.9 开发仿真实验的必要性 PAGEREF _Toc328568875 h 26 HYPERLINK l _Toc328568876 4.10 本章小结 PAGEREF _Toc328568876 h 26 HYPERLINK l _Toc328568877 结论

21、 PAGEREF _Toc328568877 h 27 HYPERLINK l _Toc328568878 致谢 PAGEREF _Toc328568878 h 28 HYPERLINK l _Toc328568879 附录 PAGEREF _Toc328568879 h 30哈尔滨理工大学学士学位论文绪论课题的研究背景随着改革开放的不断深入，高压电机在经济建设中所起的作用越来越重要，对高压电机的需求量越来越多，同时对高压电机的技术水平的要求也越来越高。例如：三峡工程等大型水电工程项目，这些项目的特点是单机容量大、额定电压高，而且总装机容量也非常大，所以，对高压电机进行全面的技术研究与开发就显

22、得极其迫切和重要。在高压电机中绝缘系统占有非常重要的地位。它在很大程度上决定着高压电机的运行寿命和运行可靠性。尤其是一些特种电机，比如与本文所研究相关的防爆电机1。防爆电机是通常使用在易燃易爆场合的一种特种电机，它通过使用隔爆外壳把可能产生电弧、火花及危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开，最大的优点就是在运行过程中不产生电火花。作为动力设备，其主要应用于煤矿、天然气、石油、化学工业和石油化工等爆炸性危险场所;作为主要的动力设备，常用于风机、驱动泵及其他传动机械。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用2。伴随着生产的发展、科技的发展，有爆炸危险的场所

23、也在不断增加，比如一些以易燃易爆气体为原料的企业：食用油生产过去是用传统的压榨法工艺，20世纪70年代以后，我国开始引进国外先进的浸出油工艺，但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂，己烷是易燃易爆物质；因此浸出油车间就成了爆炸危险场所，需要使用防爆电机和其他防爆电气产品。随着公路的迅速发展，一大批燃油加油站的出现，也给防爆电机提供了新的市场3。发展趋势我国生产制造防爆电机的企业有近百家（原机械系统归口的企业有60余家），防爆电机产量约为320万千瓦。绝大多数企业不仅生产防爆电机，同时还生产其他电机产品。其中，防爆电机生产达到一定规模的有近20家。2004年，防爆电机行业25个主导企业完成防爆电机产

24、量近400万kW，全行业销售产值近50亿元，实现利润4.5亿元。目前我国开发、生产的防爆电动机有130-140个系列，750多个品种。生产、使用量较大的防爆电机产品为YB系列隔爆型三相异步电动机和YA系列增安型三相异步电动机，YB系列电机的产量占防爆电动机总产量的60%以上，YA系列电机的产量约占防爆电动机总产量的7%4。尽管我国防爆电机在技术水平、品种等方面基木上可以满足国民经济发展的需求，但是与国外先进发达国家相比，在技术水平和产品品种等方面还是存在着不小的差距。防爆电机产量在国内市场上已经呈现出供过于求的趋势，产品竞争日趋激烈，而防爆电机产品出口量相对较小，且基木上是配套出口，有数据表明

25、1999年防爆电机出口创汇仅仅121万美元4。就国外情况而言, 我们掌握的欧美和日本等国的资料较少, 现有的资料多为失效分布和数理统计方面的理论书籍, 具体的试验方法、试验设备和试验原理等方面的资料较少。IEC3418( 1992年版) 交、直流旋转电机绝缘系统温度评价及分级中规定了普通电机绝缘系统可靠性的试验程序和方法。从中可以看出, 就其方法步骤与前苏联标准大体相同, 整个试验过程分若干个周期, 每个周期由一个热老化子周期和一个诊断子周期组成, 包括温度和机械试验、湿热试验、电压试验及其他诊断试验。由于前苏联在防爆电机可靠性领域方面的研究工作了解的比较多, 其中, 前苏联国家一级研究员、工

26、学博士瓦涅耶夫编著的防爆与矿用电气设备的可靠性一书对我们开展研究工作有很强的针对性。为此, 课题组成员曾专程赴乌克兰( 原全苏) 矿用与防爆电气科学研究院进行考察访问, 并与瓦涅耶夫本人进行了技术交流, 收集了大量有价值的资料。通过对前苏联在该领域的研究工作进行了较全面的了解后得知, 他们花费了大量的人力、物力、财力和时间对防爆电机的可靠性进行了全面的研究, 其中包括可靠性理论、数学模型、可靠性试验装置的设计、制造以及试验方法和试验标准的编制等。但随着苏联的解体, 他们的理论研究被迫中断, 试验设备也因资金问题得不到及时更新, 比较陈旧, 基本上停留在七、八十年代的水平上5。在国内, 上海电器

27、科学研究所自七十年代开始由国家投入了相当大的人力、物力, 对普通 Y系列电机进行了可靠性试验研究工作, 八十年代末又对普通Y系列电机的绝缘结构的可靠性进行了摸底试验, 并提出了一整套可靠性指标的评定办法, 基本上摸清了新型聚脂类绝缘结构的可靠性指标、性能和特点, 对我国Y系列及派生系列电机的质量提高起到了推动作用。此外, 佳木斯防爆电机研究所自 1992 年开始开展该领域的研究工作, 主要针对吊车电机的可靠性进行研究, 并建立了试验室。南阳防爆电气研究所在八十年代末、九十年代初对防爆电机可靠性研究进行了大量的前期准备工作之后, 于 1995年开始进入实质性的研究阶段, 先后起草了防爆电机可靠性

28、评定试验方法和有关试验细则, 并于 1996年起斥资 180 万元筹建防爆电机可靠性试验室。1999年防爆电机可靠性试验室在我所正式建成投入运行后, 首先对南阳防爆电机厂的 8 台YB160 4P防爆电机进行了可靠性摸底试验。经过 13 个周期共 300 多小时的试验, 其中有两台早期( 第 1、2周期) 出现故障( 设备原因) , 其余 6台直到第 13 周期时 1 台损坏, 全部达到了20 000h 运行寿命试验要求6。与此同时,也成功地对试验设备的性能和可靠性进行了摸底, 针对设备出现的问题及时进行了分析研究, 并进行了整改, 使设备的性能和可靠性进一步提高,在最后的评审验收中得到了有关

29、专家的一致认可。在掌握了国内外可靠性试验装置及有关标准资料和我所摸底试验结果的基础上, 经过多方论证、探讨、研究后, 与佳木斯防爆电机研究所一起共同制订了隔爆型三相异步电动机可靠性指标评定方法( 试验室法) 及实施细则, 和隔爆型三相异步电动机隔爆组件可靠性指标评定方法( 试验室法) 及实施细则。两项标准于 1999 年批准,标 准号 分别 为: JB/ T 50136. 1 1999, JB/ T50136. 2 1999。这些标准和实施细则是在参考了前苏联、欧美及国内有关资料的基础上, 结合我国实际情况制订出来的, 对如何加速考核防爆电机的绝缘可靠性和隔爆组件的防爆可靠性提出了明确要求,

30、对抽样、失效判据、失效分布、可靠度、可靠寿命及加速寿命试验方式等进行了规定, 明确提出了对试验设备的要求, A、B 系数的确定等。实施细则还明确规定了试验装置的技术要求和考核评定方法, 使标准的可操作性更充分明了7。防爆电机的分类：1.按电机原理分可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。2.按使用场所分可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机。 3.按防爆原理分可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等。4.按配套的主机分可分为煤矿运输机用防爆电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机

31、、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。此外，还可以按额定电压、效率等技术指标来分，如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等。目前防爆电机产品存在着防爆电机通用基木系列多、专用特殊型防爆电机少、产品可靠性较差、产品标准化水平低等问题，今后的大致发展趋势和努力方向为:(l)大力开发专用、特种防爆电机(2)实现防爆电机机电一体化(3)设计开发环保和高效节能产品(4)努力提高防爆电机的制造工艺水平(5)提高产品整体可靠性。防爆电机产业发展的重点在于:优先研发一批市场容量大、能体现防爆电机行业的实力和水平、能够参与国际市场竞争的新型系列防爆电机，认真做

32、好产品结构调整工作，要求可靠性高、节能节材、高效，各项能力指标均能接近或达到国际市场的要求，同时，要符合DIN426.3或IEC标准。我国防爆电机产品要想在国际机电市场中占取一定的比例份额，就不得不研发“绿色电机”新系列节能产品，以创立中国防爆电机的高品质形象。另外，企业要围绕重点产品进行技术结构的调整。对那些严重供大于求的产品要压缩过剩的生产能力，坚决淘汰资源消费严重、技术性能落后的产品，淘汰落后的设备及工艺工装，引进和添置必需的先进设备，通过资源重新配置和对企业进行技术改造，缩小我国防爆电机制造水平同国外先进工业国家之问的差距。研究意义在当今市场竞争激烈、国际贸易日益全球化的情况下, 产品

33、质量的好坏是能否占领市场的关键因素, 而产品的可靠性又是衡量产品质量优劣的关键指标。可以肯定, 产品的可靠性在今后的国际贸易中将成为竞争的焦点。我国自1982年与GAT T (关税和贸易总协定) 进行多边贸易谈判以来, 深深感到国内产品的可靠性指标偏低, 有些产品甚至还没有可靠性指标的评定方法, 这极大地阻碍了我国产品进入国际市场的进程。因此, 国家有关部门陆续下发了有关加强产品可靠性工作的文件, 其中包括国家质量技术监督局1994年以技监管 1994 365号文件发出的“关于加强产品可靠性工作的若干意见”, 原机械工业部又以机科行1994 142号文“关于印发机械工业今明两年可靠性工作要点的

34、通知”, 指导全国机械工业可靠性工作。后者明确指出, 提高产品质量可靠性是振兴我国机械工业“三大战役”中产品质量翻身仗的关键所在, 希望在近几年内, 机械行业各部门逐步完善标准、设计、制造和检测等方面的工作, 使我国机械行业产品质量上一个新台阶, 以适应我国加入WTO 后的严峻挑战。防爆电气技术主要运用于煤炭、石油、天然气开采、纺织、交通、粮油加工、化工、石油精炼等行业中有爆炸性气体或爆炸性粉尘混合物的环境中, 是关系到国家财产和人民生命安全的一项重要技术, 其中对防爆电气产品的制造和检验, 国家均颁布了强制性标准。防爆电气产品包括防爆电机、防爆灯具、防爆仪表、防爆电气控制装置等, 其中防爆电

35、机是量大面广的产品, 其电气、防爆性能的可靠性直接影响到以上所述的工业部门安全生产和发展, 尤其是石油、化工行业。因为这些工业部门生产的特点是大规模连续运行作业, 设备的安全运行是事关重大的, 一旦设备出现故障、发生事故, 就会造成不可估量的经济损失。在此之前,我国在防爆电机可靠性领域的研究基本上处于空白状态, 因此在我国开展防爆电机可靠性研究工作不仅是必要的, 而且是迫切的。我国对防爆电机可靠性的试验研究工作起步较晚, 随着改革开放和市场经济的深入发展, 我们了解到开展防爆电机可靠性研究工作的重要性,和我国在该领域与国际上发达国家存在着很大差距。国际上发达国家, 如欧美国家、日本和前苏联从二

36、十世纪五、六十年代就已经开始了防爆电机可靠性的研究工作, 他们无论在理论上, 还是在试验设备、检测手段以及管理等方面均达到了很高水平, 并培养出一大批素质很高的资深专家队伍,发表了许多专著和研究论文, 制订了一整套切实可行的检测方法9。他们还对各种试验方法和加速因子的不同进行了深入的研究和论证, 从而促使产品质量稳步提高。防爆电机在投入运行之前，要进行耐压检测试验。在运行过程中还要定期进行绝缘的预防性试验。预防性试验是判断设备能否投入运行、预防设备绝缘损坏及保证安全可靠运行的重要措施。电气设备的绝缘测试试验方法分成两大类：一类称非破坏性试验；一类称耐压试验。冲击高压试验是耐压试验的一种。因为电

37、力系统中的高压电器设备，除了承受长期的工作电压外，在运行过程中还可能承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用，而这些电压均属于冲击电压, 都有可能会对电气设备带来危害.。所以电气设备在投入使用之前, 都要先经过冲击电压试验来检验其在雷电压和操作过电压作用下的绝缘特性或保护性能。这种试验用的电压一般采用雷电全波或截波, 产生这种冲击电压波就要用到陡波头的冲击电压发生器。在高电压试验领域中，冲击电压发生器是常用而重要的高压试验设备，特别对于防爆电机、电力变压器制造等行业和高压试验室更是主要的测试手段10。冲击电压发生器是靠电容并联充电，然后串联放电来获得冲击高压的。国标 GB/T16927.1 和新

38、版 IEC 60060-1 Ed. 3.0 标准规定，标准雷电波波形是 1.2/50s，标准操作波波形是 250/2500s。可是实际中有的设备在运行中要承受非标准的冲击波，比如波头更短或波尾更短等等，特殊的波形就要求在对冲击电压发生器的参数进行改变，有的改变就给冲击电压发生器的同步带来了困难，即在正常的情况下，中间球隙往往不能连续击穿，影响了电容的串联放电通路，因此要可靠地实现各电容的串联放电，得到高压脉冲，有必要对同步问题进行研究。另外即使在标准冲击波下，中间球隙的击穿是靠球隙间过电压来实现的，理想情况下各级球隙间过电压倍数等于级数，但由于回路本身参数和一些杂散参数的影响，常使过电压倍数受

39、到抑制，从而影响到发生器的正常同步11。常用陡波产生方法产生陡波常用的方法就是使用陡化器，陡化器就是利用压缩气体间晾或油间隙,在冲击电压作用下的放电特性把冲击电压波的陡度进一步提高的装置 显然,在放电回路的固有电感和固有电容都很小时陡化器才能充分发挥作用。本文主要工作1作者通过查阅相关文献，了解防爆电机绝缘冲击电压试验标准及陡波前冲击波形产生方法；2设计一种陡波前（0.20.5s）和短半峰时间（2035s）的冲击电压发生器，额定电压35kv，负载0.1F，详细说明充电回路和放电回路工作原理；3对电路个元件进行参数分析计算；4对设计的电路进行仿真分析，论证其可行性；5撰写论文。冲击电压发生器的基

40、本原理基本原理冲击电压发生器通常都采用Marx回路，如图2-1所示。图中C为级电容,它们由充电电阻R 并联起来,通过整流回路T-D-r充电到V。此时,因保护电阻r 一般比R 约大10倍,它不仅保护了整流设备,而且还能保证各级电容充电比较均匀。在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间球隙,它们调整在g0起动后逐个动作。这些球隙在回路中起控制开关的作用,当它们都动作后,所有级电容C 就通过各级的波头电阻Rf串联起来,并向负荷电容C0充电。此时,串联后的总电容为C/n，总电压为nV。n为发生器回路的级数。由于C0较小，很快就充满电,随后它将与级电容C一起通过各级的波尾电阻Rt放电

41、。这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压的短暂脉冲波形的冲击电压。在此短暂的期间内,因充电电阻R 远大于Rf和Rt,因冲击电压发生器而它们起着各级之间隔离电阻的作用。冲击电压发生器利用多级电容器并联充电、串联放电来产生所需的电压，其波形可由改变Rf和Rt的阻值进行调整, 幅值由充电电压V 来调节，极性可通过倒换硅堆D两极来改变。图2-1陡波冲击电压的形成冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几万伏到几百万伏的电压，同时此电压要具有一定的波形。由冲击电压发生器产生一个不太陡的冲击波向储能电容器脉冲充电,当的电压升到一定值后，陡波器间隙击穿放电。因陡化回路的固有电感较小,仅有一个火花间隙,故经

42、陡化回路后,负载电压的波头将会变陡。负载电压的波头时间很短,可以近似认为它只决定于陡化 回路,其波尾和幅值则与回路相关。冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值, 而且还与陡度有关。国际电工委员会标准雷电波的定义如图2-2所示, O1 为视在原点, Tf Tt为视在波头时间和视在波尾时间。冲击电压发生器的工作原理都是采用电容器并联充电, 然后串联放电产生冲击电压波形。串联放电的等值回路如图2-6所示, 其中, C1为主电容,C2为被试品及测量设备的电容, Rd为保护电阻, Rf为波头电阻, Rt为波尾电阻, U为主电容C1的充电电压。对于高效率回路, Rd=0。图2-2标准雷电波定义图2-3波峰附近震

43、荡的全波图2-4波头截断雷电波图2-5波尾截断雷电波基本回路分析其等效回路如下图所示：图2-6等效放电回路已知回路元件参数求波形参数Tf 和Tt放电回路的微分方程为 （1） (2) (3)设p1, p2 为方程( 1) 的两个特征根, 则; (4)代入初始条件: 当t =0时, u2=0; t = 0时,u1= U1, 得B=-A波形到达最大值u2m的时间所以：，由方程组计算出t1，t2，t3，且满足条件: t1 tm，t2 tm。由图2-1可以知道根据以上过程便可计算出波形的波头时间Tf和波尾时间Tt。已知波形参数Tf 和Tt 求回路参数则6个方程, 6个未知数：t1，t2，t3，p1，p2

44、，tm且（t1 tm，t2 tm ), 解出后, 由方程(4) 求出a, b, 再由方程(2), (3) 求出回路参数, 在此, 当调整波形时, 一般为C1, C2 已知, 高效率回路取Rd= 0。计算方法随着计算机语言的快速发展, 出现了各种数值计算方法, 针对上述两种情况下的数学模型, 根据读者自己的掌握情况, 可以利用MATLABMFILE编程( 逐渐逼近法插值方法等) , FORTRAN语言、C语言等编程进行计算。值得一提的是按上述方法计算只是理论结果,实际中放电回路还存在内电感的影响, 其结果使得波头相应的缩短。在产生特殊波形时, 在考虑回路参数的同时, 还需要综合考虑冲击电压发生器

45、的效率和同步问题。冲击电压发生器的技术特性指标发生器的标称电压 发生器每级主电容的标称（额定）充电电压值与级数的乘积。其值一般为几百千伏至几千千伏。发生器的标称能量 发生器主电容在标称电压下的总储存能量。其值一般为几十千焦至几百千焦。发生器的效率 发生器输出电压u2峰值与各级实际充电电压值的总和只比。在下面的计算与分析中，以符号表示i效率。表常见试品的冲击入口电容试品冲击电容入口/pF绝缘子100一下高压断路器，电流互感器及电磁式电压互感器1001000电力变压器10002500电缆进线的电力变压器30004500全封闭组合电器10006000高压套管50600电容式电压互感器30005000

46、电力电缆（每米）150400本章小结 本章介绍了冲击电压发生器的基本构成与基本的工作原理，还对放电回路进行了基础的数学分析，并且提出了计算波头电阻方与波尾电阻的方法，方便下面章节对冲击电压发生器的设计与波形分析。陡波前冲击电压发生器的设计整体电路的构成及工作原理由额定电压35kv可知，冲击电压部分级数为一级，整套装置分为三个部分：硅堆整流电路，冲击电压发生器，陡波回路。其构成如图3-1所示。图中AT为自耦调压器，输入电压220v,输出电压0250v，最大输出电流4A，额定容量1kvA；D为高压硅堆，C1为钛酸钡平板电容器，1F，额定电压40kv，直径4cm高度2cm，C2为负载电容，耐压35k

47、v的钛酸钡平板电容，直径2cm，高度3cm；g为铜质球形电极，直径3cm；Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻，Rd为保护电阻。图3-1陡波冲击电压发生器系统电路图当电路工作时，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C1，充电到U，出现在球隙g上的电位差也为U，若事先把球间隙距离调到稍大于U，球隙不会放电当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮只见产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1经过g向C2放电。C1电压逐渐降低，C2电压逐渐升高，直至两电容电压相等，然后C1C2都经过Rt放电最后都降到零。回路的选择充电基本回路充电回路如下

48、图所示，r为保护电阻，RD是个大电阻，它与微安表串联起来可以测量电容器上的充电电压，试验变压器接地一端经过一个毫安表接地，可以测量充电电流。微安表与毫安表都旁接一个保护间隙，以防当仪表损坏时在控制桌上出现高电压。图3-2发生器的充电回路基本放电回路基本放电回路如下图所示，放电的原理与过程与上一章的冲击电压发生器的基本工作原理基本相同。图3-3发生器基本放电回路波头波尾电阻的计算根据设计要求产生的冲击波的波头时间Tf为0.20.5us，短半峰时间Tt为2035us，C1已知为1uf，负载小于0.1uf波头和波尾电阻的近似计算公式为：Tf=3.24（Rf+Rd）C1C2/(C1+C2Tt=0.69

49、(Rt+Rd)(C1+C2)因为高效回路Rd的值近似为0.所以：当波头时间取0.2us时，负载设为空载，即C2=0.05uf时，根据计算Rf=1.30，负载设为最大0.1uf，即C2=0.15时，求得Rf=1.97当波头时间取0.5us时，负载设为空载，即C2=0.05uf时，根据计算Rf=0.31，负载设为最大0.1uf，即C2=0.15时，求得Rf=0.79图3-2求波前的近似等效电路当短半峰时间取0.2us时，负载设为空载，即C2=0.05uf时，根据计算Rt=27.6，负载设为最大0.1uf，即C2=0.15时，求得Rt=25.2当短半峰时间取0.5us时，负载设为空载，即C2=0.0

50、5uf时，根据计算Rt=49.69，负载设为最大0.1uf，即C2=0.15时，求得Rt=44.11图3-3求半峰值时间的近似等效电路根据计算可知，波头电阻Rf的阻值范围是0.311.97，波尾电阻Rt的阻值范围是27.646.96。因此，设计该冲击电压发生器波头电阻Rf=0.6，波尾电阻Rt=40。在下一章的仿真中，会对该数据进行验证分析。设备调试因冲击电压的波形与波尾和波头电阻相关,故要求其残余电感 尽量小,热容量大,热稳定性好,在最高电压下,电阻两端有足够的绝缘距离。采用康铜电阻丝绕成无感的波头和波尾电阻。为了提高充电的均匀性,充电电阻应尽量小为了防止内部小回路放电,充电电阻又应尽量大通

51、常充电电阻按C（rt+R）（10-20）Rt估算,取R值为20k。一般取保护电阻为充电电阻40倍左右,理论上,r/R越大,充电电压越均匀,球隙的同步性越好,但同时会使充电时间时间变长,放电颇率下降。经过实验,用1.2M（r/R=60）的水电阻做保护电阻,变压器高压绕组最大输出电压比电容器充电电压高10%,故充电时间为72ms。如果忽略放电时间,放电频率f=14。如果提高变压器的输出电压,可以缩短充电时间,提高放电频率。因无外触发装置,采取了以下的措施保证发生器稳定可靠的触发：1）提高主电容的充电电压至第一级球隙理论击穿电压的1.3 倍.2）增大球直径至,并且将球面处理光亮,平滑,球心对准以减少

52、分散性；由于杂散电容的存在,第二级球隙的自然过电压比理论值低 另外,球 隙的放电受大气条件、尘土和球面状态的影响有一定的分散性,故在调试过程中采取了以下措施来改善球 隙的同步性能:1）保护 电阻采用大阻值的水 电阻,以增加第二级球隙的过 电压；2）g2可隙调节为g1的1.5 倍3）尽可能提高 R的阻4）值将一、二级球隙布置在一条直线上,前一级放电产生的紫外光可以照射到下一级,引发其放电。发生器的结构为了使发生器的放电回路电感小、体积小并易于移动,采用三层塔式结构。最底层布置半波整流电路,前两级(包括C2) 布置在第二层,陡化电路布置在第三层,以使低电位电路位于下层,高电位电路位于上层。第一和第

53、二层用铁壳封闭,可屏蔽和衰减0.2/2us的冲击波,仅让 10/100ns的陡波幅射出去,亦可提高机械强度。因陡化回路的最高输出电压60kv,故将陡化回路装在有机玻璃壳 内,可大大减小发生器的体积,也不会屏蔽和衰减10/100ns 的陡化波。发生器外型尺寸为:40cm40cm60cm。结果测试：测试纳秒级的冲击电压比较困难,通过测试发生器在空间产生的电磁波,经分析波形参数验证该发生器是否达到预定的干扰效果。在发生器和TDS540数字示波器(采样率为1GHz,带宽为 500MHz)上各安装一个专用带状高频天线(可真实的接收空间的高颇电磁波)。将示波器放在100m 之外利用天线来接收放电在空间产生

54、的波形。将整个装置放在两层屏蔽箱内,用套管将天线引出,以屏蔽掉火花幅射 出的电磁波。测量时,适 当降低主电容的充电电压,延长发生器的充电时间 （由于保护电阻很大,正常的充电时间较长）,以产生单次不连续放 电,然后进行观察和测试。测嗽结果表明,发生器不放电时,示波器无任何波形显示每发生一次放电,在示波器上就会出现一个幅值较大的放电波形,而且每次波形 的重复性较好,除峰值有变化外,波头和波尾时间基本不变。这说明示波器采到的波形为真实的放电信号。冲击电压发生器设计计算举例已知回路参数, 求波形参数例1. 已知Rd = 50 , Rf = 140 ,Rf =2640, C1= 23200pF, C2=

55、 2 320pF, U1=2200kV, 求波形参数Tf , Tt 。直接单击模型中的每个元件设定其值, 观察其仿真结果如图4和表1所示。图3-4 例一的波形表3-1 电路的参数U2m/kvRd/Rf/Rt/C1/pFC2/pF1925.0501402640232002320t1/st2/stm/st3/sTf/sTt/s0.1850.9052.1149.971.202450.145已知波形参数Tf和Tt求回路参数对于这类问题的求解, 可以采用试探逼近方法:固定U1, 先固定某一参数, 改变其他参数,进行仿真, 直到结果与要求的波形接近为止; 然后再固定其他参数, 改变某一参数, 进行仿真,如

56、此下去, 直到达到精度要求为止。例2. 已知Tf = 0. 8s, Tt = 40s, U2m=1933kV, 求: 回路参数Rf, Rt, (设Rd=0, C1一般为10C2) 。试探过程的典型数据如下表所示。表3-2 电路的参数序号U1/kVRf/Rt/C1/pFC2/pFU2m/kv1220020020001000010001889.52220025020001000010001880.53220025023001000010001890.24220025026001000010001900.15220025026001200012001906.062200200260014000140

57、01916.57220020026001900019001924.98220017026001900019001930.59220015027001900019001933.810220014526351900019001933.3表3-3 电路的参数序号t1/st2/stm/st3/sTf/sTt/s10.100.400.916.300.501016.3520.100.501.016.500.668016.6030.100.501.118.900.668019.0040.100.501.121.200.668021.3050.100.601.325.400.835025.5560.100.5

58、01.329.300.668029.4070.100.701.739.801.002040.0080.100.601.639.500.835039.6590.100.601.440.800.835040.95100.110.591.3739.850.801639.95其中, 当数值逼近时, 即到第10次逼近试算时, 采用更高一级精度, 以确保电路参数选取正确, 达到题目要求。本章小结本章给出了产生陡波的冲击电压发生器的整体回路设计以及基本充电回路和基本放电回路的设计，并根据任务要求的范围求出了波头电阻与波尾电阻的范围，确定了电路设计的参数，还对冲击电压发生器的设计进行了举例计算。OrCAD/P

59、Spice对电路仿真课题研究的方法和采用的工具目前，由于社会对能源需求的增长，电力系统的规模不断扩大，其运行也随之愈加复杂，事故越来越难以用传统的分析方法进行预测。另外，新的电气研究也需做各种试验，但无论从现有技术上还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑，直接在实际的电力系统中进行科学研究，可能性很小。因此，运用电力系统仿真技术成为迫切的需要。数字仿真因具有投资小、功耗低、占场地少，具有较强的灵活性和扩充性，试验重复性好和自动化程度高等优点而被广泛使用。随着计算机技术的不断发展，先后开发出各种电力系统仿真软件，为高电压试验技术人员提供了开发研究各种高压试验设备的重要工具。本课题主要用到的仿真软件

60、是orcad。orcad简介ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的，由于ORCAD软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少数的电子设计者使用它，它进入国内是在电脑刚开始普及的94年。早在工作于DOS环境的ORCAD4.0，它就集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，而且它的界面友好且直观，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EDA软件中的首选。ORCAD公司在今年