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 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- 7 -2.3.4、硅堆选择- 9 -2.3.5、球隙的选择- 10 -2.3.6、绝缘支撑件的选择- 11 -2.3.7、固有电感的估算-

2、11 -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 -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- 18 -4.2 考虑高压引线的影响- 21 -4.3 测量仪器的选择- 21 -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- 22 -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

3、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），波形如下图1所示：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。其电压可表示为：由于单级冲击电压发生器的最高电压受硅

4、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。图2 考虑杂散电容的多级冲击电压发生器在图2中，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

5、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Uo4Uo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200300KV。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

6、压发生器，分设5级，每级充电电压为300KV，在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：图3:双边充电冲击电压发生器充电回路图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器1001000高压套管50600电力变压器10002500电缆进线的电力变压器30004500电力电缆（每米）150400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10

7、00pF，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，考虑电压利用系数=0.9时，即：C1=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型号额定电压 KV额定电容F电感 nH放电回路参数或放电波形应用外形尺寸mm 长×宽×外壳高/总高重量kgMWF150-0

8、.651500.65250正常工作回路冲击电压发生器410×145×1260/1730122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。发生器高度约为5*1730mm=8.65m。标称能量 效率约为:2.3.2、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，又。波尾时间常数，又 。因此因此每级中每个波头电阻为。因此每级中每个波尾电阻为。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

9、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：则内部放电的时间常数为 ，外部放电时间常数为 ，因此：式中n为级数。则: 取，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。若取保护电阻为充电电阻的50倍，则保护电阻为150 。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:考虑实际电路中杂散电容的影响，因此

10、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：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：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：试验变压器型号型号容量（KVA）高压电压（KV）高压电流（MA）低压输入电压V电流AG-YD50/15050150333380132实际图片如下：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：调压器参数规格型号产品尺寸（cm）重量（kg）包装尺寸（cm）台

11、装TDGC2J2KVA21*25*2311.825*50*442图片如下;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。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：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：高压硅堆参数型号反向重复峰值电压KV正向平均整流电流mA最大正向浪涌电流

12、A最大正向峰值电压V最大直流反向电流ATa=25Ta=1002CL400KV/500mA4005002542010752.3.5、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1730m

13、m。冲击电压发生器为五级，则绝缘支撑件的高度为：。考虑一定的裕度，则绝缘支撑件的高度为 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包括冲击电压发生器的电感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。即：（1

14、）冲击电压发生器的电感冲击电压发生器的电感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。即： 式中，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。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。为每级波头电阻的残余电感，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：（2）外回路电感 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）

15、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：因此固有电感约为。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=0.065f，C2=0.0021F，Rf=182.06，Rt=1064.51。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：由图中可以看出，输出电压为1.41KV，效率为 ，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

16、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4060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：，外回路引线电感为：，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：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

17、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：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，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 再对电路进行仿真，得到输出电压波形图如下：由上图可见，对波头电阻进行改进之后，输出电压波头波形得到了改善，输出电压峰值为1.41kV，效率为。波头时间为1.2s，波尾时间为48s。误差在允许

18、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。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图5 设计原理图如上图5所示，分压器高压臂采用

19、电感量较小的聚苯乙烯电容器串联，低压臂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，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录表A3），详细规格如下表，型号额定电压/kV标称电容/uF外形尺寸/mm重量/kg适用范围MY200-0.00062000.0006182*660胶纸壳18

20、.7冲击电压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。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。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：为避免同轴电缆在传输中的衰减，因此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：型号计算重量/（kg/km）波阻抗电容不大于/（pF/m）试验电压千伏（50Hz）电晕电压/kV衰减不大于/(dB/m)SYV-75-211.37080741.80.90.28为消除记录

21、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。同轴电缆的阻抗匹配采用首末两端匹配，故匹配电阻、都等于电缆波阻抗Z，即。为满足传输过程中初始分压比等于最终分压比，则：式中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：得到： 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，此时分压比,示波器的输入电压为562.08V。因远大于，末端匹配电容的电容值可近似选择等于，即 。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（由于高压引线电感大于分压器自身电感，故L近似为高压引线电感），为阻尼电阻，为分压器电容。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，阻尼电阻必须满足对于标准雷电冲击全波的测量情