多级冲击电压发生器的设计

1、高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院 指导老师：戴玲 2010年 3月 1 日一、设计任务：设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压 波形（ 即 50us）， 电 压 等 级 为 330kv-800kv,级数为3级以上 。二、额定电压的选择：为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级， 需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压 等级的关系（见下表）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的关系试品额定电压/kV35110220330500冲击电压发生器标称电压/ MV根据设计要求的输出电压为300-800kV ,根据上表,可

2、以假定试品的电压等级为 66kv。2 .额定电压的确定：根据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；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；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额定电压应不低 于：由此确定冲击电压发生器的为660kvo三、冲击电容的选择：将 试 品 电 容 估 算 为 900pF， 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算为500pF， 电 容 分 压 器 的 电 容 估 算 为 600p

3、F，则总的负荷电容：C2/00+500+600=2000 (pF)按 冲 击 电 容 为 负 荷 电 容 的 10倍 估 算 ，则 冲 击 电 容10000pF=5C2<C1<10C2=20000( pF)从国产脉冲电容器的产品规格中找到型高压脉冲电容器比较合适，具体参数和规格如下表：表二：型号额定电压kv 标称电容uF 外形尺寸mm重量 kg110kv 635X 495 瓷壳235选用此种型号电容器时，可以将所要设计的冲击电压发 生 器 做 成 1 10kv 一 级 ， 共 6 级 ( 其 中 每 级 电 容 用 两个电容串联组成，这样即可同时满足此冲击电压发生器额定电压和冲击电

4、容 的 要求 )。用 此 种 电 容 器 可 装 成柱式结构，总高约为3m，高 度 适中 。四、回路选择：根据设计要求要选择高效回路，利用并联充电、 串联放电的基本原理，得到合乎设计要求冲击试验电 压。回路图如下所示：五、冲击电压发生器的主要参数计算：额定电压：Ui = 110>6=660kv冲击电容：Ci=C/5=2) W6)X106 =能量 : Wn C1U12 /2 0.1666 6602 /2kJ 3.63kJ六、波头电阻和波尾电阻的计算：试品电容约900pF ，负荷总电容为2000pF ，波前等效回路所以波前时间Tf 1.2 s 3.24Rf C1C2/(C1 C2)求出 Rf

5、207.6每级 rfRf/6 34.6半峰值是等效回路故半峰值时间求出 Rt 3866.6 ,每级 rt R/6 644.4七、冲击电压发生器的效率计算：C120000pFc/山91%出公工ICl C220000 2000 pF若考虑波形系数为，则 0.91 0.945 86%,可见该冲击电压发生器具有较高的效率，即所选参数是合适的。八、充电电阻和保护电阻的选择：要求 C(R rf) (1020)Crt ,得：取R = 15k Q。每个充电电阻值15k Q,结构长度应能耐受110kv的电压(此处充电电阻的阻值过大或者过小都是不恰当的。过大会延长充电时间，增加各级电 容器的充电的不均匀性；过小则

6、过小则各级球隙动作 不可靠，冲击电压波长时间减小，放电回路利用系数降低） 。在此基础上取保护电阻r 充电电阻R 的 40 倍， 则保护电阻r为600kQ,结构长度应能耐受X55kv=的高压（保护电阻不仅可以起到保护整流装置的作用，还可以起到均压作用）。九、充电时间的估算：因为采用了倍压充电回路，由式但考虑到电容C的另一侧为rt及它们远小于充 电电阻Ro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。充电至倍电压时，设0则计算得T充 us。实际上还存在充电回路中 g的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T充为15s。 十、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。变压器容

7、量3.0 2 Wn/T充3.0 2 3.63/15 kVA 1.452kVA变压器电压=1.1 55kV八2 42.78kV所以，可选择国产试验变压器，型号为YD 3/50, 其参数如下表。表一3/50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YD3/50350卜一、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 x +55kV =。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

8、有效值是大于平均值的。因此选用硅堆应满足:1 . 反峰电压>2 .额定整流电流>在此种条件要求下可以选用型号为2DL150/的 高 压 硅 堆 。（ 参 数 见 下 表 ）表 4.号 型号反峰电压kv 反向电流uA +25 度正向压降v平均整流电流mA40 度 100 度外形尺寸mm长宽高2DL1 2DL150/150<=10<=1205020400 30 22十二、球隙直径的选择：由资料可知，10cm球隙在间隙距离为时的放电电压 为115kv,因此选择10cm铜球五对作为后五级的放 电球隙，而第一级球隙采用相同放电电压等级的三电极球隙代替十三、波头电阻和波尾电阻丝材料

9、的选择计算：已知 rf 34.6 ， rt 644.4 ，一级电容器储能为：CU 2 /2 0.5 0.1 10 6 (110 103)2kJ 0.605kJ 。 假定试品不放电时能量全部消耗在rt中，试品短路放电时能量的十 ,即消耗在R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 X Q即Q。每股电阻丝消耗的能量为2kJ 即。同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2,每股电阻丝消耗的能量为2kJ即。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，康铜丝的密度丫为8.9g/cm3,电阻 率p为0.48 cm2/

10、m,比热容Cm为0.417J / (g C),电阻允许最 高温升0为150 C。令电阻丝长度为l/m，直径为d/mm , 则可得R0 4 l( d2)(1)而消耗的能量W l d2 Cm /4（2）将式（1）和式（2）消去1,得电阻丝的直径为d （2/1） W /（ RoCm ）1/4（3）首先令 R 2rf 2 34.6 69.2 , W 287J ,最后，由式（3）得实际选的电阻丝两根，并按相反方向并绕。由式（1）得其中一根阻丝的长度为实际温升可由式（2）得再次令 R0 2rt 2 644.4 1288.8 , W 302.5J 代入式（3）得电阻丝的直径为实际选电阻丝按相反方向并绕。可算

11、得一根电阻丝的长度实际温升用所选康铜丝两根，并联反绕到绝缘管上即可做成波头电阻和波尾电阻。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。十四、测量环节冲击分压器系统的设计：因为所设计的多级冲击电压发生器输出电压较高， 同时为得到较高的降压比例和好的瞬变响应特性，可以采用两级分压系统；同时为减小寄生参数的影响，此处构成电阻分压器的电阻丝要采用无感电阻，主要由锰铜、康铜和镍镉等金属用无感绕法在绝缘板或者绝缘筒上绕制而成。得到精确地测量结果，还要配合性能良好的低压测试回路。由于冲击电压持续时间短，波形变化快，在测量回路中要考虑行波的折反射过程。为防止波在电缆上来回反射，需加装

12、匹配电阻（见下图）。1. 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压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。高压臂电容选国产MY500一脉冲电容器（可承受电压最高）较合适，其参数如表5。表5. MY500 一脉冲电容器的规格型号额定电压/ kV标称电谷/F外形尺4/ mm重量/ kg外壳MY500 一500 182 X1155胶纸壳用此种电容器三个并联，使高压臂由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV,故分压比K=660/2=330。求出C2 0.06104 f o用MY80一脉冲电容

13、器组成低压臂，其参数如表6表6. MY80 一脉冲电容器的规格型号额定电压/ kV标称电谷/F外形尺寸/mm重量/kg外壳MY8080220X455胶纸壳用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达(500+ 80X2) kV = 660kV,可用于测量冲击电压。每级由4个电容器并联，使低压臂电容故分压器的实际分压比为即同轴电缆输出端电压U2 U"K (660/335.3)kV 1.968kV2.二次电阻分压器(为简单的双电阻串联分压系统，如下图所示)：普通双电阻分压器高压臂取R1 10000 ，低压臂R2 100 ，则分压比最终输入示波器的电压幅值为(1968/101 ) V=.另需

14、注意的是，测量时，为防止干扰，低压回路和测量仪器必须进行良好的屏蔽，同时，测量仪器的电源要通过滤波器以及带静电屏蔽的隔离变压器供给。另外传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接。设计小结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，高压试验变压器选择，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，在本设计中冲击分压器采用两级结构，包括一次分压器的选择和二次分压器的选择。在设计过程中做了较多的近似，因此不可避免地会

15、带来设计误差，原因有以下几方面：一方面是忽略了 各个环节寄生电感的影响；其次是冲击分压器的设计, 两级分压结构虽然有较高的分压比和较好的响应特 性，但也不可避免的引入了计算误差；另外是是元器 件的选取，因参考资料有限，对于一些元器件，特别 是分压器中的电容、电阻和电缆，只能在很小的范围 内选择，不可能做到完全匹配和恰当，实际设计时应 该进行更多的参考。在本次设计过程涉及到很多高电压工程方面的知 识和标准，通过此次设计本人对冲击电压发生器的工 作原理有了更为深刻的了解。本次设计的顺利完成当 然离不开老师的悉心指导和同学们的热情帮助。冲击电压发生器设计说明书一、高效雷电冲击电压发生器由六级组成，额

16、电压为660kv,输出标准雷电冲击电压波形。二、冲击电容器选择国产型 高 压 脉 冲 电 容 器 ， 具 体 参数见设计过程相关参数表格。三、该冲击电压发生器采用高效回路，使放电回路具有较高的利用效率。四 、 该 冲 击 电 压 发 生 器 的 波 头 电 阻 Rt 3866.6 ， 波尾电阻 Rf 207.6 ，并且选用适当规格的康铜丝（即要同时满足温升和耐压要求）做成。五、 为保证该冲击电压发生器具有合适的充电时间（不能过大或者过小）， 保证各级电容器的充电的均匀性，同时使各级球隙动作较为可靠，且保证放电回路的利用系数不至过低，选择充电电阻R= 15k Q ;为保护整流装置和均压，使保护电阻 r=600k Q o六、该冲击电压发生器的充电时间估算为度适中，较为恰当。七、经过容量和电压的估算，确定选择国产试验变压器， 型号为 YD 3/50， 具 体 参 数 见 设 计 过 程 相 关 参数表格。八、经过反峰电压和额定整定电流的估算，确定选择型号为2D