单级冲击电压发生器的设计与实现

1、作过电压等不同波形参数过电压的作用0对于大型电力变压器的冲击试验通常采用标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压来评估其绝缘强度1一3。然而由于电压等级、额止功率和设计布局的差异都会改变变压器回路参数导致入侵的雷电冲击电压和操作冲击电压的波头时问和波尾时问通常和IEC标准有较大不同所以有必要开展不同波形参数冲击电压下变压器典型绝缘击穿特性试验研究4一5。本文针对不同波形参数冲击电压发生器进行设计为后续的变压器典型绝缘冲击击才特性试验研究奠止基础0冲击电压源一股采用Marx回路通过球隙的绝缘和击才来控制主电容的充放电进而获需要的冲击电压输出0文献6对某冲击电压发生器的标准雷电冲击电压、标准操作冲击电压

2、、500Ns和1000s长波头操作冲击电压的输出特性进行了试验研究0通过对冲击电压放电等值回路的数学分析给出了调波电阻的计算方法0文献7研制了一种可产生IEC6006)0-1中规止的雷电全波的冲击电压标准波源计算分析了回路中元件对输出冲击电压波形参数的影响0该文采用半导体开关MOS-FE作为冲击电压标准波源的开关保证了冲击源的稳止性0文献8设计并实现了一种基于周态开关的冲击电压源较大抑制传统依罪球隙电弧开关的冲击源导通瞬问引起的强烈干扰可实现对冲击电压波头时问段内的局部放电检测0本文基于文献823,27方案采用周态开关代替球隙通过对回路中主电容、负载电容、波、之，刖电阻和波尾电阻的参数设计搭建

3、了一套可以产生包括标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压的多波形参数冲击电压发生器为后续的变压器典型绝缘冲击击才特性试验研究奠止基础01冲击电压发生器原理图1为传统冲击电压发生器原理图直流电压源通过保护电阻Rd对主电容C1进行充电充电兀成后触发开关S导通主电容对波头电阻Rt和波尾电阻Rf放电同时经波头电阻对负载电容C2充电形成上升的电压波刖负载T电容上的电压被充到最电阻和主电容回路一起下降的电压波尾从而形0通过调节波刖、波参数的冲击电压输出0标准对雷电冲击电压和的参数做出了明确的规生装置提供了理论基础求如表1所示0本文设用图1所示回路0其中组成的周态开关参数电流100A开通延迟时为50ns导通电阻

4、为32电、标准操作等多种波对回路各电容、电阻等2冲击电压发生器参数2.1标准雷电冲击电压本文选用的周态开关耐放电电流过大损坏开关冲击电压所用波刖电阻大值后反过来经波头对波尾电阻放电形成产生冲击电压全波波尾阻值实现不同波形国际电工委员会和国4豕操作冲击电压两种波形止为搭建冲击电压发和标准依据其参数要计的冲击电压发生器采回路开关选用高压MOSFE指标为耐压90kV耐受问为25()ns导通时问约Q0为了产生标准雷形参数冲击电压需要元件参数进行设计0设计受电流为100A为防止同时考虑到标准雷电和波尾电阻可能较小因此电容选择不宜过大电容分压器兼做负载电所示回路忽略回路电和来对回路的波刖电9。Tf=3.2

5、4?Rf?C：1C；3式中:Tf为冲击电压的波波尾时问；Rf与Rt阻；C1与C2分别为主电容为了更准确获得不同元冲击电压波形参数以电流在对回路元件参Matlab的电力系统元件模器放电回路的仿真模型止标准雷电冲击电压发当主电容充电电压设置输出电压和电流波形如形参数结果如表3所示准雷电冲击电压要求50kV下回路中最大电流开关对回路电流的要求选用主电容为22nF容为0.3mF0根据图1感的影响采用公式阻和波尾电阻进行估算C?)rt=0.693?Rt?(C1+C2)(2)头时问;Tt为冲击电压的分别为波头与波尾电与负载电容的电容值0件参数下冲击源输出的及回路效率和回路最大数估算的基础上利用块库建立冲击

6、电压发生如图2所示最终确生器参数如表2所示0为50kV时仿真冲击源图3所示冲击电压波0冲击电压波形满足标通过图3(b)可以看出Ic为51.2A未超过周态通过进一步计算当主电容充电电压90kV时流限值02.2其他不同波形参数冲冲击电压发生器产生其在原理上是相同的只问均较雷电冲击电压要发生器的放电时问常数中的电容和电阻的大小有最大电流的限制而的大幅度增加要保证使和热容里这在制作电11。综合以上因素容适当增大以获相阻阻值0设计中将主电容在已有的电容分压器电容则总负载电容增时问和半峰值时问较长于波头电阻和波尾电阻尼电阻此时电阻的电的影响不大因此回路达到周态开关最大电击电压他波形参数的冲击电压是波刖时问

7、和半峰值时长这就要求冲击电压增加即要求放电回路增加10。考虑到开关且波头和波尾电阻阻值其具有很高的绝缘强度阻的过程中难度很大考虑将主电容和负载电对较小的波头和波尾电容增大到200nF负载电上并联一个085nF的耦合大到1.15nF0在产生波刖的冲击电压波形时由的电阻值远大于临界阻感对操作冲击电压波形中忽略电感的影响11。通过冲击电压发生器简化回路的估算公式和电路仿真最1冬确止6组不同波形参数的冲击电压发生器参数0当主电容充电电压设置为50kV时仿真冲击源输出冲击电压和电流等参数如表4所示0其中对于波形1当主电容充电电压为63kV时达到周态开关最大电流限值0对F波形2当主电容充电电压为85kV时

8、达到周态开关最大电流限值0其他波形情况下主电容充电电压小于10(0kV时均能满足周态开关最大电流限值要求03回路搭建和实验测试3.1回路搭建依据确止的元件参数在实验室搭建冲击电压发生器对不同元件参数下的输出冲击电压波形进行测试0为了尽县里抑制冲击电压发生器所带来的F扰采取了以下措施:冲击电压发生器回路接地线全部采用铜皮接地保证接地良好0冲击电压发生器高压引线采用直径6mlm的光滑铜管长度尽县里缩豆且将接头处进行打磨处理防止高压引线发生局部放电混入测县里系统0测县里示波器通过隔离变压器连接电源保护示波器并隔离部分干扰03.2实验测试依次对上述7组不同波形参数的冲击电压回路进行实验测试主电容充电电

9、压5kV逐级加压到40kV经过电容分压器输出到示波器对电压波形进行纪录每种波形参数每个电压等级下分别进行5次试验取偏差最大情况0试验中通过示波器采集的冲击波形包含微小振荡导致选取具体电压和时问坐标时会出现偏差0本文处理方式是当选取某个电压及其时问坐标时依据首次出现该电压的对应时刻作为其时问坐标0图4为试验中获的30kV下标准雷电和标准操作冲击电压实测波形与仿真冲击电压波形的对比通过对比可发现实测波形与仿真波形基本相同波刖时问和半峰值时问均满足要求0经统计分析7组不同波形参数冲击电压回路在各电压等级下的输出波形到各组实乐输出电压与主电容充电电压的关系经计算获7组不同波形参数冲击电压的回路效率如图

10、5所示0各组不同波形参数冲击电压的回路效率为88.1%97%3,且随着波头时问和波尾时问的增大有下降趋势回路效率与仿真结果近似满足实验要求0对实验波形进行分析可以到各组不同参数冲击电压的波头时问和波尾时问同仿真的结果相对比可得到波头时问和波尾时问的偏差百分比如图6所示偏差计算如式所示0其中波头时问的偏差范围为一15%25%最大偏差25%）出现在1.2/50ss波形10kV电压下0波尾时问的偏差范围为一8%14%0,最大偏差25%,出现在1.250ss波形10kV电压下0由图5可知对于波刖时问随着电压等级的升高各冲击电压波形偏差逐渐由正偏差(波刖时问偏小)趋向于负偏差(波、之，刖时问偏大);对于

11、波尾时问各冲击电压波形偏差比较稳止基本不随电压等级的变化而变化0实验测试结果与仿真结果存在一止1口差该1口差产生的原因主要为回路中调波电阻的寄生电感导致0回路中各电阻设计时采用康铜县里减小电感并同时考容县里0但实乐为产生不态开关电流要求电阻在微小寄生电感导致压放电的不确止性也影响0通过实测数据可围内满足实验要求0为波头时问或波尾时问冲击电压参数仿真计算波尾时问；T为冲击电压头时问或波尾时问04结论本文搭建了一套基于周通过调节各电容和电阻产生包括标准雷电冲击压等7种波形参数冲击仿真所日波形近似其标准操作冲击电压的波标准规止允许的偏差范丝无感反向绕法制作尽虑足够的绝缘强度和热同的波形参数并满足周阻

12、值选择较大因此存1口差产生0同时冲击电会对1口差的产生有一止知各1口差均在允许范二（T*一T)/T*(3)式中:“的偏差百分比；T*为各组获日的理论波头时问或实验测试获日的实乐波态开关的冲击电压源的阻值参数可以实现电压和标准操作冲击电电压0实验测试与回路中标准雷电冲击电压和头时问和波尾时问满足围0本文所设计冲击电压源可为后续的变压器试验研究奠止基础0参考文献:1周易龙赵宪器中性占八、雷击事故分析科学与工程2014302张重远杨彬作用下变压器绕组的高J1.华北电力大学学201037(5):6一10*3梁利辉董华-Mr央变压器绕组电位分布的学学报(自然科学版)6宣耀伟乐彦杰击试验冲击电压发生器J机电工程20147刘少波龙兆芝标准波源的研制J1.51(9):140一1458赵涛王剑刘典型绝缘冲击击才特性里年等全绝缘变压与防雷研究J电力(2):62一66赵秀生等一种VFTO频无源电路模型报(自然科学版)梁贵书等VFTO下计算J华北电力大200936(2):13一17*张娜飞等雷电冲调波电阻的确