高电压课设设计冲击电压发生器

高电压课程设计——冲击电压发生器高电压课程设计——冲击电压发生器2名目课程设计要求 3设计原理 4冲击电压发生器本体输出电压与级数充电放电回路冲击电容器球间隙充电回路数学分析点火装置整流回路变压器容量冲击电压测量系统原理电缆损耗的影响与末端的匹配衰减高压引线的影响示波器抗干扰措施参数计算 11参考资料 15一、课程设计要求：画出冲击电压发生器的总体构造布置图(含接地系统设计)，各主要部件或器件的型号、参数，绝缘距离与净空(空间布置)，各参数之间的匹配关系，波形测量系统等。对冲击电压发生器设计的要求为：高效回路最大输出电压300～800kV级数 3级以上电阻〔含线径和材料〕球隙大小和距离输出波形 1.2/50波形测量装置〔充电、放电〕测量装置抗干扰措施充电电源〔各器件参数〕本体、分压器、电源、测量系统绝缘材料、绝缘距离选取触发器容性试品二、设计原理：一、冲击电压发生器本体电压可供绝缘的冲击耐压或放电试验用。输出波形与高效回路：首先从单极冲击电压发生器的具体性质来分析：为了产生1.2/50标准雷电冲击波形可用的电路有如下的选择：RR11R12R1u0C1R2C2uu0R2Cu2(c)率，他们分别为：U 2m

C1CC1

R2RR1

U 低效回路0(a)和(c)之间CU

1 U2m CC 1 2

高效回路由于该设计要求电路为高效回路，所以选择电路〔C。即简化后的电路为：R1C1R1C1R2C2u u0 单击高效回路电路图而对于多级冲击电压发生器一般的设计如下：简洁的多级冲击电压发生器电路图图中Ro保护电阻;R充电电阻;R1波头电阻;R2波尾电阻;C主电容;C2波头电容;G1~G4球间隙〔为了避开高电压课程设计——冲击电压发生器高电压课程设计——冲击电压发生器10〕rd,5Ω~25Ω。假设级nn﹒rdRd。Rd也起着调整波前时间的作用，R2会造成分压，使输出的电压降低。所以有如下多级高效率冲击电压发生器。所以选择如上的高效回路。多级高效率冲击电压发生器电路图图中Ro保护电阻;R充电电阻;rt放电电阻;rf波前电阻;C2波头电容;G1~G4球间隙rf相对较高，为高效回路。输出电压与级数：300～800kV3级以上，且试品为容〔如下表35kV等级的电气设备。被试电力设备标称电压〔千伏〕被试电力设备标称电压〔千伏〕冲击电压发生器额定电压〔兆伏〕350.4~0.61100.8~1.52201.8~2.73302.4~3.65002.7~4.27503.6~6.0〔表中的下限值满足型式试验要求，上限值供争论试验用〕充电放电回路：冲击电容器纸筒、瓷套和金属壳几种型式。〔于承受柱式发生器构造，需要另立绝缘支架。另外，这种电力电容器可贮存的能量不大，绝缘也简洁受潮等特点。力电容器。2兆伏以下的中型电压发生器。综合设计的电压等级选择瓷壳电容器就能到达抱负的效果。充电电阻保护电阻①充电电阻充电电阻是为了使各级球隙能在足够的冲击过电压作用下牢靠动作而在各级电击电压发生器的放电过程。冲击电压发生器高效回路的等值放电回路nRnrf

串联分压，阻的影响，分析可知每一级的波尾电阻削减到Rt≈

rtR+Rα=

=rtrt

(1−α)rt+R为了削减充电电阻对波形的影响，系数α限制在0.05～0.1的范围内较好。同时，为了避开充电电阻的电阻过分的影响放电回路的利用系数，R应当比rf大10～20倍。但是充电电阻并不是取的过大过小都是不好的。过大则延长充电时间减小，放电回路利用系数减低。②保护电阻起均压的作用。球间隙击电压相对应。可由球间隙放电标准表查得。压发生器的第一级球间隙常用三电级间隙。提高球间隙工作牢靠性的几种方法如下：承受多级球隙改进多级冲击发生器的线路各级都承受三电极间隙各级间隙承受激光照耀本回路的分析放电电路等效回路Rd=0即可。由电路理论的学问我们可以得到如下式子U2(s)=U1d⁄(s2+as+b)式中a=b[C1(Rd+Rt)+C2(Rt+Rf)]b=1⁄[C1C2(RdRf+RdRt+RfRt)]d=RtC1b

u2(t)=U1ε[exp(s1t)−exp(s2t)]式中εs,s的表达式。1 2查表：tt(微秒)t(微秒)t(微秒)T(微秒)T(微秒)H2)λ(微秒)f t M 1 21.2 50 2.089 68.5 0.404 27.6 68.9ε00.9641tttTTf t M 1 2H=T·T2；λ=T×T；ε

波形系数1

1 2 0s=-0.014659;s=-2.4689.1u2

2的峰值设为单位值，则标准雷电冲击波可用下式表示u2(t)=1.03725[exp(−0.014659t)−exp(−2.4689t)]tμs，等号右边的系数为1⁄ε0充电回路数学分析t

=2.3RC；Uc/Um=0.9充点火装置：

=15RC。则对多级充电回路的简化电路有充t =15(r+8nR⁄π2)nC≈15(r+nR)nC充三电级球隙构造1-铜球；2-端端部有孔的铜球；3-钨电极；4-瓷、胶木等绝缘材料在发生器的底座上。二、整流充电电源系统原理1〕整流回路：整流回路分为半波整流，全波整流，被压整流。其中前两种整流回路能获得的最高直流电压等于充电电源沟通电压的幅值U，m在同样的沟通电压幅值U下，承受倍压整流回路可获得2～3倍U直流电压。m m2)变压器容量查阅资料有标称试验变压器容量Pn

确实定公式：10-9tPn-标称试验变压器容量〔kVA；kVnW-角频率，W=2πf,f为试验电源的频率；C〔PF。tVk，标称试验电压较低时，kn可取高一些；以以下出不同的试验电压V，所选用的安全系数k值，供参考：nVn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=13〕人身体安康不利。且允许通过的电流大，体积小，寿命长，结实耐用。100～150〔〕组成，而每个硅堆又由很多硅粒子〔或硅二极管〕串联组成。里，并注入变压器油。三、冲击电压测量系统原理冲击分压器与引线：冲击分压器的三种根本类型为：高压臂：550kV，用电阻分压器即可〔未加屏110~202.540。〔。近〔即减小方波响应中误差项的幅值；其次尽可能减小从始态过渡到稳态用的时间〔即减小误差项的时间常数。具体方法有：横补偿纵补偿电位补偿等使稳态分布接近起始电位分布。RC。0.5/米。一般垂直圆柱体的2C10〔RC0.3T=RC/6=50量值的校正T，使测量结果误差减小；再用横补偿法加装屏蔽，把上电极做成锥形罩〔具体图如下。H2/33/4H1.31.51.5H。低压臂：数〔主要是寄生电感〕的阻容元件。同轴电缆的接入及对分压比的影响：Z这里我们选用在电缆的两端都匹配电阻的方法，这种状况下分压器的分压比N=2(R+R)/R1 2 2R≫R有匹配电阻R〔Z〕≈〔R+R〕1 2 4 2 3〔例如发生窜入信号或局部匹配不产生的反射减到很小的程度。电缆损耗的影响与末端的匹配：L衰减与畸变。对于波形的畸变总的来说衰减系数α随fZ随f增高而减小。Z压比各不同。争论结果说明，对于波阻抗为50Ω左右，电阻为0.01～0.5Ω/m的常用电缆，即可用低频波阻抗做电缆匹配。高压引线的影响：我们只争论屏蔽式电阻分压器带高压引线的状况。近似计算有：T≈RdCT=L⁄R分析有：为了阻尼振荡，在引线中串入阻尼电阻Rd，但串入的同时却加大了Rd=Z，在引线首端可以消退屡次反射，而在末端不能。蔽罩和顶端之间。2〕示波器：3〕抗干扰措施：①防止空间电磁波辐射〔柜〕里。室〔柜〕最好用铜或铁板做成，也可以用单层或双层的金属网制成。室〔柜〕的门的边缘有密闭措施；信号电缆承受双屏蔽电缆。测量仪器经射频滤波器接入电源；测量仪器承受不连续电源供电；分压器良好接地；把上述同轴电缆套在金属管道内，管道两端都接地；直接敷设使在接地的金属板或带之下；电缆外层屏蔽应多点接地；电缆上加设共模抑制器〔把电缆多匝绕在铁体磁芯环上用光导纤维传递信号。三、参数计算额定电压选择：由上述分析可知该设计等下一般只能测量35kV等级的电气设35kV185kV325k。查资料得对于高效回路放电回路的电压利用系数η一般大于0.8，甚至可达0.9〔对于低效回路η0.7~0.80.85.1.3.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1.1。故冲击电压发生器的标称电压应不低于：U1=325×1.3×1.1÷0.85=546.8kV产品试验的要求，所以标称电压取为6kV。冲击电容选择：对35kV等级的试品〔不及大电容的一些电力变压器容主要是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和试品电最大值2500pFC约为3000pF30~60nF2就足够了。但为了增加放电效果，C1冲击电容器选择：查看脉冲电容器的技术参数表格，找到MY110-0.2此刻高压脉冲电容器比较适宜，它的规格如下：型号型号MY110-0.2额定电压〔千伏〕标称电压〔微法〕外形尺寸〔毫米〕1100.2Φ635×495〔公斤〕235用此种电容器5级串联，标称电压可达550kV，满足了电压的要求。冲击电容C1=1×0.2÷5=0.04μFC1

C1>(10~20)C2，可使冲击电压发生器的电压利用率不至于很

5×0.495m=2.475m回路选择：选择高效回路和倍压〔全波整流〕充电。冲击电压器主要参数：标称电压U1=1105=550kVC1=0.04μF1标称能量Wn=C1U2⁄2=0.04μF×(550kV)2⁄2=6.05kJ1波前电阻和放电电阻：2500pF3000pFR,R,ε,ηt f从上述分析可列出1.2μs/50μs的标准雷电波形下有RfRt=0.23023×106Ω 2Rt=1596.0−0.069767Rft 为避开两大数相减引起的计算误差，宜先通过上述两式求出Rt

最终得放电回路的近似计算

Rt=1585.87ΩRf=145.18Ωrt=Rt⁄5=317.17Ωrf=Rf⁄5=29.04Ω波前时间Tf=1.2μs=2.33Rf×C1C2⁄(C1+C2)〔考虑回路电感影响〕=2.33Rf×0.04μF×0.003μF⁄〔0.04μF+0.003μF〕求出

R=184.55Ωfrf=Rf⁄5=36.91Ω半峰值时间Tt=50μs=0.693Rt(C1+C2)=0.693Rt(0.04μF+0.003μF〕求出每级放电电阻

R=1677.79Ωtrt=Rt⁄5=335.56Ω不过这里我还是选取了用二元方程计算出的结果，即最终取rt=317.17Ω，rf=29.04Ω冲击电压发生器效率：由高效回路的电压利用效率表达式得η=C1⁄〔C1+C2〕=0.04⁄(0.04+0.003)=0.930充电电阻和保护电阻选择：要求C(R+rf)≥(10~20)Crt得R≥20×317.17−29.04=6314.36Ω≈6.65kΩ取R=6.65kΩ110kVrΩ。验证充电电阻取值的合理性：α= rtrt+RR≥〔10~20〕rtα0.05～0.1代入有α=317.17⁄(317.17+6650)=0.046充电时间的估算：CrrR。同时还应当考虑倍压回路t f第一个回路中的保护电阻r的作用。则有充电至0.9倍电压时0

T =15〔r 〕×nC0充0T ≈15s充实际上还存在充电回路中C0

T充

20s。变压器的选择：试验电压与安全系数的取值关系如下：Vn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=1k3～4k=4充电回路中变压器的容量为充充

=4.0×6.05kJ⁄20s=1.21kVA

Ut=1.1×55⁄√2≈42.78kV50kV，2kVA。硅堆选择：考虑到缩短充电时间，充电变压器常常提高10%的电压，因此硅堆的反峰电压为U =55×1.1+55=115.5kV反峰值〔效值〕来选择硅堆额定电压。电流的有效值是大于平均值的。In=1.21kVA⁄55kV⁄√2 =0.031A2DL-150/0.05球隙直径选择：第一级球隙承受三电级球隙〔如上述图所示的构造。查表有Φ250mm40mm112kV，所以选择Φ250mm6波前电阻和放电电阻阻丝计算：rt=317.17Ω，rf=29.04Ω，一级电容储能为Wc1=0.5×0.2×106 ×110×1032=1.21kJ假设试品不放电时能量全部消耗在r中，试品短路放电时消耗在r中的能量t f[317.17⁄317.17+29.04]×1.21kJ=1.11kJ承受单线反绕法〔编织电阻〕的无感电阻构造。波前电阻的阻值为29.04Ω，电阻丝消耗的能量为1.11kJ。同理，放点电阻阻值为317.17Ω，电阻丝消耗的能量为1.21kJ。冲击放电的过程很快，电阻丝消耗的能量按绝热过程考虑，所消量全部转化为电阻丝的温度上升比照各种电阻材料觉察康铜的更好些，选择康铜丝。康铜的密度γ为8.9g⁄cm3，电阻率ρ为0.48×106 Ω∙m，比热容Cm为0.417J⁄〔g∙℃