华科高电压测试研究生课程大作业冲击电压发生器设计.docx
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华科高电压测试研究生课程大作业冲击电压发生器设计
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
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，1～4级球隙在Uo～4Uo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200～300KV。
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
100～1000
高压套管
50～600
电力变压器
1000～2500
电缆进线的电力变压器
3000～4500
电力电缆（每米）
150～400
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1000pF，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η=0.9时，即：
C1=9C2=18900pF=0.0189μF
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
μF
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kg
MWF150-0.65
150
0.65
≤250
正常工作回路
冲击电压发生器
410×145×1260/1730
122
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10～20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A
G-YD50/150
50
150
333
380
132
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0～250V。
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）
台装
TDGC2J
2KVA
21*25*23
11.8
25*50*44
2
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A
最大正向峰值电压V
最大直流反向电流μA
Ta=25℃
Ta=100℃
2CL400KV/500mA
400
500
25
420
10
75
2.3.5、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φ50cm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φ75cm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φ75cm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1730mm。
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）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1μH/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1.1μH。
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）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1μH/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=0.065μf，C2=0.0021μF，Rf=182.06Ω，Rt=1064.51Ω。
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1.1μs，波尾时间为47.6μs。
实际中允许的偏差如下：
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0.84～1.56μs范围内，波尾时间允许在40～60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32.4μH。
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，
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