多级冲击电压发生器的设计Word文档格式.docx
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0.8〜
1.5
1.8〜2.7
2.4〜3.6
2.7〜
4.2
根据设计要求的输出电压为300-800kV,根据上表,可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,考虑老化系数取1.1;
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660kv。
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600pF,
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MY110-0.2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kg
MY110-0.2110kv0.2uF①635X495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110kv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=(0.2/2)M1/6)X106=16666.7pF
能量:
Wn=C1U12/2=0.16666602/2kJ=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=1.2七=3.24RfCG/GC)
求出Rf=2076」,每级rf二Rf/6=346」。
半峰值是等效回路
故半峰值时间
求出R=3866.6。
,每级rt=R/6=644.4。
七、冲击电压发生器的效率计算:
若考虑波形系数为0.945,则=0.910.945=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仃)一(10~20)6,得:
取R=15kQ。
每个充电电阻值15kQ,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1.1^55kv=60.5kv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rf,它们远小于充电电阻
R。
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0.9倍电压时,
设,则计算得T充壬11.2s。
实际上还存在充电回路中C。
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3.0。
变压器容量=3.02Wn/T充二3.023.63/15kVA=1.452kVA
变压器电压=1.155kVr/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3.YD—3/50试验变压器的参数
型号规格
额定容量
额定电压/kV
额定电流/A
/kVA
输入
输出
YD—
3/50
3
0.22
50
13.63
0.06
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=55kVX1.1+55kV=115.5kV。
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。
电流的有效值是大于平均值的。
因此选用硅堆应满足:
1.反峰电压>115.5kv
2.额定整流电流>37.3mA
在此种条件要求下可以选用型号为2DL150/0.05的
高压硅堆。
(参数见下表)
表4.
十二、球隙直径的选择:
由资料可知,①10cm球隙在间隙距离为4.5cm时的放电电
压为115kv,因此选择①10cm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的选择计算:
已知仃=34.6"
r「644.4「,一级电容器储能为:
CU2/2=0.50.110"
(110103)2kJ=0.605kJ。
假定试品不放
电时能量全部消耗在几中,试品短路放电时能量的
644.4/(644.4+34.6),即0.574kJ消耗在“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2X34.6Q即
69.2Q。
每股电阻丝消耗的能量为0.574/2kJ即0.287J。
同
样情况,波尾电阻每股阻丝的阻值为2044.4=1288.8Q,每
股电阻丝消耗的能量为0.605/2kJ即0.3025J。
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V为8.9g/cm3,电阻率p为0.48Qcm2/m,比热容Cm为0.417J/(gC),电阻允许最高温升0为150C。
令电阻丝长度为l/m,直径为d/mm,则可得
&
=4d2)
(1)
而消耗的能量
W八I-d2C^/4
(2)
将式
(1)和式
(2)消去I,得电阻丝的直径为
d=(2/三)〔W'
/(RCmTF4(3)
首先令R。
=2「f=2汇34.6=69.2。
,W=287J,
最后,由式(3)得
实际选①0.25mm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R>
=2rt=2644.4=12888、,W=302.5J代入式(3)得电阻丝的直径为
实际选①0.14电阻丝按相反方向并绕。
可算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—0.00012脉冲电容器(可承受电压最高)较合适,其参数如表5。
表5.MY500—0.00012脉冲电容器的规格
型号
额定电
压/kV
标称电
容/疔
外形尺
寸/mm
重量
/kg
外壳
MY500—
0.00012
①182X
28.2
胶纸
1155
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=o.o6io「f。
用MY80—0.03脉冲电容器组成低压臂,其参数如表6。
表6.MY80—0.03脉冲电容器的规格
标称电容/卩
F
寸/
mm
重量/
kg
MY80
—0.03
80
0.03
①220X
455
19.7
胶纸壳
用此种电容器两级串联,使分压器额定电压可达(500+80
怎)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戌=U'
K=(660/335.3)kV=1.968kV
2■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=ioo,,则分压比
最终输入示波器的电压幅值为(1968/101)V=19.5V.
另需注意的是,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MY110-0.2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&
=3866.6,,波尾电阻Rf=2073,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=15kQ;
为保护整流装置和均压,使保
护电阻r=600kQ
六、该冲击电压发生器的充电时间估算为15s,长度适中,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2DL150/0.05的高压硅堆,具体参数见设计过程相关参数表格。
九、查球隙放电电压表易确定①10cm铜球在间隙距离为4.5cm时满放电要求。
十、为得到较高的分压比例和好的瞬变响应特性,该冲击电压
发生器的冲击分压系统采用两级结构,具体分压系统结构和低压测试回路见设计过程(在此不再赘述)。
十一、为防止干扰,低压回路和测量仪器必须进行良好的屏蔽(具体方法不再详述,见设计过程)。
参考资料
高电压工程》
——林福昌主编
中国电力出版社2007.3
高电压试验技术》
——华中科技大学上海交通大学合编
水利电力出版社1982.11高电压实验技术》
——张仁豫陈昌渔等着清华大学出版社1982