1、冲击电压发生器的设计一、引言冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，在电力系统中主要用于研究电力设备遭受大气过电压和操作过电压时的绝缘性能。本文是高电压技术课程的课程设计，参考相关文献完成了冲击电压发生器设计，了解了该装置基本原理、设计流程、注意事项等。二、设计过程1.最大输出电压300800kV2.冲击电容为保证冲击电压发生器有较大适用范围，考虑试验可能遇到的最大的试品电容（不考虑大电力变压器和整卷电缆试验的情况）（1）试品中互感器电容最大，约 1000pF（2）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计值取 500pF（3）电容分压器（分压器采用电容式分压器）的电容估
2、计值取 600pF由此得出，总的负荷电容约为 21056021CpF为保证发生器有足够高的效率，同时兼顾经济性，冲击电容取负荷电容 10 至 20 倍，则冲击电容为 12(0)(1035) pF3.电容器的选择型号 MY1100.2 脉冲电容器参数如下表型号 额定电压（kV）标称电容（pF）外形尺寸（mm）重量（kg） 适用范围MY110-0.2 110 200000 6350瓷壳249 冲击电压发生器需满足两个要求：（1）电压发生器额定电压要求：300800kV（2）冲击电容要求：2100031500pF采用 MY1100.2 脉冲电容器，7 级串联，此时冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约
3、为 770kV 满足（300800kV），且冲击电容为 200000/7=28571 满足（2100031500pF）4.回路选择采用高效回路，单边充电。图 1 高效回路上图中 C 为型号 MY110-0.2 脉冲电容器， R 为充电电阻，r 为保护电阻（同时起均压作用，使电容充电比较均匀），大小取 10R，rf 为波头电阻，rt 为波尾电阻。回路化简及等效如下图图 2 等效回路充电测量：毫安表测量充电电流，微安表与大电阻串联测量充电电压。图 3 充电回路电参数测量5.冲击电压发生器主要参数（1）额定电压 U1=7*110=770kV（2）冲击电容 C1=200000/7=28571pF（3）
4、能量 W=1/2*0.028571*10-6*(770*103)2= 8.4699e+003J=8.47kJ6.波头电阻和波尾电阻计算假定（1）试品电容为 1000pF（2）负荷电容为 2100pF则由于波前时间等效回路：图 4 波前时间等效回路：波头长 1212612085701.203.23.4f f fCt r r 得， 189.3fr27.041.189.3/fr波长时间等效回路图 5 波长时间等效回路：波长时间 6 1201.9(285710)t tr 得 ，236.=tr23./3.tr7.充电电阻和保护电阻阻值计算及电阻材料的选择下图为充电回路内部环流，为减小充电回路内部放电回路
5、对冲击电压发生器放电回路的影响，要求 R+rf1020rt。图 6 充电回路内部 RC 回路环流（1） 充电电阻 R20*337.5-27=6723 欧姆，取 10 千欧，结构长度应能承受 110kV 电压。由于高效回路发生球隙放电不同步等异常时，电容的能量都将从波头和波尾电阻释放（由于充电电阻 R 远大于波头波尾电阻），所以一般情况下充电电阻不存在过热的危险，故电阻的制作只需考虑绝缘的问题。图 7 无感电阻绕制采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值 20kohms。采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取 0.050mm，截面积 0.001964mm2，每米电阻555ohms，则电阻丝长度
6、为 20000/555=20.036m。选外径为 80mm，壁厚为 3mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据 1mm 极板间隙放电电压为 1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为 0.1mm。由绝缘筒截面周长约为 250mm。波前电阻丝所绕圈数 20036/250= 80 圈，故 80 圈电阻丝之间承受电压110/80=1.375kV/圈，故电阻丝间距必须大于 1.375mm，取 1.4mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为 。1.480.120.m（2） 保护电阻 r 取为 40R=400kohms，结构长度应能承受 1.1*110=121kV 电
7、压。保护电阻亦不需考虑过热的问题，而只需考虑绝缘问题，采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值 800kohms。采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取 0.020mm，截面积 0.000314mm2，每米电阻3470ohms，则电阻丝长度为 800000/3470=230.548m。选外径为 300mm，壁厚为 5mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据 1mm 极板间隙放电电压为 1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为 0.1mm。由绝缘筒截面周长约为 942mm。波前电阻丝所绕圈数 230548/942= 245 圈，故 245 圈电阻丝之
8、间承受电压为110*1.1/245=0.494kV/圈，故电阻丝间距必须大于 0.494mm，取 0.5mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为 。0.5240.147m8.冲击发生器效率 285193.2%170C9.充电时间估算非高效充电回路可作下列等效处理，由于是整流电压充电故充电时间较直流电压要长，T 充=15rnC。（高效回路应有类似结论，下面直接用此结论）由等效电路估算，7 个 110kV 电容器串联 ，90%充电时间约为t=15rnC=15*400*103*7*0.2*10-6=8.4s10. 硅堆选择短时最大充电电流=310.10.34Am按有效值选硅堆的额定整流电流=54.8硅堆
9、反峰电压= 10.21kV选用硅堆：反峰电压231kV，额定整流电流=100mA查表得型号为“2DL 250/0.1 浸油”硅堆参数如下型号 反向工作峰值电压Ur/kV反向漏电25/A正向压降/V 平均整流电流 If/A外形尺寸/mm2DL 250/0.1 浸油250 10 200 0.1 L=800;D=25;H=35故可选用“2DL 250/0.1 浸油”硅堆。11. 变压器选择容量计算 226331170.2(10)8.481.08VA=1.08k4ncuS电压有效值= 1./kV故可选全绝缘变压器：YD 型 100kV/10kVA12. 球隙和触发器的选择及球隙放电同步性球隙：250m
10、m 在球隙距离为 40mm 时放电电压为 112kV（略大于 110kV），故选取 7 个直径 250mm 的铜球。点火球隙和触发装置：图 8 点火球隙和点火发生装置实际上当第一级球隙放电后，由于球隙间等效电容、充电电容和杂散电容三者分压，以及回路中充电电阻、波前、波尾电阻对电压分布的影响，球隙的电压将比理想值要小，故可能引起放电不同步，为改善球隙放电同步性将冲击电压发生器球隙排在一垂线上，后一级球隙放电可利用前一级放电时产生的紫外线。13. 波头电阻和波尾电阻的计算及选择已知 rf=27.0ohms；rt=337.5ohms，一级电容器储能为 63210.2(10)1.kJ为保证电阻不至于因
11、发热而烧坏，考虑电容 rf、rt 上可能消耗的最大能量，从而选择电阻材料（康铜丝）和结构。名称 主要成分% 电阻率（20） 2mA电阻温度系数（）610/最高工作温度（）平均热容 oKcalkgC康铜（8.9g/）3cmNi（39-41）Mn(1-2)Cu(余量)048 5 500 0.1电阻最高温升为 150，电阻丝长为 L(m)，截面积为 A( )2m（1） 试品不放电时，全部能量消耗在 rt，即 1.21kJ采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值 2*237.5=475ohms，消耗能量1.21/2=0.605kJ。冲击放电时间极短，故电阻上消耗能量的过程看作是绝热过程，能量全部
12、转化为电阻温升。（注：下式是参照清华大学张仁豫教授的高电压试验技术第一版的结论而列写的，其中的系数 0.24 我也未理解其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在，个人也倾向于第二版的结论，但这里仍按第一版的结论计算）34750.88.9101.210.4LAAL解得：L=46. 3964m，A=0.0469mm选择与上述值最接近的电阻丝，线径 0.250mm，截面积 0.0491 ，9.78ohms/m，应2m取长度 L=475/9.78=48.57m，可得此时实际温升 137150，符合要求。（2） 试品放电时，rt、rf 的分流作用导致电容能量的 ，即37.50.8970.8979*1.
13、21=1.0865kJ，消耗在 rf。采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值 2*27=54ohms，消耗能量1.0865/2=0.5432kJ。（注：下式是参照清华大学张仁豫教授的高电压试验技术第一版的结论而列写的，其中的系数 0.24 我也未理解其含义，而且在该书第二版中该系数也被不存在，个人也倾向于第二版的结论，但这里仍按第一版的结论计算） 3540.88.9101.54210.4LAAL 解得：L= 10.4814m，A= 0.0932mm2选择截面积 0.0962 ，线径 0.350mm，4.99ohms/m，应取长度 L=54/4.99= 10.82m，2m可得此时实际温升
14、 141150，符合要求。（3） 绝缘筒的选择波头电阻绝缘筒：选外径为 50mm，壁厚为 3mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据 1mm 极板间隙放电电压为 1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为 1mm。由绝缘筒截面周长约为 157mm。波前电阻丝所绕圈数 10481.4/157= 67 圈，故 67 圈电阻丝之间承受电压为110/67=1.6418kV/圈，故电阻丝间距必须大于 1.7mm，取 1.7mm，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为 。1.74213.4m波尾电阻绝缘筒：选外径为 80mm，壁厚为 3mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电
15、阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据 1mm 极板间隙放电电压为 1kV，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为 1mm。由绝缘筒截面周长约为 250mm。波尾电阻丝所绕圈数 46396.4/250=185.6=186，圈绝缘必须大于 110/186=0.5914kV/圈，取 0.6，故绕制波尾电阻的绝缘筒长度为 0.618297.6m14. 分压器的选择（1）采用电容式分压器,考虑到前文中估算负荷电容时将电容分压器的电容估计为600pF,所以电容分压器除考虑分压比外，还需考虑其等效电容值，选用集中式电容分压器。示波器选择：SBGM-2.5kV由于冲击电压峰值约 700kV,而示波器输入
16、电压约为 2.5kV,故分压比可选择为 500:1，则 ，即 C2=499C11250C等效电容为 600pF，则1260CpF所以，16230pF（2）考虑阻抗匹配如下图，其中 Z 为电缆波阻抗，匹配电阻 R1、R2 大小等于 Z。脉冲波第一次进入电缆线时，波大小为 ，而示波器可等效为一电容，其电容值很1122CUCUR小，故波在此处发生全反射，使末端电压为 ，而此反射波到达 R1 时由于 R1=Z故不发生反射，这样就实现了阻抗匹配。图 9 冲击电压测量装置阻抗匹配15. 容性试品前文在估算容性试品电容值时，假设了可能选取的最大情况，即互感器 1000pF（不考虑整卷电缆线的情况），而充电电
17、容的电容量是按照这个值进行计算的，所以对电容小于1000pF 的试品此装置均可满足要求，而实际试验时为满足波形的要求，可补偿一电容器使等效负荷电容为 1000pF。关于该冲击电压发生器的不同试验试品所能达到的电压等级可参看 GB 311-64。16. 冲击电压发生器结构设计考虑到级数为 7 为奇数，为保证空间对称性从而杂散参数对称，故采用单柱柱式结构。图 10 冲击电压发生器柱式结构17. 测量装置的抗干扰图 11 冲击电压发生器各系统位置关系（1）分压器与试品间为避免相互的电场及电磁场的干扰影响，两者必须相距一定的距离。（2）测量仪表必须远离高压试区外，同时应放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他严密的防干扰及反击措施.（3）为了消除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及安全事故，须采取几十米长的射频同轴电缆，从分压器下端把电压信号引至记录仪器。（4）同轴电缆的外层屏蔽层良好接地，屏蔽静电场，防止静电场对内导体的作用。在实验室内击穿放电时，会产生很大的振荡的短路电流，若仅用简单的导线作为接地回路，不可能使电压降减至很小。为了减小阻抗应采用高导电材料的铜或铝制成的大金属板。许多近期建造的高压实验室把这种接地回路与整个法拉第笼焊接在一起，使之构成全屏蔽的实验室。在较老的实验室里，至少应采用较宽的金属带来组成接地回路。
