1、4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 为了满足不同电压等级的电气产品进行雷电冲击波和标准操作波试验的需要 河 南平高电气股份有限公司委托中国航天科工集团北京华天机电研究所有限公司设计 研制并提供 4200kV 420kJ 冲击电压发生器成套试验设备 一 设计的依据 1 使用条件 海拔高度 1000m 环境温度 5 4 5 相对湿度 90 安装地点 户内 2 产品应遵守的标准和规范 ZBF24001 90 冲击电压试验实施细则 GB311 1 1997 高压输变电设备的绝缘配合 GB T16927 1 1997 高电压试验技术 第 1 部分 一般试验要求 GB
2、 T16927 2 1997 高电压试验技术 第 2 部分 测量系统 GB T16896 1 1997 高电压冲击试验用数字记录仪 DL T848 5 2003 高电压测试设备通用技术条件第 5 部分 冲击电压发生器 二 主要技术参数和技术要求 1 冲击电压发生器 标称电压 4200kV 标称能量 420kJ 额定冲击电容量 0 0476 F 额定充电电压 100kV 级电容量 1 0 F 级数 21 级能量 20kJ 2 冲击电压波形参数 2 1 标准雷电波形 1 2 30 50 20 S 峰值处振荡不大于峰值的 5 2 2 标准操作波形 250 20 2500 60 S 3 同步范围 20
3、 4 最低输出电压 10 Un 5 输出电压不稳定度 1 0 第 1 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 6 发生器的效率 标准雷电波 负荷 3000pF 时 90 标准操作波 负荷 3000pF 时 75 7 弱阻尼电容分压器 标称电压 4200kV 高压臂电容量 400pF 部分响应时间 T 100nS 过冲 20 分压器精度 1 8 调波装置 标称电压 2800kV 电容量 4500pF 波形参数 标准雷电波 三 结构要求 1 冲击电压发生器本体采用塔式组合结构 具有封闭式点火系统 登高扶梯 安全操 作平台 自动接地和安全接地系统及
4、气垫移动系统 2 发生器可并 串联使用 3 弱阻尼电容分压器为可移式 四 设备参数 1 冲击电压发生器本体 1 1 发生器本体结构 参看图 1 1 1 1 1 本体结构为四柱方形结构 每级两只电容器分别挂在钢支架外侧 钢架之间用 环氧绝缘玻璃布板联接 组成一个整体组件 组件之间用四根环氧玻璃钢管支 撑 共二十一级 逐级叠成高压塔 1 1 2 主电容选用 MWF100 2 脉冲电容器 电感小于 0 20 H 外形尺寸 1228 375 178 mm 单只重量 138kg 1 1 3 调波电阻为板形结构 无感绕法 可并联使用 1 1 4 二十一对 250mm 放电半球装在封闭的绝缘筒中 构成封闭的
5、球隙放电系统 运行中用鼓风机不断地供给过滤的干净空气 1 1 5 球隙传动机构由 0 18kW 减速电机和变向机构组成 球距可自动跟踪和显示 球距可在 5 100 mm 连续可调 1 1 6 本体具有自动接地和安全接地系统 并装有登高扶梯和操作平台 第 2 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 1 1 7 本体顶部装有屏蔽罩 1 1 8 发生器本体总高度 15 51m 占地面积 5 3 4 8m 2 重 25t 详见本体结构总图 图 1 1 本体结构图 结构图中 GR 底座 IS 绝缘支柱 C 1 C 2 冲击电容器 F 1 封闭绝缘筒 T
6、 变压器 SF 放电球隙 FA 球隙传动电机 FG 鼓风机 R c 充电电阻 第 3 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 R f 波前电阻 R t1 R t2 半峰值电阻 PF 放电间隙 Cj 级间耦合电容 R erd1 R erd2 充电保护电阻 Rm 电阻分压器 IE 脉冲电容分压器 T r 脉冲电压放大器 EE 安全接地装置 ES 自动接地装置 K p F p 翻板 操作平台 IL 登高扶梯 WA 电阻支架 SA 短路杆支架 PB 屏蔽罩 Pc 控制柜 DI 警灯 JD 警铃 QD 气垫移动系统 1 2 分压器 弱阻尼电容分压器由六
7、节 MWF700 2400 型脉冲电容串联组成 耐压 4200kV 高压臂电容量 407 944pF 低压臂电容量 1 575 F 由数只 DC1000V 的独石电容 并联而成 变比约为 3862 1 分压器总高度 15 32m 占地面积为 6 5 6 5m 五 电气原理 1 充电回路 冲击电压发生器采用双边对称式充电回路 电气原理图见 图 2 1 其主要电 气部件如下 第 4 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 ES R erd U1 U1 SF Rc Rt Rc R erd C s2 U1 U1 ES s1 C M 380V D K
8、k R erdR erd Rt 输出 R m1 R m2 至控制单元 Tr C e1 R m3 R m4 R f R f R f 至控制单元 至控制单元 共21级 T 至控制单元 至控制单元 C s R s C e2 R d Cj PF 图 2 1 发生器本体电气原理图 图中 第 5 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 T 变压器 40 85 0 38 M 极性转换电机 D 高压整流硅堆 k k 可控硅调压装置 R erd 充电保护电阻 35k 14k T r 脉冲电压放大器 R m1 R m2 R m3 R m4 直流电阻分压器 100
9、kV 200M Es 自动接地装置 C s1 C s2 主电容器 MWF100 2 0 Rc 充电电阻 28k SF 放电铜球 250mm R f 波前电阻 Rt 半峰值电阻 Cj 级间耦合电容 200kV 600pF PF 放电间隙 2 雷电波放电等值回路 冲击电压发生器雷电波放电等值回路如图 2 2 所示 S L R f R tC1 C2 图 2 2 冲击电压发生器放电等值回路 图中 C 1 冲击电容 C 2 负荷电容 L 回路电感 S 同步放电球隙 R f nRf 波前电阻 R t nRt 半峰值电阻 本冲击电压发生器冲击电容C 1 为 0 0476 F C 2 为负荷电容 包括分压器电
10、容 第 6 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 本体及引线杂散电容和试品电容 本体对地杂散电容约为 400pF 不接试品时总负荷 电容按 1200pF考虑 L 为回路电感 按每级 3 7 H考虑 计算值为 78 H 引线电感 1 H m 则电感约为 90 H 3 雷电波波前电阻及最小阻尼电阻的计算 3 1 雷电波波前电阻 根据图 2 2 列出 RCL 回路微分方程 解之得下列波形电阻计算公式 2 33 1 2 1 2 0 71 1 2 f TRfCCCC Tt nRt C C b a 式中 Tf 波前时间 Tt 半峰值时间 C1 冲击电容
11、 C2 负荷电容 Rf 每级波前电阻 Rt 每级半峰值电阻 n 级数 3 2 最小阻尼电阻计算 根据计算公式 a 并按 GB T16927 1 2 1997 的规定 雷电波峰值处振荡小于 峰值的 5 其阻尼条件为 2 1 21 21 38 1 CC CCL R d c 其中 L 为回路总杂散电感 取 90 H 当发生器一并二十一串时 主电容C 1 0 0476 F 级电容 1 0 F 杂散电感 90 H 雷电波波前电阻和最小阻尼电阻计算结果见表 1 表 1 总负荷电容 pF R f R d 每级选配电阻 波前时间 s 1200 20 34 18 12 60 40 24 1 41 2000 12
12、 40 14 22 1 21 60 40 11 5 10 14 95 1 45 2500 10 02 12 79 1 21 40 40 11 5 10 12 86 1 54 3000 8 43 11 73 1 21 40 40 9 5 12 11 42 1 63 第 7 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 ES R erd U1 U1 SF R erd C s2 U1 U1 ES s1 C C s2 SF 输出 R e R f R e R t R t R f 10 级 图 2 3 发生器本体二并十串电路图 最上一级短路 当发生器本体二并十
13、串时 主电容 0 20 F 杂散电容按 40 H 考 虑 雷电波波前电阻和最小阻尼电阻计算结果见表 2 表 2 总负荷电容 pF Rf Rd 每级选配电阻值 波前时间 s 2000 26 0 19 6 60 60 30 1 38 3000 17 42 16 1 40 40 20 1 38 4000 13 13 13 93 60 40 40 15 1 37 5000 10 6 12 49 1 10 60 40 40 8 5 2 13 0 1 47 第 8 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 4 雷电波半峰值电阻的计算 将 Tt 50 S 代
14、入 b 式 根据冲击电容和负荷电容算出半峰值总电阻 列入表 3 中 表 3 总负荷电容 pF Rt 每级选配电阻值 半峰值时间 s 1000 69 04 144 144 72 52 14 2000 67 71 144 144 72 53 17 3000 66 44 144 144 72 54 18 4000 65 20 144 144 72 55 21 5000 64 02 144 144 72 56 23 6000 62 88 144 144 72 57 25 表 3 中 nR t 发生器放电回路半峰值电阻值 R t 发生器每级半峰值电阻值 T t 半峰值时间 由表 1 2 3 的计算结果确
15、定雷电波波前电阻为 60 40 5 三组 半 峰值电阻为 144 两组并联使用 使用调波装置调波时 1 C2 3 1 2 4 2nF 本体全级使用 波前电阻配置为 40 5 21 93 3 2 C2 8 1 2 9 2nF 本体 16 级使用 波前电阻全部短接 5 操作波等值放电回路 产生操作波时 由于波前和半峰值电阻 充电电阻几乎是一个数量级 要考 虑充电电阻对放电回路效率和充电时间的影响 等值放电回路如下 第 9 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 C1 C2 nr t nr f n Rc Rc C1 C2 r 1 r 2 r 3 U
16、 1 U 1 图中 r nr nr nr r R ft ft c 1 r nr nR nr r R fc ft c 2 3 ctf ct Rrrn nRnr r 对等值放电路回路建立微分方程可得 0 2 2 2 2 2 u dt du b dt ud a 其中 12 13 12 23 1 accrrrrrr 2 322311 rrcrrcb 利用特征方程 ap 解得特征根 Pbp 2 10 1 P 2 为 1 12 12 13 12 23 pp accrrrrrr 322311 21 21 rrcrrcb pp pp m pp ppp ln 21 121 1 1 3 p p p pp m 1
17、21 21 1 ln 当 T M 给定 可查表得 P 2 P 1 利用 3 式算出 P 1 和 P 2 值 Rc看作给定值 解 1 第 10 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 2 联立方程得出 r f r r 值 效率 11 4 212 0 cnR p p f 对于 T M S 2500 250 时 查得 9 050 012 pp 利用 3 式求得 P 1 320 P 2 16000 6 标准操作波调波电阻值的计算 当发生器本体一并二十串时 C 1 0 0476 F 在给定充电电阻 Rc 28k 时 计算 出标准操作波波前电阻和操作波半
18、峰值电阻值 计算结果见表 4 表 4 C 2 pF R fs k R t k 1000 3 80 3 49 2000 1 94 3 43 3000 1 32 3 37 4000 1 0 3 31 5000 0 82 3 25 6000 0 70 3 20 9000 0 49 3 0 以上可以看出 操作波波前电阻选取 3 6k 1 0k 0 4k 三组 操作波半峰 值电阻选取 3 60k 一组调波 为了提高操作波同步放电性能 在波前电阻处并接 极间耦合电容 200kV 600pF 在标准操作时 C2 3 1 nF 波前电阻用 1 0k 调 波 此时发生器效率 70 当 C2 8 1 9nF 时
19、波前电阻用 3 6 0 4 0 36 k 调 波 六 波形电阻结构设计 波形电阻采用扁形结构 选用合金电阻丝无感或有感方法绕制 雷电波波前电 阻和半峰值电阻采用双层无感绕制 每只电阻按最大承受 10kJ 能量设计 操作波 波前电阻和半峰值电阻采用双层无感绕制 单根电阻最大可承受 20kJ 能量 波形 电阻参数的具体设计结果见电阻参数表 第 11 页 共 12 页 4200kV 420kJ 气垫移动式冲击电压发生器成套试验装置设计说明书 电阻参数表 名 称 阻值 线径 绕线 长度 个数 绕制方法 雷电波波头电阻 1 60 0 7 660 23 双层无感 雷电波波头电阻 2 40 0 8 670
20、23 双层无感 雷电波波头电阻 3 5 1 0 670 23 双层无感 雷电波波尾电阻 144 0 5 670 44 双层无感 操作波波尾电阻 3 6k 0 25 670 21 双层无感 操作波波头电阻 1 3 6k 0 25 670 23 双层无感 操作波波头电阻 2 1 0k 0 4 670 23 双层无感 操作波波头电阻 3 0 4k 0 5 660 23 双层无感 充电电阻 28k 0 13 530 40 双层无感 充电保护电阻 1 35k 0 2 870 2 单层有感 充电保护电阻 2 14k 0 2 340 2 单层有感 点火耦合电阻 345 0 35 200 1 单层有感 并联补偿电阻 1 35 1 0 2000 2 双层无感 并联补偿电阻 2 35 5 1 0 1800 220 1 双层无感 第 12 页 共 12 页
