1、 高电压课程设计高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院电气与电子工程学院指导老师：戴玲指导老师：戴玲2010年年 3月月 1日日一、一、 设计任务：设计任务：设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压波形（即冲击电压波形（即 1.2/50us） ，电压等级为，电压等级为 330kv-800kv,级数为级数为 3 级以上。级以上。二、额定电压的选择：二、额定电压的选择：为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压需首先明确冲击电压发生器电压等级
2、与所测试品电压等级的关系（见下表）等级的关系（见下表）1试品电压等级的确定：表 1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间的关系试品额定电压 / kV35 110 220 330 500冲击电压发生器标称电压 / MV0.40.60.81.51.82.7 2.43.62.74.2根据设计要求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
3、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： 1385.1.0.85647UkV由此确定冲击电压发生器的为由此确定冲击电压发生器的为 660kv。三、冲击电容的选择：三、冲击电容的选择：将试品电容估算为将试品电容估算为 900pF，冲击电压发生器的，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，电容分压器的电容估算为 600pF，则总的负荷电容：则总的负荷电容：C2900+500+600=2000（ pF）按冲击电容为负荷电容的
4、按冲击电容为负荷电容的 10 倍估算，倍估算，则冲击电容则冲击电容10000pF=5C2115.5kv2.额定整流电流37.3mA在此种条件要求下可以选用型号为在此种条件要求下可以选用型号为 2DL150/0.05 的的高压硅堆。高压硅堆。 （参数见下表）（参数见下表）表表 4.平均整流电流 mA 外形尺寸 mm型号型号 型号 反峰电压 kv 反向电流 uA +25度 正向压降 v40度 100度 长 宽 高2DL1 2DL150/0.05150 =10 =120 50 20 400 30 22十二、球隙直径的选择：由资料可知，10cm 球隙在间隙距离为 4.5cm 时的放电电压为 115kv
5、，因此选择 10cm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 ， ，一级电容器储能为：34.6fr4.tr。假定试2 632/0.510(10).605CUkJkJ品不放电时能量全部消耗在 中，试品短路放电时能tr量的644.4/(644.4+34.6)，即 0.574kJ 消耗在 中。如采用fr双股相反绕的无感电阻结构，则波前电阻的每股阻值为 234.6即 69.2。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 2644.4=1288.8，每股电阻丝消耗的能
6、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 为 ，电阻率 为38.9/gcm，比热容 为 ，电阻允许最高温20.48/cm mC0.417/()JC升 为 150。令电阻丝长度为 l/m，直径为 d/mm，则可得(1)204()Rld而消耗的能量 (2) 2/4mWldC将式（1）和式（2）消去 l，得电阻丝的直径为(3) 1/40(2/)/()mdRC首先令 ， ，0234.69.fRr287WJ最后，由式（3）得 1/42870.4/(.9620.75)0
7、.25d m实际选 0.25mm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2 20/(4)69.0.5/(4.8)7.0lRd m实际温升可由式（2）得 2 24/()487/(.9083.14590417)92.mWldC C 再次令 ， 代入式（3）得电06.12.tRr.WJ阻丝的直径为 1/4302.548/(.912.8075)0.9d m实际选 0.14电阻丝按相反方向并绕。可算得一根电阻丝的长度 2 20/(4)18.0.14/(.8)41.3lRdm实际温升 2 24/()4302.5/(8941.3590.14.7)128.mWldC C 用所选康铜丝两
8、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
9、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 MY5000.00012 脉冲电容器（可承受电压最高）较合适，其参数如表 5。表 5. MY5000.00012 脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY500 500 0.00012 1821 28.2 胶纸0.00012 155 壳用此种电容器三个并联，使高压臂 130.20.36CF由于设同轴电缆输出端电压幅值为 2kV，故分压比 K=
10、660/2=330。121230()/(0.36)/(0.36)KCFCF求出 。用 MY800.03 脉冲电容器组成低2.64F压臂，其参数如表 6。表 6. MY800.03 脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY80 80 0.03 220 19.7 胶纸壳0.03 455用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达（500 802）kV660kV，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 2(0.34/2)0.6CF故分压器的实际分压比为 121()/(0.36.)/0.365.KC即同轴电缆输出端电压 21/(/
11、.)1.968UKkV2.二次电阻分压器（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 ，低压臂 ，则分压比10R210R2()/HLK最终输入示波器的电压幅值为（1968/101）V19.5V.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
12、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
13、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 型高压脉冲电型高压脉冲电容器，具体参数见设计过程相关参数表格。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。具有较高的利用效率。四、该冲击电压发生器的波头电阻四、该冲击电压发生器的波头电阻 ，波尾电386.tR
14、阻 ，并且选用适当规格的康铜丝（即要同时207.6fR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R15k ；为保护整流装置和均压，使保护电阻r=600k。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 YD3/50， 具体参数见设计过程相具体参数见设计过程相关参数表格。关参数表格。八、经过反峰电压和额定整定电流的估算，确定八、经过反峰电压和额定整定电流的估算，确定选
15、择型号为选择型号为 2DL150/0.05 的高压硅堆，具体参数见设的高压硅堆，具体参数见设计过程相关参数表格。计过程相关参数表格。九、查球隙放电电压表易确定九、查球隙放电电压表易确定 10cm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 等著清华大学出版社 1982
