1000kV冲击电压发生器的设计.docx

1000kV冲击电压发生器设计姓 名：张 登学 号：M201071161指导老师：林福昌1000kV冲击电压发生器的设计摘要：电力系统中的高压电气设备除了承受长期的工作电压外，在运行过程中还可能承受短时的雷电压和操作过电压的作用冲击电压试验就是用来检验各种高压电气设备在雷电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能随着超高压输电工程的发展，冲击电压发生器已成为各高电压试验室的重要试验设备之一，其电压和容量不断提高本文提出了一种1000kV冲击电压发生器的设计方法关键词：冲击电压发生器；测量；高压试验1 冲击电压发生器基本原理1.1 单级冲击电压发生器图1 单级冲击电压发生器基本原理图冲击主电容器在被间隙G隔离的状态下由直流电源充电到稳态电压当球隙G被点火击穿后，主电容经电阻对电容充电，同时经放电，若选择，则上放电过程可忽略，在被试品上形成上升的电压波前当上的电压波充电达到最大值后，反过来与一起对放电，在被试品上形成下降的电压波尾被试品的电容可以等值地并入电容中回路中影响输出电压幅值的，除了电容上的电荷分配外，还有在电阻上的分压作用因此，回路的利用系数可近似地表示为： 经计算这种回路是一种低效回路，其效率约为，采用图2所示的回路，效率为，可达以上，是一种高效回路。

图2 高效回路1.2 多级冲击电压发生器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一般不超过200~300kV因此，在设计1000 kV冲击电压发生器时必须采用多级冲击电压发生器多级冲击电压发生器的作用原理可以简单概括为多级电容器并联充电、然后自动串联起来放电，形成幅值很高的冲击电压波图3为多级冲击电压发生器的原理电路图图3 多级冲击电压发生器的原理电路图首先调整各个球隙的距离，使G1的放电电压为U0，G2～G4的放电电压在U0～2U0范围内，然后开始对各个电容器同时充电到U0这时G1首先击穿，导致G2～G4依次击穿，各个电容器串联起来对C2和R2放电，在输出端获得幅值很高的冲击电压2 1000kV冲击电压发生器的设计2.1 1000kV冲击电压发生器主回路一般来说，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为1.3，长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，去老化系数为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额定电压为：取1800kV为全电压，采用6级结构，每一级级电压为300kV通过调压器调节充电电压使各级电容器C依次并联充电到 ；然后对第一级球隙触发，使第一级球隙首先放电，导致后面各级球隙依次放电。

经过分析，选择双边充电回路，在相同的输出电压下，级数可减少一半，充电的不均匀性、充电时间和利用系数都能得到显著的改善冲击电压发生器设计图如图4所示图4 冲击电压发生器设计图：单相调压器，，；：试验变压器，；D1，D2：高压整流硅堆，2CLG300kV/500mA；：保护电阻，；：充电电阻，；：直流分压器电阻，；：主电容，； ：波前电阻，；：负荷电容；：波尾电阻，；：高压臂电容； ：阻尼电阻，；：低压臂电容；：点火球隙，；、、、、：中间球隙，；：隔离球隙，；：测量球隙，；：测量电缆的波阻抗；：匹配电阻（）；：示波器；：直流微安表 串联放电等效电路如图5所示：图5 高效率回路串联放电的等值回路2.2 各参数选择2.2.1 冲击电容选择如果不考虑大型电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，取其为；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约为；电容分压器的电容如估计为则总的负荷电容为如按照冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需要的冲击电容为2.2.2 主电容的选择对于大型冲击电压发生器，最好是采用专用的固有电感小的脉冲电容器脉冲电容器一般为户内装置适用环境温度，海拔不超过1000米的地区使用。

脉冲电容器由于具体用途不同，结构上差别很大电容器的外壳有绝缘套筒、瓷套筒及钢板三种，部分圆表形电容器内部装有抗张器，用以补偿随油体积温度的变化综合考虑电压等级，电容器容量、规格和足够的安全裕度以及经济性等，选择武汉长城华科电容电气有限公司生产的脉冲电容器表1 冲击主电容参数表规格型号额定电压标称电容尺寸MMJ150kv-0.25 uF150kV0.25uF250*110*150表2 主电容技术指标技术指标 Technical CharacteristicsJB/T81681.环境温度 Operating temperature-25℃～+40℃2.容量范围 Capacitance range0.25uF3.允许偏差 Capacitance tolerance≤±5%4.额定电压 Rated voltage150kv5.损耗角正切 Dissipation factor≤0.1%(100Hz)6.绝缘电阻 Insulation resistance≥103MΩ7.电极直径 Lead diameterM6～M12mm由于采用双边充电，每级两个电容器，分6级，则冲击电容此时有，由此可以保证冲击电压发生器的效率不致过低。

每一级电压为，每一个电容通过变压器充电则冲击电压发生器可产生的电压约为，满足要求2.2.3 波前电阻和波尾电阻的计算当试品电容约1500pF，负荷总电容为2600pF时1．波头时间而则可求出取，则2．波尾时间而则 可求出取，则2.2.4 充电电阻和保护电阻的选择1．充电电阻的选择希望充电电阻不影响主回路的放电效率，要求经过充电电阻放电的时间常数为主回路放电时间常数的倍即要求，得选取充电电阻每根充电电阻的结构长度应能耐受的高压2．保护电阻的选择取保护电阻r为充电电阻R的30倍，则保护电阻r为，每根保护电阻的结构长度应能耐受的高压2.2.5 充电时间的估算由于采用了倍压充电回路，难以精确分析，仍按简单整流充电的计算法考虑到保护电阻r远大于充电电阻R，充电时间主要受保护电阻r 影响充电至0.9倍电压时有考虑到杂散电容等因素的影响，充电时间还会增加一些，取充电时间为25s2.2.6 冲击电压发生器主要参数： 标称电压：冲击电容：标称能量：效率：2.2.7 变压器选择T1：单相调压器，可调电压范围为0~380V，容量为15kVAT2：试验变压器，将安全系数取为3.0，考虑双边充电回路所需要的容量。

变压器容量 变压器电压 故选择试验变压器，型号为YD20/150表3.试验变压器选择型号容量（kVA）高压输出低压输入电压（kV）电流（mA）电压（V）电流（A）YD20/15020150133380532.2.8 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选取鞍山术立电子有限公司生产的型号为：2CLG300KV/500mA的高压硅堆，具体参数如下：表4.整流硅堆型号型 号Type No.反向重复峰值电压VRRM  KV正向平均整流电流 IO  mA最大正向浪涌电流IFSM A最大正向峰值电压 VFM  V最大直流反向电流IR  μATa=25℃2CLG300kV/500mA4005005060052.2.9 球隙直径选择的球隙在间隙距离为6.5cm时的放电电压为154kV，故选择的球隙作为点火球隙；的球隙在间隙距离为12cm时的放电电压为318kV，故选择的球隙作为中间球隙；的球隙在间隙距离为100cm时的放电电压为1840kV，故选择的球隙作为隔离球隙和测量球隙。

3 冲击电压发生器运行仿真采用ATP软件对设计出的冲击电压发生器进行仿真计算在ATP中建立的仿真模型如下:图6 ATP仿真电路图参数选择：C1=0.042μF；C2=2600pF；RLC模块为回路电阻及电感：回路电阻取1Ω；电感取20μH；波头电阻：Ω； 波尾电阻：Ω图7 冲击电压发生器输出仿真波形仿真波形：峰值电压：920kV；波头时间：1.64μs，波尾时间：53.73μs与预期的设计结果基本吻合4 测量系统4.1 测量系统主回路测量系统由电容分压器通过电缆接高压示波器构成，主回路如图8所示图8 冲击电压发生器测量回路4.2 分压器的结构设计(1)在分压器顶端加一屏蔽环，用于补偿对地杂散电容电流，从而改善分压器上的电压分布，使分压器轴线上的电位分布接近于均匀2)采用首端匹配的方式消除折反射波首端匹配电阻等于电缆波阻抗Z3)测量电缆选用高频同轴电缆，以保证较好的波形传输性能，选用双屏蔽同轴电缆还可提高抗干扰性能，外层屏蔽与屏蔽室相连，内层屏蔽与测量一起的接地端连接4)高压引线最好采用无电晕的大直径引线，以免电晕影响系统的性能4.3 高低压臂参数的选取电容分压器的分压比为选取10000：1，高压臂CT取3.0nF，由5个电容串联而成，每个耐压400kV；则低压臂CE取6μF。

因为电容分压器与试品连接的高压引线有数米长，只有在高压引线的一端用与引线波阻抗相等的电阻进行匹配，分压器才能获得良好的传递特性而高压引线一般选用的同轴电缆典型波阻抗值为和，在高频下波阻抗选所以，测量匹配电阻：，耐压在200V以上变比：K=CE/CT=6/0.0006=100004.4 冲击电压发生器的结构设计冲击电压发生器是靠电容器串联放电来获得高电压的，每台电容器有不同的电位，应该按照电位来把电容器分布在相应的位置上，电容器与地之间、电容器与电容器之间都应保持一定的绝缘距离结构设计的要求有：(1)电性能上要绝缘可靠，不发生闪络或击穿等事故2)机械上要稳定牢靠，除本身载荷外要考虑地震，在露天的要考虑风载3)在保证绝缘距离的前提下，结构高度应尽可能低；在保证稳定的前提下，底面积不宜过大4)要使回路尽可能短，电感尽可能小塔式结构具有占地小，高度适中，拆装检修方便的特点，所以在此采用塔式结构冲击电压发生器中的阻尼电阻、波前电阻和波尾电阻都与波形有关，要求电感小、热容量大、稳定性高，采用电阻丝按无感绕法做成的电阻冲击放电时电阻上的温升按绝热过程考虑保护电阻和充电电阻一般不影响波形，对稳定性的要求不高，而阻值比较大，现在多采用镍铬丝绕的电阻。

冲击电压发生器的火花球间隙通常是铜或铝的空心球固定球的零件及球杆应避免电晕，球间距离应能均匀调节为便于调整同步，不仅要求全部球能统一调节，还要求每对球有少量手动调节的可能全部球隙应处在一垂线上，底下一对球放电时的射线有可能照射到上一级球隙，冲击电压发生器的结构简图如图9所示图9 冲击电压发生器结构简图参考文献[1] 林福昌.高电压工程.北京：中国电力出版社，2006.[2] 张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术.北京：清华大学出版社，2003.[3] 华。