沖擊電壓發(fā)生器

1000kV沖擊電壓發(fā)生器及測量系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本文介紹了1000kV沖擊電壓發(fā)生器及測量系統(tǒng)的基本工作原理，分析了設(shè)計過程中的主要問題，結(jié)合沖擊電壓發(fā)生器的主要技術(shù)指標，對設(shè)計過程進行了詳細討論，給出了電路原理圖及實物結(jié)構(gòu)圖，并對主要元器件進行了選擇，最后利用仿真軟件ATP對輸出波形進行了仿真，以驗證選擇參數(shù)的正確性，同時對某些電路參數(shù)對沖擊電壓波形的影響作出了分析。關(guān)鍵詞：沖擊電壓發(fā)生器；電路設(shè)計；結(jié)構(gòu)圖；ATP仿真電力系統(tǒng)的高壓電氣設(shè)備在運行時不僅要經(jīng)常承受正常的工作電壓作用，而且還有可能遭受短時雷電過電壓和內(nèi)部過電壓的侵襲，所以高壓電氣設(shè)備在安裝前要進行必要的過電壓的絕緣耐受試驗，比如模擬雷電過電壓和操作過電壓作用。沖擊高壓實驗是耐壓實驗的一種，進行沖擊高壓實驗是為了研究電氣設(shè)備在運行中遭受雷電過電壓和操作過電壓作用時的絕緣性能［1］。沖擊電壓發(fā)生器是高壓實驗室的基本設(shè)備之一，它是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置。由于絕緣耐受沖擊電壓的能力與施加電壓的波形有關(guān)，而實際沖擊電壓波形具有分散性，因此必須對于沖擊電壓波形參數(shù)做統(tǒng)一規(guī)定，以保證多次試驗的重復(fù)性和不同試驗條件下的結(jié)果的可比較性。我國采用國際電工委員會（IEC）標準規(guī)定標準沖擊電壓波形。即規(guī)定沖擊電壓波形為雙指數(shù)型，波頭時間為1.2uS，波尾時間為50us，沖擊電壓峰值一般為幾十千伏到幾兆伏。1設(shè)計要求1.1設(shè)計指標設(shè)計一臺1000kV的沖擊電壓發(fā)生器及測量系統(tǒng)，可以對2000pF的試品電容做沖擊試驗。1.2基本要求沖擊電壓發(fā)生器應(yīng)該滿足以下幾個要求：1）能產(chǎn)生1.2/50體的標準雷電波。2）能給2000pF以內(nèi)的試品作沖擊電壓試驗。3）要求畫出結(jié)構(gòu)簡圖。4）要求設(shè)計出各種元器件的參數(shù)（如電容、電阻器參數(shù)和型號等，球隙間距等）。5）給出仿真波形并進行分析。2沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計原理如圖1所示，為標準沖擊電壓波形。在經(jīng)過時間T1時，電壓從零上升到最大值，然后經(jīng)過時間T2-T1，電壓下降到最大值的一半。規(guī)定電壓從零上升到最大值所用的時間T1稱為波頭時間（或稱波前時間）；電壓從零開始經(jīng)過最大值又下降到最大值一半的時間T2稱為波尾時間（或稱半峰值時間）。圖1標準沖擊電壓波形由該圖可知，非周期性的沖擊電壓波形由兩個指數(shù)電壓波形疊加合成，如圖2所示，則其表達式為：u（t）=A（e-t/^1-e-m2）（2-1）該式中，口為波尾時間常數(shù)，T2為波頭時間常數(shù)，通常情況下有T1>>T2，A為單指數(shù)波幅值。IEC中規(guī)定標準沖擊電壓波形參數(shù)為：

波頭時間：1.2us±30%半峰值時間：50us±20%幅值誤差：±3%圖2沖擊電壓波形的合成由公式（2-1），沖擊電壓波形可由電容、電阻構(gòu)成的二階電路的充放電實現(xiàn)。如圖3所示，為標準雷電波沖擊電壓發(fā)生器原理電路示意圖。H口圖3沖擊電壓發(fā)生器電路原理示意圖整流電路將電網(wǎng)中的交流變換為直流為電容充電，C0在被球隙G隔離的狀態(tài)下由整流電路充電到穩(wěn)態(tài)電壓U0，放電球隙G被點火擊穿后，電容C0上的電荷經(jīng)電阻Rt放電，同時經(jīng)Rf對Cf充電，在被試品上形成上升的電壓波頭。當(dāng)Cf上的電壓被充到最大值后，反過來經(jīng)Rf和C0一起對Rt放電，在被試品上形成下降的電壓波尾，從而產(chǎn)生雷電沖擊電壓全波波形。圖中C0為主電容，G為放電球隙，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻，Cf為波頭電容，Cx為被試品的等效電容。被試品的電容可以等效并入電容Cf中⑵。由于受到高壓硅堆參數(shù)等因素的限制，單級沖擊電壓發(fā)生器輸出的沖擊電壓幅值

一般不超過200?300kV，所以實際中要獲得更高的沖擊電壓，幅值，需采用多級

沖擊電壓發(fā)生器。圖4為多級沖擊電壓發(fā)生器的電路原理圖。圖4多級沖擊電壓發(fā)生器電路原理圖多級沖擊電壓發(fā)生器的基本原理為：并聯(lián)充電，串聯(lián)放電。如圖4,首先調(diào)整各個球隙的距離，使G1的放電電壓為U0，G2?G4的放電電壓在U0?2U0范圍內(nèi)，然后開始對各個電容器同時充電到U0。這時G1首先被擊穿，導(dǎo)致G2?G4依次擊穿，各個電容器串聯(lián)起來對C2和R2放電，從而在輸出端獲得幅值很高的沖擊電壓。3沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計3.1主回路的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求設(shè)計的沖擊電壓發(fā)生器的標稱值為1000kV，則應(yīng)采用多級沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)。采用雙邊充電的高效回路，每級兩個電容器，分5級。每一級級電壓為200kV，每一個電容通過變壓器充電100kV。則沖擊電壓發(fā)生器可產(chǎn)生的電壓約為5x200=1000kV，滿足題設(shè)要求。沖擊電壓發(fā)生器原理圖如圖5所示。CRO圖51000kV沖擊電壓發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)圖CRO圖5中K是電源開關(guān)，D是高壓硅堆，T1是單相調(diào)壓器，T2是試驗變壓器，V是交流電壓表，R0是保護電阻，R是充電電阻，rf是波前電阻，rt是波尾電阻，C是各級電容，C2是試品電容，G0是點火球隙，G是中間球隙，G’是隔離球隙，C11、C12、C13是電容分壓器的高壓臂電容，C20是電容分壓器的低壓臂電容，Z是測量電纜的波阻抗，R1是匹配電阻（R1=Z），CRO是高壓脈沖示波器。由T1、T2，兩個反接的D向C充以U0的電壓，這樣所有電容器C上都充以U0的電壓。點火球隙G0的放電電壓設(shè)置為2U0，5個中間球隙的放電電壓設(shè)置為2U0-3U0之間，此時各個球隙都不能放電。串聯(lián)放電的過程開始后，在G0的接地球內(nèi)部點火電極上施加一個脈沖電壓，使點火電極與接地極放電，從而使G0放電。之后1點電壓強制為零，由于電容電壓不能突變，迫使2點電壓為-2U0，加在第一個中間球隙上的電壓變?yōu)?U0，球隙擊穿。之后過程依次類推，到10點處電壓為-10U0，隔離間隙G’擊穿，在試品上就獲得了10U0的沖擊電壓。圖中試品C2右側(cè)為測量系統(tǒng)。3.2沖擊電容值的選取試品電容最高為2000pF，估計沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容約為500pF，估計電容分壓器的電容約為600pF，則總的最大負荷電容為：C2=2000+500+600=3100pF為保證電壓效率，沖擊電容應(yīng)大于等于負荷電容的10倍，則沖擊電容約為:C1>10C2>31000pF3.3沖擊電容型號的選取由于回路中的電感會影響到?jīng)_擊電壓波形，故選用主電容時應(yīng)選擇固有電感小的電容器，在本設(shè)計中主電容采用脈沖電容器。用于沖擊電壓發(fā)生器的脈沖電容器主要型式可分為：膠紙筒型、瓷套型和金屬殼型等。膠紙筒型電容器體型細長，機械強度差，不便于采用柱式發(fā)生器結(jié)構(gòu)，需要另立絕緣支架，而且這種電容器的容量不能做很大，在使用中容易受潮，故很少用于大型沖擊電壓發(fā)生器。瓷套電容器具有很高的機械強度和良好的絕緣性能，適合于柱式發(fā)生器結(jié)構(gòu)，但其能量亦不能做得很大，故該種電容器多用于2000kV以下的中型沖擊電壓發(fā)生器。金屬殼電容器電壓和容量可以做得很大，而且機械強度高，適用于多種沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)，故使用廣泛。綜合考慮電壓等級、電容器規(guī)格與電容量的影響，在某電容器生產(chǎn)商脈沖電容器產(chǎn)品列表中選擇額定電壓為100kV，標稱容量為0.2四F的鐵殼式脈沖電容器。該電容器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1MY100—0.5高壓脈沖電容器技術(shù)參數(shù)型號額定電壓（kV）標稱電容（四F）外型尺寸（mm）重量（kg）MY100—0.51000.5640x300x1450鐵殼335用此種電容器5級串聯(lián)，標稱電壓可達1000kV，基本滿足前述要求。每級由2個電容器串聯(lián)，使沖擊電容為：C=0.5.10日F=0.05日F3.4沖擊電壓發(fā)生器主要參數(shù)的選取3.4.1沖擊電壓發(fā)生器的主要參數(shù)標稱電壓：匕=200x5=1000kV沖擊電容：q=0.05rF=50000pF標稱能量：W=Cy；/2=2x0.05x10-6x（1000x103）=2.5x104J3.4.2波頭電阻和波尾電阻的選取最大試品電容約2000pF，則負荷總電容最大為3100pF。（1）波頭電阻計算如圖6所示，為計算波頭電阻時的等效電路圖，由該圖有：(3-1)u(t)=A(1—e-t/^2)

(3-1)CC（3-2）11已r:CC（3-2）11已r:-?）圖6波頭波形產(chǎn)生等效電路T2=R]—12結(jié)合式（3-1）和（3-2），可得CC00031,、T=3.24Rx—=3.24Rx0.05x—=1.2rs（3-3）f1（C「C2）10.0531計算得，Rf=%=126.88。，則電阻取127。，每級、=Rf/5=25.4。。（2）波尾電阻計算如圖7所示，為計算波尾電阻等效電路圖，利用已充電的電容C2與C1共同經(jīng)電阻R2放電，形成沖擊波的波尾。圖7圖7波尾波形產(chǎn)生等效電路則由該圖可計算出半峰值時間，即T=0.693RX（C+C）=0.693Rx（0.05+0.031）=50rs（3-4）tt12t計算得，R=q=1358.76。，則電阻取1359Q，每級r=R/5=271.8。3.3.3放電回路的計算⑴波尾時間常數(shù)T1的近似計算其中，TC是C2開路，C1單獨放電的時間常數(shù)，T是C1開路，C2單獨放電的時間常數(shù),故有：T=CR+C(R+R)=0.05x1359+0.0031x(127+1359)=72.56rs11t2tf⑵波頭時間常數(shù)T2的近似計算F.CC…0.05x0.0031八…2=fC+C-*0.05+0.0031=.HS12故H=TT2=2.69x10一11，人=T+T=7.29x10-5⑶波頭時間^的近似計算t=T^n7r3x0.371=1.113hsf0.6(4)波尾時間^的近似計算t=Tln2澆0.7x72.56=50.79hst13.4.4沖擊電壓發(fā)生器的效率電壓利用系數(shù)由波形系數(shù)&和回路系數(shù)K兩部分組成，對于1.5/50us的標0準雷電波，§=0.965。則效率n=U:U=K&=C1&=——005——x0.965=90.87%2max0%￡+C200.05+0.00313.4.5充電電阻和保護電阻的選取當(dāng)充電電阻放電的時間常數(shù)為主回路放電時間常數(shù)的10~20倍時，充電電阻不影響主回路的放電效率。根據(jù)C（-+r）>（10-20）Cr的要求，故取R=10r，得R=20r=5436Q，取2ft2ttR=5.5kQ。每根充電電阻的結(jié)構(gòu)長度應(yīng)耐受U=100kV。取保護電阻為充電電阻的20倍，則R0=110kQ。3.4.6充電時間的估算在保護電阻R0遠大于充電電阻的情況下，充電時間為：t澆15R0nC=15x110kx5x0.5r=4.125s考慮到其他因素影響充電時間，取充電時間為10s。3.4.7變壓器的選取單相調(diào)壓器T1：可調(diào)電壓范圍為0?250V。試驗變壓器T2:按沖擊電壓發(fā)生器的輸出及其標稱能量估算，取一定的安全系數(shù)為3,則變壓器容量：Q=3x2xW/T充=3x2x25000/10=15kVA變壓器電壓：U=1.1x100kV/<2r77.79kV綜合考慮電壓等級、變壓器規(guī)格與容量的影響，在江蘇海昌高科電氣有限責(zé)任公司的試驗變壓器產(chǎn)品列表中選擇高壓電壓為100kV，標稱容量為20kVA的變壓器。這種變壓器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。表2TQSB-20/100型試驗變壓器的技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號容量（KVA）低壓輸入高壓輸出電壓（KV）高壓輸出電流（mA）測量變比電壓（V）電流（A）TQSB-20/100204002810020010003.4.8硅堆的選取考慮到實際應(yīng)用中為縮短充電時間，充電變壓器經(jīng)常提高10%的電壓，因此硅堆上承受的反峰電壓U=100kVx1.1+100kV=210kV。硅堆的額定平均整流電流有效值為In=25kVA/(10OkV/\；2)=0.354A，考慮一定的裕度后，取硅堆的額定電流為1.0A。因此，選取鞍山雷盛電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的型號為2CL300KV/1.0A高壓硅堆作為本設(shè)計的整流硅堆。3.4.9球隙直徑的選取中75mm的球隙在間隙距離為70mm時的放電電壓為190kV，可作為第一級點火球隙G0；在間隙距離為140mm時的放電電壓為363kV，可選擇作為中間球隙G；中200mm的球隙在間隙距離為400mm時的放電電壓為975kV，可作為測量球隙G’。圖8三電極球隙其中，G0采用三電極球隙，其觸發(fā)條件為：主間隙G靜態(tài)擊穿電壓UG稍大于球隙充電電壓U，即UG>U。觸發(fā)脈沖電壓Up稍小于間隙g的擊穿電壓Ug,即Up<Ug。觸發(fā)脈沖電壓Up的極性與充電電壓U的極性相反，即U+Up>UG。3測量系統(tǒng)的設(shè)計電壓值不是很高的沖擊電壓，如峰值為幾千伏到50kV，則可以通過商品高電壓探頭或衰減器及通用的數(shù)字存儲示波器直接進行測量。但當(dāng)北側(cè)的沖擊電壓的峰值很高時，則必須要通過分壓器等的轉(zhuǎn)換裝置及其他多個部件組成的沖擊高壓分壓系統(tǒng)來進行峰值及波形的測量［3］。圖9為沖擊高壓測試回路的布置概況。圖中，1為沖擊電壓發(fā)生器；2為被試品的引線；3為試品；4為接分壓器的引線;5為分壓器；6為同軸電纜；7為測量儀器；8為接地回路。了1…網(wǎng)任也.n的躲酰-L=圖9測量電路圖連接線的原則是，發(fā)生器應(yīng)先連線到試品，然后從試品接線到分壓器。避免在后者的連線上流過較大的電流，否則會造成測量誤差。分壓器與試品間為避免相互的電場及電磁場的干擾影響，兩者必須相距一定的距離。然而中間的連線既然是測量系統(tǒng)的一個構(gòu)成部分，它必然會對分壓器的電壓測量產(chǎn)生影響。在測量陡沖擊波或波前截斷波時，常在引線的首端加一阻尼電阻，其阻值選300-400歐姆，以與長引線形成的阻抗匹配，此引線始端的阻尼電阻，可為以改善測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性。3.1分壓器的設(shè)計時應(yīng)注意的問題在本設(shè)計中采用電容分壓器作為一次分壓器，采用電阻分壓器作為二次分壓器。設(shè)計時應(yīng)注意一下方面：1）在分壓器頂端加一屏蔽環(huán)，用于補償對地雜散電容電流，從而改善分壓器上的電壓分布，使分壓器軸線上的電位分布接近于均勻。2）采用首端匹配的方式消除折反射波。首端匹配電阻R1等于電纜波阻抗Z。3）測量電纜選用高頻同軸電纜，以保證較好的波形傳輸性能，選用雙屏蔽同軸電纜還可提高抗干擾性能，外層屏蔽與屏蔽室相連，內(nèi)層屏蔽與測量一起的接地端連接。4）高壓引線最好采用無電暈的大直徑引線，以免電暈影響系統(tǒng)的性能。3.2一次分壓器設(shè)計電容分壓器的分壓比為選取500：1，同軸電纜輸出端電壓設(shè)為2kV。高壓臂電容選國產(chǎn)MY500—0.00012脈沖電容器較合適，其參數(shù)如表3所示。表3MY500—0.00012脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓/kV標稱電容/曲外形尺寸/mm重量/kg外殼MY500—0.000125000.00012①182X115528.2膠紙殼采用4個電容器并聯(lián)，使高壓臂C1=4x0.00012日F=0.00048日F由于設(shè)同軸電纜輸出端電壓幅值為2kV，故分壓比K=1000/2=500。K=500=2(q+C2)/￡=2(0.00048日F+C2)/(0.00048日F)則C=0.12rF。用MWF300-0.22脈沖電容器組成低壓臂，其參數(shù)如表4所示：表4MWF300-0.22脈沖電容器的規(guī)格型號額定電壓Un/kV額定電容Cn/uF外形尺寸/mmL1xWxH1L2xWxH2($xH)MWF300-0.223000.22xx$635x1277用此種電容器兩級串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達(500+300X2)kV=1100kV，可用于測量沖擊電壓。使低壓臂電容C2=0.22/2rF=0.11RF故分壓器的實際分壓比為K=2(q+C2)/￡=2(0.00048+0.11)/0.00048=460即同軸電纜輸出端電壓U2=匕/K=(1000/460)kV=2.174kV3.3二次分壓器設(shè)計高壓臂電阻取%=10000。，低壓臂R廣100。，則分壓比:K2=(R,+%)/%=101則輸入示波器的電壓幅值為2174/101V=21.52V。4結(jié)構(gòu)圖沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，大致可分為：①階梯式，②塔式，③柱式及④圓筒式四種。本設(shè)計中選擇塔式結(jié)構(gòu)，其實物示意圖結(jié)構(gòu)如圖10所示。塔式?jīng)_擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)是豎立的多層絕緣臺，逐層放上電容器，把電容器分布在各柱上，盤旋上升，使在一根垂線上的電容器個數(shù)減少，從而降低結(jié)構(gòu)高度。這種結(jié)構(gòu)占地小，高度適中，拆裝檢修方便。本設(shè)計中采用5層塔式結(jié)構(gòu)，每層絕緣距離按200kV乘以兩倍裕度進行選擇。每層高度選為0.7m，裝置總高3.5m。連接導(dǎo)線選用矩形導(dǎo)電銅排。各級電阻兩端加入金屬屏蔽環(huán)以均