高電壓技術課程設計--沖擊電壓發(fā)生器的設計

1、<p><b>　　高電壓技術課程設計</b></p><p>　　——沖擊電壓發(fā)生器的設計</p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導老師：

2、 </p><p><b>　　一、課程設計要求：</b></p><p>　　畫出沖擊電壓發(fā)生器的總體結構布置圖 (含接地系統(tǒng)設計)，各主要部件或器件的型號、參數(shù)，絕緣距離與凈空 (空間布置)，各參數(shù)之間的匹配關系，波形測量系統(tǒng)等。</p><p>　　對沖擊電壓發(fā)生器設計的要求為：</p><p&

3、gt;<b>　　容性試品</b></p><p><b>　　高效回路</b></p><p>　　最大輸出電壓：800kV</p><p><b>　　級數(shù)：3級以上</b></p><p>　　輸出波形 1.2/50波形</p><p>　　設計

4、方案除分壓器本體電氣參數(shù)外，還需包含：</p><p>　　分壓器的電阻（含線徑和材料）</p><p><b>　　球隙大小和距離</b></p><p>　　測量裝置（充電、放電）</p><p><b>　　測量裝置抗干擾措施</b></p><p>　　充電電源（各器

5、件參數(shù)）</p><p>　　本體、分壓器、電源、測量系統(tǒng)</p><p>　　絕緣材料、絕緣距離選取</p><p><b>　　觸發(fā)器</b></p><p>　　二、沖擊電壓發(fā)生器的功用及原理</p><p>　　沖擊電壓發(fā)生器是一種產生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置。原先它只被用于研究電力設備遭受

6、大氣過電壓（雷擊）時的絕緣性能，近年來又被用于研究電力設備遭受操作過電壓時的絕緣性能。所以對沖擊電壓發(fā)生器的要求，不僅能產生出現(xiàn)在電力設備上的雷電波形，還能產生操作過電壓波形。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波形陡度有關，對某些設備要采用截斷波來進行試驗。</p><p>　　沖擊電壓發(fā)生器要滿足兩個要求：首先要能輸出幾十萬到幾百萬伏的電壓，同時這電壓要具有一定的波形。它的原理圖如圖2。 </p>

7、;<p>　　實驗變壓器T和高壓硅堆D構成整流電源，經過保護電阻r及充電電阻R向主電容器C1 —C4 充電，充電到U，出現(xiàn)在球隙g1—g4上的電位差也為U，若事先把球間隙距離調到稍大于U，球隙不會放電。當需要使沖擊機動作時，可向點火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球皮只見產生一小火花，引起點火球隙放電，于是電容器C1的上極板經g1接地，點1電位由地電位變?yōu)?U。電容器C1與C2間有充電電阻R隔開，R比較大，在g1放電瞬間，

8、點2和點3電位不可能突然改變，點3電位仍為+U，中間球隙g2上的電位差突然升到2U，g2馬上放電，于是點2電位變?yōu)?2U。同理，g3，g4也跟著放電，電容器C1—C4串聯(lián)起來了，最后球隙g0也放電，此時輸出電壓為C1—C4上電壓的總和，即-4U。上述一系列過程可被概括為“電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電”。</p><p><b>　　三、設計內容</b></p><p>

9、;<b>　　高效回路</b></p><p>　　選用高效率回路和倍壓充電，回路如下圖所示</p><p>　　圖1 發(fā)生器的充電回路</p><p>　　圖2 發(fā)生器的放電回路</p><p><b>　　電容器的選擇</b></p><p>　　如不考慮大電力變壓器試驗

10、和整卷電纜試驗，就數(shù)互感器的電容較大，約1000pF，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如估計為500pF，電容分壓器的電容如估計為600pF，則總的負荷電容為</p><p>　　如按沖擊電容為負荷電容的10倍來估計，約需沖擊電容為</p><p>　　從國產脈沖電容器的產品規(guī)格中找到MY100-0.5高壓脈沖電容器比較合適，電容器規(guī)格如下表：</p>&

11、lt;p>　　用此電容器8級串聯(lián)，標稱電壓可達到800kV，基本上滿足需要。沖擊電容：C1=0.5/8=0.0625μF 此值＞10C2 ,可使（電壓）效率不致很低。</p><p>　　電阻（含線徑和材料）</p><p><b>　　大小計算</b></p><p><b>　　波前電阻和波尾電阻</b><

12、/p><p>　　試品電容約1000pF，負荷總電容為2100pF，</p><p><b>　　波前等效回路</b></p><p>　　圖3. 波前等效回路</p><p><b>　　所以波前時間 </b></p><p><b>　　求出，每級。</b&

13、gt;</p><p><b>　　半峰值等效回路</b></p><p>　　圖4. 半峰值等效回路</p><p><b>　　故半峰值時間</b></p><p><b>　　求出，每級。</b></p><p>　　充電電阻和保護電阻的選擇：&l

14、t;/p><p><b>　　要求 ，得：</b></p><p>　　取R＝5kΩ。每根充電電阻的結構長度應能耐受110kV的電壓。如取保護電阻r為充電電阻R的40倍，則保護電阻r為200kΩ。</p><p><b>　　線徑和材料</b></p><p>　　已知，，一級電容器儲能為：<

15、/p><p><b>　　。</b></p><p>　　假定試品不放電時能量全部消耗在中，試品短路放電時的能量2.5*138.21/（138.21＋22.788）kJ，即2.145kJ消耗在中。如采用雙股相反繞的無感電阻結構，則波前電阻的每股阻值為2×22.788Ω即45.576Ω。每股電阻絲消耗的能量為2.145kJ/2即1.0725kJ。同樣情況，波尾電阻

16、每股阻絲的阻值為2×138.21Ω即276.42Ω，每股電阻絲消耗的能量為2.5/2kJ即1.25kJ。沖擊放電的過程很快，電阻絲消耗的能量可按絕熱過程考慮，所消耗的能量全部轉變?yōu)殡娮杞z溫度的升高。如所采用的電阻絲為康銅絲，康銅絲的密度ν為，電阻率ρ為，比熱容為，電阻允許最高溫升θ為150℃。令電阻絲長度為l/m，直徑為d/mm，則可得</p><p><b>　　（1）</b>&

17、lt;/p><p>　　而消耗的能量 （2）</p><p>　　將式（1）和式（2）消去l，得電阻絲的直徑為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　首先令，W=1.0725kJ，</p><p>　　最后，由式（3）得 &l

18、t;/p><p>　　實際選Φ0.45mm的電阻絲兩根，并按相反方向并繞。由式（1）得其中一根阻絲的長度為</p><p>　　實際溫升可由式（2）得</p><p>　　再次令，W=1.25kJ代入式（3）得電阻絲的直徑為，實際選Φ0.30mm的電阻絲按相反方向并繞。可算得一根電阻絲的長度l為40.7m，實際溫升θ為117.1℃。</p><p&g

19、t;　　用所選康銅絲兩根并聯(lián)，并按相反方向繞到絕緣棒上，要求匝間距離盡可能小。電阻棒的長度應使兩端間能耐受100kV的電壓。</p><p><b>　　球隙大小和距離</b></p><p>　　查《高電壓工程》附表1—1球隙放電標準表得：</p><p>　　在間隙距離為5.0cm時Φ6.25cm球隙的放電電壓為107kV，故選Φ6.25c

20、m銅球，一共9對。</p><p>　　測量裝置（充電、放電）</p><p><b>　　充電測量裝置</b></p><p>　　采用電容分壓器分壓，使用如圖3示測量回路。同軸電纜輸出端電壓設為2kV，然后經電阻分壓器二次分壓，把信號電壓輸入示波器?？紤]二次分壓用的電阻分壓器阻值很大，其阻抗效應可忽略。</p><p&g

21、t;　　圖5 同軸電纜兩端匹配的測量回路</p><p>　　高壓臂電容選國產MY500—0.00012脈沖電容器較合適，其參數(shù)如表3。</p><p>　　表3. MY500—0.00012脈沖電容器的規(guī)格</p><p>　　用此種電容器一個，使高壓臂</p><p>　　由于設同軸電纜輸出端電壓幅值為2kV，故分壓比 K=800/2=4

22、00。</p><p><b>　　求出。</b></p><p>　　用MY110—0.022脈沖電容器組成低壓臂，其參數(shù)如表4。</p><p>　　表4. MY110—0.022脈沖電容器的規(guī)格</p><p>　　用此種電容器三級串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達（500＋110×3）kV＝830kV，可用于測

23、量沖擊電壓。每級由4個電容器并聯(lián)，使低壓臂電容</p><p>　　故分壓器的實際分壓比為</p><p>　　即同軸電纜輸出端電壓 </p><p><b>　　放電測量裝置</b></p><p><b>　　采用電阻分壓裝置</b></p><p>　　高壓臂取，低壓臂

24、，則分壓比</p><p>　　最終輸入示波器的電壓幅值為（1633/101）V＝16.2V.</p><p><b>　　測量裝置抗干擾措施</b></p><p>　　防止空間電磁波輻射引起的干擾</p><p>　　把測試儀器裝置放在全金屬屏蔽室內。此室用銅制成，室的門邊緣應該有密閉措施。儀器在調試時，可以開門通風

25、散熱，在測壓的一瞬間把門關上。</p><p>　　分壓器的低壓臂應裝入接地的金屬屏蔽盒中。</p><p>　　信號電纜采用雙屏蔽電纜。電纜的兩端均要用同軸插頭與分壓器和測試儀器相接。進入全金屬屏蔽室時，也要用同軸插頭。</p><p>　　減小由電源線引入的電磁干擾</p><p>　　測量儀器通過1:1隔離變壓器供電。盡管隔離變壓器二次

26、側繞組外繞有屏蔽層，并與屏蔽室相連接，但屏蔽不可能是完全的，一、二次側繞組間有電容耦合，高頻電磁干擾波可通過隔離變壓器進入測量儀器。</p><p>　　DOS等測量儀器需要經射頻濾波器接入電源，濾波器的濾波頻率應從幾千赫茲到幾十兆赫茲。</p><p>　　測量儀器采用不間斷電源供電。在測試的瞬間斷開交流電源。</p><p>　　減小由信號電纜引入的電磁干擾&l

27、t;/p><p>　　分壓器有良好的接地。</p><p>　　采用雙層屏蔽的同軸射頻電纜，電纜的內外層屏蔽及電纜末端外層屏蔽接地。</p><p>　　把上述同軸電纜套在金屬管道內，管道兩端都接地。</p><p>　　由分壓器到測量儀器敷設寬帶較大的金屬板作為接地連線。測量電纜應該沿此接地連線緊靠地面敷設，使電纜外皮與接地連線構成的回路面積盡

28、量減小。</p><p>　　電纜外層屏蔽應多點接地。相距1m的多點接地有利于把外層屏蔽上的電流散入大地。</p><p>　　在電纜上加設共模抑制器，辦法是將電纜多匝地繞在鐵氧體磁芯環(huán)上。</p><p>　　采用光導纖維傳遞信號。</p><p>　　充電電源（各器件參數(shù)）</p><p>　　主要構成如圖1。其主

29、要器件就是變壓器和高壓硅堆。</p><p><b>　　充電時間的估算</b></p><p>　　在保護電阻r遠大于充電電阻R的情況下，充電時間約為：</p><p>　　考慮到其他因素的影響，取充電時間為10s。</p><p><b>　　變壓器選擇：</b></p><

30、p>　　考慮倍壓充電回路所需的容量，加大安全系數(shù)到3.0。</p><p>　　標稱能量 Wn= C1 U12/2=0.0625μF×（800 kV）2/2=20kJ</p><p><b>　　變壓器容量＝</b></p><p><b>　　變壓器電壓＝</b></p><p>

31、　　所以，可選擇國產試驗變壓器，型號為YD—3/50，其參數(shù)如下表。</p><p>　　表5. YD—3/50試驗變壓器的參數(shù)</p><p><b>　　高壓硅堆選擇：</b></p><p>　　為了縮短充電時間，充電變壓器應該提高10％的電壓，因此硅堆的反峰電壓＝50kV×1.1＋50kV＝105kV。</p>

32、<p>　　硅堆的額定電流以平均電流計算，實際充電電流是脈動的，充電之初平均電流較大，選擇硅堆用的平均電流難以計算。現(xiàn)只有根據充電變壓器輸出的電流（有效值）來選擇硅堆額定電流。電流的有效值是大于平均值的。</p><p>　　因此，選硅堆的額定電流為0.05A。</p><p>　　選擇2DL10KV—0.4A高壓硅堆。</p><p>　　絕緣材料、絕緣

33、距離選取</p><p>　　絕緣支架：為了合理利用高壓試驗大廳的尺寸和進行戶外試驗，沖擊電壓發(fā)生器采用戶內移動式，采用氣墊移動。由于移動式對絕緣支架有一定要求，所以選用環(huán)氧筒作為絕緣支架。</p><p>　　電極材料可以用薄金屬板或涂有金屬膜的薄玻璃纖維板。</p><p>　　移動裝置采用氣墊式，要求載重為10t，高度不超過1m。</p><

34、;p>　　絕緣支柱采用環(huán)氧筒，直徑20cm，高度0.9m，發(fā)生器的高度5×0.9×+1+1=7.5m。</p><p>　　上述裝配需要一個接地電阻小于1Ω的接地點。</p><p><b>　　觸發(fā)器</b></p><p>　　采用雙邊異極性同步觸發(fā)脈沖來觸發(fā)，如下圖：</p><p>　　

35、圖7. 觸發(fā)裝置電路圖</p><p><b>　　實驗仿真</b></p><p>　　使用Matlab進行仿真，波形仿真電路：</p><p><b>　　仿真波形：</b></p><p><b>　　五、設計總結</b></p><p>　　我感

36、覺高電壓的課程設計比之前那些課的課程設計要難好多，而且時間比較緊，不像其他的課程設計一般有一個寒假或暑假的時間準備。剛開始做這個，可以說是一點頭緒都沒有，仔細看了課本上的相關內容，發(fā)現(xiàn)根本不能完成課設的所有要求。好在有學長做過的高電壓課設作參考，大致清楚了每一步的設計方法。而課設中的電容變壓器參數(shù)問題甚是讓人頭疼，網上基本找不到，好在我們班學委親自去圖書館查了相關書籍，列了很多型號的電容和變壓器給我們，鑒于時間緊迫，也就直接拿來選著用了

37、，實在是幫了大忙。然后就是很多計算的公式，課本上找不到，就只能自己查資料來算，也感覺心里虛虛的，畢竟有的沒學過，也不敢保證做的是不是對的。而最后的仿真，Matlab用得也不熟練，還得請教班上的同學，最后才勉勉強強做出來了。不管怎么說，這次課程設計讓我對沖擊電壓發(fā)生器有了比較深的理解與認識，對電路方面的知識也得到了鞏固。感謝老師的指導，同學的幫助。</p><p><b>　　四、參考資料</b&g