高电压技术课程设计

高电压技术课程设计

冲击电压发生器的设计

一、引言

冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，在电力系统中主要用于研究电力设备遭受大气过电压和操作过电压时的绝缘性能。

本文是高电压技术课程的课程设计，参考相关文献完成了冲击电压发生器设计，了解了该装置基本原理、设计流程、注意事项等。

二、设计过程

1. 最大输出电压

300～800kV

2. 冲击电容

为保证冲击电压发生器有较大适用范围，考虑试验可能遇到的最大的试品电容（不考虑大电力变压器和整卷电缆试验的情况）

（1）试品中互感器电容最大，约1000pF

（2）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计值取500pF （3）电容分压器（分压器采用电容式分压器）的电容估计值取600pF 由此得出，总的负荷电容约为

210005006002100C pF

=++=

为保证发生器有足够高的效率，同时兼顾经济性，冲击电容取负荷电容10至20倍，则冲击电容为

12(1020)(2100031500)C ～C ～pF

==

3. 电容器的选择

型号MY110—0.2脉冲电容器参数如下表

需满足两个要求：

（1）电压发生器额定电压要求：300～800kV （2）冲击电容要求：21000～31500pF

采用MY110—0.2脉冲电容器，7级串联，此时冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约为770kV 满足（300～800kV ），且冲击电容为200000/7=28571满足（21000～31500pF ）

4. 回路选择

采用高效回路，单边充电。

图 1 高效回路

上图中C为型号MY110-0.2脉冲电容器， R为充电电阻，r为保护电阻（同时起均压作用，使电容充电比较均匀），大小取10R，rf为波头电阻，rt为波尾电阻。

回路化简及等效如下图

图 2 等效回路

充电测量：毫安表测量充电电流，微安表与大电阻串联测量充电电压。

图 3 充电回路电参数测量

5. 冲击电压发生器主要参数

（1）额定电压U1=7*110=770kV （2）冲击电容C1=200000/7=28571pF

（3）能量W=1/2*0.028571*10^-6*(770*10^3)^2= 8.4699e+003J=8.47kJ

6. 波头电阻和波尾电阻计算

假定

（1）试品电容为1000pF （2）负荷电容为2100pF 则由于

波前时间等效回路：

图 4 波前时间等效回路：

波头长

1212

6

1212

12

21001028571101.210

3.24 3.2412

2100102857110f f f C C t r r C C -----⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯=⨯

⨯+⨯+⨯∑∑

得

189.33189f

r =Ω=Ω∑， 27.047127.0189.33/7f r =Ω==Ω

波长时间等效回路

图 5 波长时间等效回路：

波长时间

612

50100.69(285712100)10t t

t r --=⨯=⨯

⨯+⨯∑

得2362.6=2363t r =ΩΩ

∑

，

2362.6/3377.5t r ==Ω

7. 充电电阻和保护电阻阻值计算及电阻材料的选择

下图为充电回路内部环流，为减小充电回路内部放电回路对冲击电压发生器放电回路的影响，要求R+rf>10～20rt 。

图 6 充电回路内部RC 回路环流

（1） 充电电阻R>20*337.5-27=6723欧姆，取10千欧，结构长度应能承受110kV 电压。

由于高效回路发生球隙放电不同步等异常时，电容的能量都将从波头和波尾电阻释放（由于充电电阻R 远大于波头波尾电阻），所以一般情况下充电电阻不存在过热的危险，故电阻的制作只需考虑绝缘的问题。

图 7 无感电阻绕制

采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值20kohms 。

采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取0.050mm ，截面积0.001964mm2，每米电阻555ohms ，则电阻丝长度为20000/555=20.036m 。

选外径为80mm ，壁厚为3mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm 极板间隙放电电压为1kV ，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为0.1mm 。由绝缘筒截面周长约为250mm 。

波前电阻丝所绕圈数20036/250= 80圈，故80圈电阻丝之间承受电压110/80=1.375kV/圈，故电阻丝间距必须大于1.375mm ，取1.4mm ，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为1.480800.1120.0mm ⨯+⨯=。

（2） 保护电阻r 取为40R=400kohms ，结构长度应能承受1.1*110=121kV 电压。

保护电阻亦不需考虑过热的问题，而只需考虑绝缘问题，采用双股反绕的无感电阻结构，则波尾电阻每股阻值800kohms 。

采用电阻率较大的镍铬丝绕制。线径取0.020mm ，截面积0.000314mm2，每米电阻3470ohms ，则电阻丝长度为800000/3470=230.548m 。

选外径为300mm ，壁厚为5mm 的环氧绝缘筒来绕电阻丝。为使电阻丝承受最大冲击电压时，匝间和表面不放电，根据1mm 极板间隙放电电压为1kV ，则绝缘筒上来绕电阻丝的槽的直径选为0.1mm 。由绝缘筒截面周长约为942mm 。

波前电阻丝所绕圈数230548/942= 245圈，故245圈电阻丝之间承受电压为

110*1.1/245=0.494kV/圈，故电阻丝间距必须大于0.494mm ，取0.5mm ，则绕制波前电阻丝的绝缘筒长度为0.52452450.1147mm ⨯+⨯=。

8. 冲击发生器效率

128571

93.2%12285712100

C C C η=

==++

9. 充电时间估算

非高效充电回路可作下列等效处理，由于是整流电压充电故充电时间较直流电压要长，T 充=15rnC 。（高效回路应有类似结论，下面直接用此结论）