高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试_张建新
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
根据冲击电压发生器容性负载回路分析式 (1)、(6) 可知，对于给定的试验回路，达到 1.56μs 的波前时间和 5% 的过冲对应的波前电阻值确定 后，理论上来说，可以得出最大的负载电容 C2m ≈ 0.112 1μs2/L。
为了获得理论上的最大负载电容，通常采用以 下方法来减少回路的电感 ：(1) 本体采用更为紧凑 的结构型式，减小发生器本体回路电感量，如采用 Simens 三柱式结构 ；(2) 充电电阻、波前电阻和波 尾电阻等电阻元件采用无感绕法 ；(3) 采用剩余电 感量小的主电容，并采取每级主电容两个并联，以 增加电容量，减小剩余电感 ；(4) 高压引线合理布 置，尽量减小对地电感。
(4)
在临界阻尼下，反变换为 t 函数得 ：
U 2(t )=
C1 C 1+C 2
U 1[1-(1+
Rf 2L
t )exp(-
Rf 2L
t )]
(5)
可算出波前时间 ：
T f=2.33R fC
(6)
由式 (6) 可见，对于固有的容性试品，符合标
准要求的雷电冲击电压波形可以通过调整波前电阻
的配置来实现。T f 一定时，波前电阻和负载电容成 反比例函数关系。在大容量负载情况下，为了使波 前时间在 1.2μs±30% 的范围内，R 取值将非常小。 而为获得非振荡波，又必须满足式 (1)，在主电容 和负载电容一定的情况下，R 又不可无限地减少， 否则可能引起波形过冲超过标准的问题，即无法输 出符合标准要求的波形。
0 引言
雷电冲击电压试验是高压电器设备型式试验、 出厂试验甚至现场试验都必须进行的试验项目，而 且 GB/T 16927.1—2011 和 IEC 60060-1 标准对雷电 冲击电压波形有着严格的要求，即，波前时间为 1.2μs ±30%、半峰值时间为 50μs ±20% 的雷电全 波，且波头振荡过冲不得超过 10%。对于电容量较 小或电压等级较低的电气设备雷电冲击电压试验不 存在问题，但随着高电压等级的 GIS 设备和电缆的 逐步应用，雷电冲击电压试验的波形调试成了一个 突出的问题。
+ C2 - U2
图2 冲击电压发生器的放电等效回路
为了获得非振荡波，要求 ：
Rf ≥ 2[L/(
C 1C 2 C 1+C 2
)]1/2
(1)
图 2 中整个回路的运算阻抗为 ：
1
Z(s)=Rf+sL+ sC
(2)
其中 ：
C= C1C2
(3)
C 1+C 2
所以 ：
U
2(s
)=
1 sC
·
2
U·1 s
1 Z (s )
验回路中串入一 R C 低通滤波电路，补偿电容 C C 和 补偿电阻 R C 的并联组合串联进冲击发生器，如图 3 所示。过冲补偿装置和试品电容形成了低通滤波器。
波头的高频过冲经过低通滤波器受到抑制，波尾的
低频不受低通滤波器的影响。低通滤波器的抑制作
用减小了电压上升时在 C2 上形成的电压。
SG
Rf
的仿真波形见图 7。
SG
Rf
L
CC
C1
Rt
RC LC
C2
图6 冲击电压试验回路串联RLC滤波电路
V CH1 CH2
O t
图7 LC对雷电冲击电压波形的改善作用
ZHANG Jian-xin, ZHAO Fang-fang, SONG Heng （Henan High Voltage Electric Apparatus Research Institute, Pingdingshan 467001, China） Abstract: Introduction was made to a method improving the output waveform of lightning impulse voltage test for large capacitive loads. This paper analyzed the reason of lightning impulse voltage waveform oscillation and overshoot under capacitive load. The common measures were used to debug lightning impulse voltage waveform and the existing low-pass filter circuit was improved by the way of series RLC filter circuit in impulse voltage test circuit. The simulation result shows that the waveform of the improved RLC low-pass filter circuit is smoother than the waveform of the original circuit. The lightning impulse voltage waveform oscillation has been improved obviously. Key words: lightning impulse voltage waveform; large capacitive load; waveform overshoot; RLC filter circuit
显而易见，冲击电压发生器确定后，只能通过 合理布置高压引线来减少回路中的电感。而回路电 感并不是能够无限制地减小，如本体每级回路电感 至少 6μH，高压引线电感至少 1μH/m。而且随着电 压等级的提高需要冲击发生器的级数及试验回路的 引线都要增大，相应的回路电感也要增大。例如， 1 100 k V 高压输变电设备的雷电冲击电压试验时， 雷电冲击耐受电压值要达到 2 400 k V，因此至少需 要使用 16 级冲击电压发生器，设备本体、分压器 及试品之间的高压引线至少 15 m，依据冲击电压发
过 1.56 μs，就必须减小 R f，而 R f 的减小会使波形 振荡严重、过冲增大，所以此时只能依靠调节 R C 来改善波形，然而，增大 R C 只能减小波形的过冲， 不能减弱峰值处的振荡。如图 5 所示，C H1、C H2、
CH3 波形为逐步增大 RC 后获得的雷电冲击波形。
V
CH1
CH2
CH3
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
电工电气 (2015 No.4)
产品与应用
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
张建新，赵芳芳，宋衡
(河南省高压电器研究所，河南 平顶山 467001)
摘 要 ：介绍了一种改善大电容负载的雷电冲击电压试验输出波形的方法，分析了容性负载时雷电 冲击电压波形振荡和过冲的原因，指出了调试雷电冲击电压波形常用的措施，并在冲击电压试验回路中 串联 RLC 滤波电路来对现用低通滤波电路进行改进。仿真分析表明，改进后的 RLC 低通滤波电路比原先 的 RC 低通滤波电路的波形平滑度好，雷电冲击电压波形波头振荡得到明显改善。
作者简介：张建新(1963- )，男，高级工程师，硕士，从事高压开关试验工作。
27
电工电气 (2015 No.4)
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
SG
Rf
L
C1
Rt
C2
图1 冲击发生器的等效电路
理想的冲击电压发生器的放电回路只是电阻、
电容组成的 R C 电路，只需使用电阻进行调波。但
实际上回路中的连线、电阻、电容等都不可避免的
关键词 ：雷电冲击电压波形 ；大电容负载 ；波形过冲 ；RLC 滤波电路 中图分类号 ：TM866 文献标识码 ：B 文章编号 ：1007-3175(2015)04-0027-04
Debugging of Lightning Impulse Voltage Waveform Under
High Voltage Large Capacitive Load
对于 1 100 k V 电器设备的雷电冲击电压试验， 试验回路电感至少 111μH，当负载为 7 000 p F 时， 无论如何调节滤波电路参数配置，峰值处的波形振 荡都不可避免。
3 低通滤波电路的改进
为了使雷电冲击电压波形峰值附近过冲减小，
振荡减弱，在低通滤波电路中引入电感 L C，构成 R L C 滤波电路，电路图如图 6 所示，由电路图得到
O
t
图3 冲击电压试验回路串联RC低通滤波电路 图 4 a)、图 4 b) 分别是冲击电压试验回路串联
R C 滤波电路前后试品上仿真电压波形，图 4 a ) 的 波前时间为 1.68μs，过冲为 20%，这两个值都超
过了标准允许范围。图 4 b) 的波前时间为 1.47μs， 峰值附近的过冲小于 5%。通过仿真波形可以看出，
ห้องสมุดไป่ตู้
28
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
电工电气 (2015 No.4)
生器的回路电感估算方法，整个试验回路电感至少
111μH。因此，依靠减少回路的电感来改善雷电冲
击电压波形效果是有限的。
2.2 串联低通滤波电路
1997 年由 Haefely Test 在一篇名为“过冲补
偿”的论文介绍了一种调波电路，即在冲击电压试
L
CC
RC
C1
Rt
C2
击电压发生器配置了 R C 调波装置，以增大冲击电 压发生器的容性负载能力。
通过大量的仿真试验看出 ：雷电冲击电压试
验回路中串联的低通滤波装置的参数对波头时间
T f 的影响可以忽略，波形的过冲与 R f 和 R C 的大小 成反比例关系。由式 (6) 可知，波前时间 T f 与 R fC 成正比。当负载增大时，为了保证波前时间不超
存在固有电感，而电感对输出的波形又有着影响，
轻微时可能只是改变波形参数，严重时可能引起振
荡，因此在分析冲击电压发生器容性负载放电回路
时，一定要考虑到回路电感对输出波形的影响。由
于最大的振荡过冲出现在雷电冲击的峰值附近，波
尾电阻较大，对波形振荡影响不大，则波头阶段的
放电等效回路如图 2 所示。
L
Rf
+ U1 - C1
1 冲击电压发生器的容性负载回路分析
雷电冲击电压由冲击电压发生器产生，试验回 路是 Marx 于 1923 年设计的。为了计算波形或者说 是冲击回路的各个要素，Marx 发生器被简化成图 1 所示的等效电路 [1]。其中，当 C1 充电达 U0 时，S G 触发，C2 通过 C1 充电，并通过 R f 进行衰减。C1 为 充电电容 ；R f 为波前电阻 ；R t 为半峰值电阻 ；L 为 试验回路电感 ；SG 为放电间隙 ；C2 为负载电容。
-4.2 11.6 27.4 43.2 59.0 t/μs
b)串联RC低通滤波电路时
97.8 74.8
V/kV
图4 5.7 nF试品上的雷电冲击电压波形
目前，这种滤波电路已广泛应用于容性负载较 大时的高电压雷电冲击试验。国内主要冲击电压发 生器制造厂家也都根据这一理论为高电压等级的冲
图5 负载7 000 pF时串联低通滤波电路 调节雷电冲击电压波形
2 调试雷电冲击电压波形常用的措施
为了有效地解决雷电冲击电压峰值附近的振荡 过冲问题，国内外都已做了很多工作，现有的措施 主要有两种 ：一是减小回路电感，尽可能地减小回 路电感对雷电波形的影响 ；二是改进回路法，即在 冲击电压发生器输出端串联一个阻容并联的低通滤 波电路，通过滤波电路改善雷电波形的振荡过冲。 这两种方法对改善电压波形确实起到了作用，但都 存在局限性。 2.1 减小回路电感
本文通过冲击电压发生器容性负载的电路分 析，来说明容性负载时雷电冲击电压波形振荡和过 冲的原因 ；介绍现在常用解决振荡和过冲的方法并 分析这些方法的局限性，然后通过原理分析、软
件仿真对现用低通滤波电路进行改进，使得容性负 载较大时，借助改进后的低通滤波电路，得到满足 GB/T 16927.1—2011 和 IEC 60060-1 标准要求的雷 电冲击电压波形，并把这一理论应用于实践，证明 在实际应用中负载电容量较大、电压等级较高时， 冲击电压试验回路中串联 RLC 滤波电路确实可以起 到改善雷电冲击电压波形的作用。
串联低通滤波电路缩短了波前时间，同时也减小了 波头过冲，确实使雷电冲击电压波形得到改善。
V/kV
70 0 -70 -140 -210 280 -3.2 17.0 37.2 57.4 77.6
t/μs a)未连接RC低通滤波电路时
22.5 -22.5 -67.5 -112.5 -157.5 -202.5
为了获得理论上的最大负载电容，通常采用以 下方法来减少回路的电感 ：(1) 本体采用更为紧凑 的结构型式，减小发生器本体回路电感量，如采用 Simens 三柱式结构 ；(2) 充电电阻、波前电阻和波 尾电阻等电阻元件采用无感绕法 ；(3) 采用剩余电 感量小的主电容，并采取每级主电容两个并联，以 增加电容量，减小剩余电感 ；(4) 高压引线合理布 置，尽量减小对地电感。
(4)
在临界阻尼下，反变换为 t 函数得 ：
U 2(t )=
C1 C 1+C 2
U 1[1-(1+
Rf 2L
t )exp(-
Rf 2L
t )]
(5)
可算出波前时间 ：
T f=2.33R fC
(6)
由式 (6) 可见，对于固有的容性试品，符合标
准要求的雷电冲击电压波形可以通过调整波前电阻
的配置来实现。T f 一定时，波前电阻和负载电容成 反比例函数关系。在大容量负载情况下，为了使波 前时间在 1.2μs±30% 的范围内，R 取值将非常小。 而为获得非振荡波，又必须满足式 (1)，在主电容 和负载电容一定的情况下，R 又不可无限地减少， 否则可能引起波形过冲超过标准的问题，即无法输 出符合标准要求的波形。
0 引言
雷电冲击电压试验是高压电器设备型式试验、 出厂试验甚至现场试验都必须进行的试验项目，而 且 GB/T 16927.1—2011 和 IEC 60060-1 标准对雷电 冲击电压波形有着严格的要求，即，波前时间为 1.2μs ±30%、半峰值时间为 50μs ±20% 的雷电全 波，且波头振荡过冲不得超过 10%。对于电容量较 小或电压等级较低的电气设备雷电冲击电压试验不 存在问题，但随着高电压等级的 GIS 设备和电缆的 逐步应用，雷电冲击电压试验的波形调试成了一个 突出的问题。
+ C2 - U2
图2 冲击电压发生器的放电等效回路
为了获得非振荡波，要求 ：
Rf ≥ 2[L/(
C 1C 2 C 1+C 2
)]1/2
(1)
图 2 中整个回路的运算阻抗为 ：
1
Z(s)=Rf+sL+ sC
(2)
其中 ：
C= C1C2
(3)
C 1+C 2
所以 ：
U
2(s
)=
1 sC
·
2
U·1 s
1 Z (s )
验回路中串入一 R C 低通滤波电路，补偿电容 C C 和 补偿电阻 R C 的并联组合串联进冲击发生器，如图 3 所示。过冲补偿装置和试品电容形成了低通滤波器。
波头的高频过冲经过低通滤波器受到抑制，波尾的
低频不受低通滤波器的影响。低通滤波器的抑制作
用减小了电压上升时在 C2 上形成的电压。
SG
Rf
的仿真波形见图 7。
SG
Rf
L
CC
C1
Rt
RC LC
C2
图6 冲击电压试验回路串联RLC滤波电路
V CH1 CH2
O t
图7 LC对雷电冲击电压波形的改善作用
ZHANG Jian-xin, ZHAO Fang-fang, SONG Heng （Henan High Voltage Electric Apparatus Research Institute, Pingdingshan 467001, China） Abstract: Introduction was made to a method improving the output waveform of lightning impulse voltage test for large capacitive loads. This paper analyzed the reason of lightning impulse voltage waveform oscillation and overshoot under capacitive load. The common measures were used to debug lightning impulse voltage waveform and the existing low-pass filter circuit was improved by the way of series RLC filter circuit in impulse voltage test circuit. The simulation result shows that the waveform of the improved RLC low-pass filter circuit is smoother than the waveform of the original circuit. The lightning impulse voltage waveform oscillation has been improved obviously. Key words: lightning impulse voltage waveform; large capacitive load; waveform overshoot; RLC filter circuit
显而易见，冲击电压发生器确定后，只能通过 合理布置高压引线来减少回路中的电感。而回路电 感并不是能够无限制地减小，如本体每级回路电感 至少 6μH，高压引线电感至少 1μH/m。而且随着电 压等级的提高需要冲击发生器的级数及试验回路的 引线都要增大，相应的回路电感也要增大。例如， 1 100 k V 高压输变电设备的雷电冲击电压试验时， 雷电冲击耐受电压值要达到 2 400 k V，因此至少需 要使用 16 级冲击电压发生器，设备本体、分压器 及试品之间的高压引线至少 15 m，依据冲击电压发
过 1.56 μs，就必须减小 R f，而 R f 的减小会使波形 振荡严重、过冲增大，所以此时只能依靠调节 R C 来改善波形，然而，增大 R C 只能减小波形的过冲， 不能减弱峰值处的振荡。如图 5 所示，C H1、C H2、
CH3 波形为逐步增大 RC 后获得的雷电冲击波形。
V
CH1
CH2
CH3
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
电工电气 (2015 No.4)
产品与应用
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
张建新，赵芳芳，宋衡
(河南省高压电器研究所，河南 平顶山 467001)
摘 要 ：介绍了一种改善大电容负载的雷电冲击电压试验输出波形的方法，分析了容性负载时雷电 冲击电压波形振荡和过冲的原因，指出了调试雷电冲击电压波形常用的措施，并在冲击电压试验回路中 串联 RLC 滤波电路来对现用低通滤波电路进行改进。仿真分析表明，改进后的 RLC 低通滤波电路比原先 的 RC 低通滤波电路的波形平滑度好，雷电冲击电压波形波头振荡得到明显改善。
作者简介：张建新(1963- )，男，高级工程师，硕士，从事高压开关试验工作。
27
电工电气 (2015 No.4)
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
SG
Rf
L
C1
Rt
C2
图1 冲击发生器的等效电路
理想的冲击电压发生器的放电回路只是电阻、
电容组成的 R C 电路，只需使用电阻进行调波。但
实际上回路中的连线、电阻、电容等都不可避免的
关键词 ：雷电冲击电压波形 ；大电容负载 ；波形过冲 ；RLC 滤波电路 中图分类号 ：TM866 文献标识码 ：B 文章编号 ：1007-3175(2015)04-0027-04
Debugging of Lightning Impulse Voltage Waveform Under
High Voltage Large Capacitive Load
对于 1 100 k V 电器设备的雷电冲击电压试验， 试验回路电感至少 111μH，当负载为 7 000 p F 时， 无论如何调节滤波电路参数配置，峰值处的波形振 荡都不可避免。
3 低通滤波电路的改进
为了使雷电冲击电压波形峰值附近过冲减小，
振荡减弱，在低通滤波电路中引入电感 L C，构成 R L C 滤波电路，电路图如图 6 所示，由电路图得到
O
t
图3 冲击电压试验回路串联RC低通滤波电路 图 4 a)、图 4 b) 分别是冲击电压试验回路串联
R C 滤波电路前后试品上仿真电压波形，图 4 a ) 的 波前时间为 1.68μs，过冲为 20%，这两个值都超
过了标准允许范围。图 4 b) 的波前时间为 1.47μs， 峰值附近的过冲小于 5%。通过仿真波形可以看出，
ห้องสมุดไป่ตู้
28
高电压大电容负载下雷电冲击电压波形的调试
电工电气 (2015 No.4)
生器的回路电感估算方法，整个试验回路电感至少
111μH。因此，依靠减少回路的电感来改善雷电冲
击电压波形效果是有限的。
2.2 串联低通滤波电路
1997 年由 Haefely Test 在一篇名为“过冲补
偿”的论文介绍了一种调波电路，即在冲击电压试
L
CC
RC
C1
Rt
C2
击电压发生器配置了 R C 调波装置，以增大冲击电 压发生器的容性负载能力。
通过大量的仿真试验看出 ：雷电冲击电压试
验回路中串联的低通滤波装置的参数对波头时间
T f 的影响可以忽略，波形的过冲与 R f 和 R C 的大小 成反比例关系。由式 (6) 可知，波前时间 T f 与 R fC 成正比。当负载增大时，为了保证波前时间不超
存在固有电感，而电感对输出的波形又有着影响，
轻微时可能只是改变波形参数，严重时可能引起振
荡，因此在分析冲击电压发生器容性负载放电回路
时，一定要考虑到回路电感对输出波形的影响。由
于最大的振荡过冲出现在雷电冲击的峰值附近，波
尾电阻较大，对波形振荡影响不大，则波头阶段的
放电等效回路如图 2 所示。
L
Rf
+ U1 - C1
1 冲击电压发生器的容性负载回路分析
雷电冲击电压由冲击电压发生器产生，试验回 路是 Marx 于 1923 年设计的。为了计算波形或者说 是冲击回路的各个要素，Marx 发生器被简化成图 1 所示的等效电路 [1]。其中，当 C1 充电达 U0 时，S G 触发，C2 通过 C1 充电，并通过 R f 进行衰减。C1 为 充电电容 ；R f 为波前电阻 ；R t 为半峰值电阻 ；L 为 试验回路电感 ；SG 为放电间隙 ；C2 为负载电容。
-4.2 11.6 27.4 43.2 59.0 t/μs
b)串联RC低通滤波电路时
97.8 74.8
V/kV
图4 5.7 nF试品上的雷电冲击电压波形
目前，这种滤波电路已广泛应用于容性负载较 大时的高电压雷电冲击试验。国内主要冲击电压发 生器制造厂家也都根据这一理论为高电压等级的冲
图5 负载7 000 pF时串联低通滤波电路 调节雷电冲击电压波形
2 调试雷电冲击电压波形常用的措施
为了有效地解决雷电冲击电压峰值附近的振荡 过冲问题，国内外都已做了很多工作，现有的措施 主要有两种 ：一是减小回路电感，尽可能地减小回 路电感对雷电波形的影响 ；二是改进回路法，即在 冲击电压发生器输出端串联一个阻容并联的低通滤 波电路，通过滤波电路改善雷电波形的振荡过冲。 这两种方法对改善电压波形确实起到了作用，但都 存在局限性。 2.1 减小回路电感
本文通过冲击电压发生器容性负载的电路分 析，来说明容性负载时雷电冲击电压波形振荡和过 冲的原因 ；介绍现在常用解决振荡和过冲的方法并 分析这些方法的局限性，然后通过原理分析、软
件仿真对现用低通滤波电路进行改进，使得容性负 载较大时，借助改进后的低通滤波电路，得到满足 GB/T 16927.1—2011 和 IEC 60060-1 标准要求的雷 电冲击电压波形，并把这一理论应用于实践，证明 在实际应用中负载电容量较大、电压等级较高时， 冲击电压试验回路中串联 RLC 滤波电路确实可以起 到改善雷电冲击电压波形的作用。
串联低通滤波电路缩短了波前时间，同时也减小了 波头过冲，确实使雷电冲击电压波形得到改善。
V/kV
70 0 -70 -140 -210 280 -3.2 17.0 37.2 57.4 77.6
t/μs a)未连接RC低通滤波电路时
22.5 -22.5 -67.5 -112.5 -157.5 -202.5