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1、高电压 课程设计（冲击电压发生器的设计）目录一冲击电压发生器的功用及原理。3二设计目标 。4三设计步骤 。4四设计总结 。13五参考资料 。14六 附录 。15一冲击电压发生器的功用及原理冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，近年来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。所以对冲击电压发生器的要求，不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波形陡度有关，对某些设备要采用截断波来进行试验。冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万到几百万伏的电压，同时这
2、电压要具有一定的波形。它的原理图如下：实验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1 C4 充电，充电到U，出现在球隙g1g4上的电位差也为U，若事先把球间隙距离调到稍大于U，球隙不会放电。当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮只见产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为-U。电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为+U，中间球隙g2上的电位差突然升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为-2U。同理，g3，g4也跟着放电，电容
3、器C1C4串联起来了，最后球隙g0也放电，此时输出电压为C1C4上电压的总和，即-4U。上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”二.设计目标： 输出波形为1.2/50s标准波形，回路采用高效率回路，输出电压为300800kV，发生器级数为48级。三.设计过程：1试品电压等级的确定表1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间关系试品额定电压 / kV35110220330500冲击电压发生器标称电压 / MV0.40.60.81.51.82.72.43.62.74.2要求的输出电压为300800kV，根据上表，可以暂定试品的电压等级为66kV。根据66kV设备雷电冲击耐受电
4、压(峰值)表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为385kV，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1.3；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数取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标称电压应不低于：所以可取冲击电压发生器的标称电压为660kV2冲击电容的选定如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，数互感器的电容较大，约1000pF，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如估计为500pF，电容分压器的电容如估计为600pF，则总的负荷电容为 如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为 从国产脉冲电容器的
5、产品规格中找到MY2200.1和MY1100.2瓷壳高压脉冲电容器比较合适，这种电容器的规格如表3所示。表3. MY1100.2瓷壳高压脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY2200.12200.1635l845361瓷壳MY1100.21100.2635l500249瓷壳综合考虑后，可以选择第二种电容器。用此种电容器6级串联，标称电压可达到660kV，满足前述要求，每级一个电容器，使冲击电容 C=0.2/6=0.0333f此值 ，可使（电压）效率不致很低。且高度大概在6m左右，高度上也还可以。2回路的选择选用高效率回路和倍压充电，回路如
6、下图所示3.冲击电压发生器主要参数：标称电压：冲击电容：C=0.0333f 标称能量：Wn=0.5CU2= 7.26kj5.波前电阻和波尾电阻的计算：试品电容约1000pF，负荷总电容为2100pF，波前等效回路所以波前时间 求出，每级。半峰值是等效回路故半峰值时间 求出，每级。6.冲击电压发生器的效率：此值比原估计的效率0.85高，所以所选电容是合适的。7.充电电阻和保护电阻的选择：要求 ，得： 取R10k。每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV的电压。如取保护电阻r为充电电阻R的40倍，则保护电阻r为400k。8.充电时间的估算：因为采用了倍压充电回路，由式，但考虑到电容C的另一侧为及，
7、它们远小于充电电阻R。此外还应考虑倍压回路第一个回路中的保护电阻r的作用。充电至0.9倍电压时， 设，则计算得。实际上还存在充电回路中的影响，它可使充电时间增加一些，可估计为。9.变压器选择：考虑倍压充电回路所需的容量，加大安全系数到3.0。变压器容量变压器电压所以，可选择国产试验变压器，型号为YD3/50，其参数如下表。表4. YD3/50试验变压器的参数型号规格额定容量 / kVA额定电压 / kV额定电流 / A输入输出输入输出YD3/5030.225013.630.0610.高压硅堆选择：为了缩短充电时间，充电变压器应该提高10的电压，因此硅堆的反峰电压55kV1.155kV116kV
8、。硅堆的额定整流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。现只有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。 因此，选硅堆的额定整流电流为0.05A 反峰电压116kv选择2DL150/0.05高压硅堆。11.球隙直径选择：查附表11球隙放电标准表得：在间隙距离为4.5cm时10cm球隙的放电电压为115kV，故选10cm铜球，一共7对。12.波前电阻和波尾电阻丝选择计算：已知，一级电容器储能为：。假定试品不放电时能量全部消耗在中，试品短路放电时的能量340/（34031.25）kJ，即1.11kJ消耗在
9、中。如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波前电阻的每股阻值为231.25即62.5。每股电阻丝消耗的能量为1.11/2kJ即550J。同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2340即680，每股电阻丝消耗的能量为1.21/2kJ即605J。冲击放电的过程很快，电阻丝消耗的能量可按绝热过程考虑，所消耗的能量全部转变为电阻丝温度的升高。如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝的密度为，电阻率为，比热容为，电阻允许最高温升为150。令电阻丝长度为l/m，直径为d/mm，则可得 而消耗的能量 （2）将式（1）和式（2）消去l，得电阻丝的直径为 首先令，最后，由式上式得 实际选0.35mm的电阻丝两根，并按相反方向并
10、绕。由式（1）得其中一根阻丝的长度为 实际温升可由式（2）得 再次令，代入式（3）得电阻丝的直径为，实际选0.20mm的电阻丝按相反方向并绕。可算得一根电阻丝的长度l为44.5m，实际温升为116.6。用所选康铜丝两根并联，并按相反方向绕到绝缘棒上，要求匝间距离尽可能小。电阻棒的长度应使两端间能耐受110kV的电压。13.一次分压器的设计：采用电容分压器分压，使用如图3示测量回路。同轴电缆输出端电压设为2kV，然后经电阻分压器二次分压，把信号电压输入示波器。考虑二次分压用的电阻分压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。高压臂电容选国产MY5000.00012脉冲电容器较合适，其参数如表5。表5. MY
11、5000.00012脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY5000.000125000.00012182115528.2胶纸壳用此种电容器三个并联，使高压臂 由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV，故分压比 K=660/2=330。 求出。用MY800.03脉冲电容器组成低压臂，其参数如表6。表6. MY800.03脉冲电容器的规格型号额定电压 / kV标称电容 / F外形尺寸 / mm重量 / kg外壳MY800.03800.0322045519.7胶纸壳用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达（500802）kV660kV，可用于测量
12、冲击电压。每级由4个电容器并联，使低压臂电容 故分压器的实际分压比为 即同轴电缆输出端电压 14.二次电阻分压器：高压臂取，低压臂，则分压比 最终输入示波器的电压幅值为（1968/101）V19.5V.四设计总结上学期通过对高电压课程的学习，我充分体会到了高压输电在我们平常生活中的重要意义，而为了保证输电线路及其设备的安全性及可靠性，务必要考虑到雷电过电压及操作过电压对电力系统的影响。因此，冲击电压发生器的设计应用显得尤其重要。这次的课程设计可谓是获益良多，通过多方面查资料以及请教同学，终于把冲击电压发生器的说明书制成了，虽然还未经过实践的检验，但是我也体会到了做工程的严谨性以及每一个步骤的重
13、要性，小到一个电阻，大到整个图纸，不能有一丝的马虎，要不然就会以失败告终，特别是原理中的那几个电容电阻，每一个都有不同的作用，而且不能混用，稍有不慎就会烧掉甚至于使整个系统瘫痪。因此，作为工科的学生，一定要养成良好的习惯，扎实、认真、一丝不苟。在做课设过程中也遇到了不少的问题，通过参考书籍以及班上优秀同学的作品才得以将解决，在此非常感谢那些帮助我的同学及老师，图书馆也帮了我的大忙，从中我体会到了集体的力量，一个人是不可能干成大事业的。五参考资料高电压工程。林福昌主编高电压试验技术。华中工学院、上海交大主编高电压试验技术。张仁豫主编六附录各类设备的雷电冲击耐受电压 单位：KV(有效值)系统标称电
14、压（有效值）设备最高电压（有效值）额定雷电冲击（内，外绝缘）耐受电压（峰值）截断雷电冲击耐受电压（峰值）变压器并联电抗器耦合电容器，电压互感器高压电力电缆(2)高压电器母线支柱绝缘子，穿墙套管变压器类设备的内绝缘3540.5185/200(1)185/200(1)185/200(1)2001851852206672.5325325325325325325360350350350350350350385110126450/480(1)450/480(1)450/480(1)45045045053055055055055022025285085085085085093595095095095095
15、095095010501050330363105010501050117511751175117511751175117513001300500550.014251425142514251550155015501550155015501550167516751675167516751675注：（1） 斜线下之数据仅用于该类设备的内绝缘（2） 对高压电力电缆是指热状态下的耐受电压球隙放电标准表（最大值：Kv）距离（cm）球直径（cm）256.251012.5152550751001502000.050.100.150.20.250.30.40.50.60.70.80.91.01.21.41.51
16、.61.82.02.22.42.62.83.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.09.0101112131415161718192022242628303234363840455055606570758085901001101201301401502.84.76.48.09.611.214.417.420.423.225.828.330.735.138.540.08.09.611.214.317.420.423.426.329.232.037.642.945.548.15357.561.565.56972.575.582.588.514.217.220.223.226.
17、229.131.937.542.945.548.153.558.563.067.572.076.079.587.595.010110716.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.569.574.579.584.095.0105115123131138144150155待添加的隐藏文字内容216.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.570.075.080.085.097.010811912913814615416116817418519516.819.923.026.028.93
18、1.737.442.945.548.153.559.064.570.075.580.585.598.011012213314315216116917718519820921922931.737.442.945.548.153.559.064.570.075.581.086.099.011212513714916117318419520622624426127528930231432633734735736659.064.570.075.581.086.099.01121251381511641771892022142392632863093313533733924114294454604895
19、1554056558560562564066567059.064.570.075.581.086.099.011212513815116417719020321524026529031533936338741043245347349253056560063566569572575077580085089593597086.099.01121251381511641771902032152412662923183423663904144384624865105555956356757107457808158458759451010106011101160120012301381511641771
20、9020321524126629231834236639041443846248651056061065570074579083587591595510501130121012801340139014401490154015801660173018002662923183423663904144384624865105606106607057507958408859309751080118012601340141014801540160016601720184019402020210021802250（3） （4） 注：一球接地，大气压力1.013105Pa，温度20，交流电压，负极性冲击电压，正或负极性直流电压条件下的球隙放电标准值。
