高电压课设设计 冲击电压发生器

目录课程设计要求 (3)设计原理 (4)冲击电压发生器本体输出波形与高效回路输出电压与级数充电放电回路冲击电容器充电电阻保护电阻球间隙放电回路数学分析充电回路数学分析点火装置整流充电电源系统原理整流回路变压器容量高压硅整流器冲击电压测量系统原理冲击分压器与引线高压臂低压臂同轴电缆的接入及对分压比的影响电缆损耗的影响与末端的匹配衰减波阻的变化对分压比和匹配的影响高压引线的影响示波器抗干扰措施参数计算 (11)参考资料 (15)一、课程设计要求：画出冲击电压发生器的总体结构布置图(含接地系统设计)，各主要部件或器件的型号、参数，绝缘距离与净空(空间布置)，各参数之间的匹配关系，波形测量系统等。

对冲击电压发生器设计的要求为：（1）高效回路（2）最大输出电压300～800kV（3）级数3级以上（4）电阻（含线径和材料）（5）球隙大小和距离（6）输出波形 1.2/50波形（7）测量装置（充电、放电）（8）测量装置抗干扰措施（9）充电电源（各器件参数）（10）本体、分压器、电源、测量系统（11）绝缘材料、绝缘距离选取（12）触发器（13）容性试品二、设计原理：一、冲击电压发生器本体冲击电压发生器是产生冲击电压和操作冲击电压的一种发生装置。

产生的冲击电压可供绝缘的冲击耐压或放电试验用。

1）输出波形与高效回路：首先从单极冲击电压发生器的具体性质来分析：为了产生1.2/50标准雷电冲击波形可用的电路有如下的选择：(c)可产生雷电波形的电路由电路理论的基础知识可以推导出三个电路的电源的电压在输出端的利用率，他们分别为： a) 低效回路b) 效率介于(a)和(c)之间c)高效回路由于该设计要求电路为高效回路，所以选择电路（C ）。

即简化后的电路为：单击高效回路电路图而对于多级冲击电压发生器一般的设计如下：简单的多级冲击电压发生器电路图图中R o 保护电阻;R 充电电阻;R 1波头电阻;R 2波尾电阻;C 主电容;C 2波头电容;G 1~G 4球间隙这种多级冲击电压发生器采用的是波前电阻和放点电阻集中放置的方式。

在这种电路中常常为了防止杂散电感和对地分布的杂散电容引起高频振荡（为了避免2R 1C u ++--u 1R 2C 2R 1C u ++--u 11R 2C 12R b )(2R 1C u ++--u 1R 2C 02122112U R R R C C C U m +•+≈02112U C C C U m•+≈冲击波前波形不光滑）在电路中分布放置了阻尼电阻r d,一般为5Ω~25Ω。

若级数为n，则阻尼电阻的串联总值n﹒r d称为R d。

R d也起着调节波前时间的作用，但在放电时，它与R2会造成分压，使输出的电压降低。

所以有如下多级高效率冲击电压发生器。

所以选择如上的高效回路。

多级高效率冲击电压发生器电路图图中R o保护电阻;R充电电阻;r t放电电阻;r f波前电阻; C2波头电容;G1~G4球间隙在这种设计中，分布放置的波前电阻r f兼起着阻尼电阻的作用，所以输出的电压相对较高，为高效回路。

2）输出电压与级数：由于设计的要求是最大输出电压在300～800kV间，级数3级以上，且试品为容性的，由冲击电压发生器的额定电压与被试电力设备的标称电压之间的大致关系（如下表），可得试品应为35kV等级的电气设备。

（表中的下限值满足型式试验要求，上限值供研究实验用）3）充电放电回路：a)冲击电容器对于冲击电压器最好采用专用的电感小的脉冲电容器。

脉冲电容器一般分为胶纸筒、瓷套和金属壳几种型式。

胶纸筒电容器很少用于大型冲击电压发生器，它体型细长，机械强度差（不便于采用柱式发生器结构），需要另立绝缘支架。

另外，这种电力电容器可贮存的能量不大，绝缘也容易受潮等特点。

金属壳电容器的电压和容量都能做得很大，大型冲击电压发生器都采用这种电力电容器。

瓷壳电容器具有很高的机械强度和良好的绝缘性能，很适用于柱式发生器结构。

但其能量也不能做得太大，所以这种结构多用于2兆伏以下的中型电压发生器。

综合设计的电压等级选择瓷壳电容器就能达到理想的效果。

b)充电电阻保护电阻①充电电阻充电电阻是为了使各级球隙能在足够的冲击过电压作用下可靠动作而在各级电容器之间连入的。

充电电阻不仅影响冲击电压发生器的充电过程，而且也影响冲击电压发生器的放电过程。

冲击电压发生器高效回路的等值放电回路从高效回路的等值放电回路可以看出，充电电阻nR与波头电阻nrf串联分压，致使充电电阻既减少了波长时间，又减低了放电回路的利用系数。

考虑到充电电阻的影响，分析可知每一级的波尾电阻减少到R t≈r t Rr t+R=r t(1−α)α=r tr t+R为了减少充电电阻对波形的影响，系数α限制在0.05～0.1的范围内较好。

同时，为了避免充电电阻的电阻过分的影响放电回路的利用系数，R应该比rf 大10～20倍。

但是充电电阻并不是取的过大过小都是不好的。

过大则延长充电时间，增加各级电容器的不均性；过小则各级球隙间动作不可靠，冲击电压波长时间减小，放电回路利用系数减低。

②保护电阻保护电阻一般为几百千欧。

同时为了使电容器上充电比较均匀，一般选择保护电阻r的阻值比R大一个数量等级，这样保护电阻不仅起保护整流装置的作用，还起均压的作用。

c)球间隙冲击点发生器的球隙采用空心铜球或铝球。

球径和最大球间隙距离应与最大冲击电压相对应。

可由球间隙放电标准表查得。

所有球间隙由一电动传动机构统一驱动，球间隙距离应能均匀调节。

为了确保冲击电压发生器各级球间隙可靠动作，各级球间隙的距离应配合得当。

在布置各球间隙时，应能使前一级球间隙放电时的紫外线能照射到下一级球间隙。

冲击电压发生器的第一级球间隙常用三电级间隙。

提高球间隙工作可靠性的几种方法如下：1.采用多级球隙2.改进多级冲击发生器的线路3.各级都采用三电极间隙4.各级间隙采用激光照射d)放电回路数学分析本回路的分析放电电路等效回路上图为冲击电压发生器的放点电路的等效图，对于高效回路，只要令R d=0即可。

由电路理论的知识我们可以得到如下式子U2(s)=U1d(s2+as+b)⁄式中a=b[C1(R d+R t)+C2(R t+R f)]b=1[C1C2(R d R f+R d R t+R f R t)]⁄d=R t C1b上式经过反变换有u2(t)=U1ε[exp(s1t)−exp⁡(s2t)]式中ε称为回路系数，其大小与所采用的回路参数值有关。

再由根与系数的关系可得出s1,s2的表达式。

查表：t f视在波头时间；t t视在波尾时间；t M理论波头时间；T1波尾时间常数；T2波头时间常数；H=T1·T2；λ=T1×T2；ε0波形系数还查得s 1=-0.014659;s2=-2.4689.若输出电压u2的峰值设为单位值，则标准雷电冲击波可用下式表示u2(t)=1.03725[exp(−0.014659t)−exp⁡(−2.4689t)]式中t的单位为μs，等号右边的系数为1ε⁄e)充电回路数学分析当回路是由整流电压充电时，它的充电时间比直流电压充电慢得多。

若直流电压充电到Uc/Um=0.9，需要充电时间t充=2.3RC；若用整流电压充电到Uc/Um=0.9则需要充电时间t充=15RC。

则对多级充电回路的简化电路有t 充=15(r+8nRπ2⁄)nC≈15(r+nR)nC4）点火装置：三电级球隙结构1-铜球；2-端端部有孔的铜球；3-钨电极；4-瓷、胶木等绝缘材料发生器的点火触发是通过触发最下一级的球隙使之放电而完成的。

因此最下一级的球隙被设计成三间隙结构。

触发脉冲是由一个高电平，快速变化的脉冲电压。

它是由点火脉冲放大器产生的。

一个用于检测发生器点火的脉冲的耦合电容安装在发生器的底座上。

二、整流充电电源系统原理1）整流回路：整流回路分为半波整流，全波整流，被压整流。

其中前两种整流回路能获得的最高直流电压等于充电电源交流电压的幅值Um，在同样的交流电压幅值Um 下，采用倍压整流回路可获得2～3倍Um直流电压。

2)变压器容量查阅资料有标称试验变压器容量Pn的确定公式：Pn=kVn2WCt10-9式中：Pn-标称试验变压器容量（kVA）；k -安全系数；Vn-试验变压器的额定输出高压的有效值（kV）；W -角频率，W=2πf,f为试验电源的频率；Ct-被试品的电容量（PF）。

对于不同的试验电压Vn，选择适当的安全系数k，标称试验电压较低时，k值可取高一些；以下列出不同的试验电压Vn，所选用的安全系数k值，供参考：Vn=50～100kV k=4；Vn=150～300kV k=3；Vn≥300kV k=2；Vn≥1MV k=13）高压硅整流器高压整流回路中最重要的元件之一就是整流元件。

早期的高压整流回路中曾用过机械整流器、高压整流管。

但前者工作时会产生出强烈的噪音和无线干扰；后者需要耐高压、体积大、价格昂贵的灯丝变压器，甚至会放射出较强的硬射线对人身体健康不利。

现在常用的是硅整流器。

硅整流器不存在灯丝加热问题，设备简单，使用方便，且允许通过的电流大，体积小，寿命长，坚固耐用。

200～300千伏高压硅整流器是由若干100～150千伏高压硅堆（或硅棒，硅柱）组成，而每个硅堆又由许多硅粒子（或硅二极管）串联组成。

当用若干个电压较低的高压硅堆串联组成电压较高的高压硅整流器时，存在着沿硅堆的电压分布不均匀问题。

这时可在每一个高压硅堆外并联均压电容和均压电阻。

它们以螺旋形固定在高压硅堆外面，整个高压硅整流器装在有机玻璃圆筒里，并注入变压器油。

三、冲击电压测量系统原理1) 冲击分压器与引线：冲击分压器的三种基本类型为：电阻分压器，电容分压器，串联和并联的阻容分压器。

高压臂：由于设计的冲击电压发生器产生的电压为550kV，用电阻分压器即可（未加屏蔽的一般可测量1兆伏以下的电压，阻值为10~20千欧，加装屏蔽的可测到2.5兆伏，阻值可做到40千欧）。

而影响电阻分压器测量值的重要有对地电容，纵电容（电感影响不大，一般忽略）。

总体来讲，为减小测量误差，首先应该使分压器的启示电位分布和稳态分布接近（即减小方波响应中误差项的幅值）；其次尽可能减小从始态过渡到稳态用的时间（即减小误差项的时间常数）。

具体方法有：1）使起始电位分布接近稳态均匀分布。

方法有：横补偿纵补偿电位补偿等2）使稳态分布接近起始电位分布。

3）减小RC。

综上，从减小RC入手，C与分压器高度有关，高度又取决于分压器的工作电压，为了防止沿面闪络，对雷电冲击波取0.5兆伏/米。

一般垂直圆柱体的对地寄生电容约为10~15微微法。

对未加任何屏蔽措施的电阻分压器一般测量1~1.5兆伏的电压。

取1兆伏的电阻分压器，则有：分压器的高度为2米，C 为30微微法，取电阻10千欧。