沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)電氣0705_楊軍

1、電氣學(xué)科大類 2007級(jí)高電壓 課程設(shè)計(jì)（沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)）姓 名 ：楊軍 學(xué)號(hào)：U200712316專業(yè)班號(hào)：電氣0705班評(píng)閱人： 指導(dǎo)教師 ： 戴玲 日 期 ：2010.03.12 目錄一·沖擊電壓發(fā)生器的功用及原理。3二·設(shè)計(jì)目標(biāo) 。4三·設(shè)計(jì)步驟 。4四·設(shè)計(jì)總結(jié) 。13五·參考資料 。14六· 附錄 。15一·沖擊電壓發(fā)生器的功用及原理沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)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(shè)備遭受大氣過電壓（雷擊）時(shí)的絕緣性能，近年來又被用于研究電力設(shè)備遭受操作過電壓時(shí)的絕緣性能。所以對(duì)沖擊電

2、壓發(fā)生器的要求，不僅能產(chǎn)生出現(xiàn)在電力設(shè)備上的雷電波形，還能產(chǎn)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(guān)，對(duì)某些設(shè)備要采用截?cái)嗖▉磉M(jìn)行試驗(yàn)。沖擊電壓發(fā)生器要滿足兩個(gè)要求：首先要能輸出幾十萬到幾百萬伏的電壓，同時(shí)這電壓要具有一定的波形。它的原理圖如下：實(shí)驗(yàn)變壓器T和高壓硅堆D構(gòu)成整流電源，經(jīng)過保護(hù)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g1g4上的電位差也為U，若事先把球間隙距離調(diào)到稍大于U，球隙不會(huì)放電。當(dāng)需要使沖擊機(jī)動(dòng)作時(shí)，可向點(diǎn)火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球皮只見產(chǎn)生一小火花，引起點(diǎn)火球隙放電，于是電容器C1的上極板經(jīng)g1接地，點(diǎn)1電

3、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，點(diǎn)2和點(diǎn)3電位不可能突然改變，點(diǎn)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(diǎn)2電位變?yōu)?2U。同理，g3，g4也跟著放電，電容器C1C4串聯(lián)起來了，最后球隙g0也放電，此時(shí)輸出電壓為C1C4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”二.設(shè)計(jì)目標(biāo)： 輸出波形為1.2/50s標(biāo)準(zhǔn)波形，回路采用高效率回路，輸出電壓為300800kV，發(fā)生器級(jí)數(shù)為48級(jí)。三.設(shè)計(jì)過程：1試品電壓等級(jí)的確定表1.沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓與被測(cè)試設(shè)備額定電壓間關(guān)系試品額定電壓

4、/ kV35110220330500沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓 / MV0.40.60.81.51.82.72.43.62.74.2要求的輸出電壓為300800kV，根據(jù)上表，可以暫定試品的電壓等級(jí)為66kV。根據(jù)66kV設(shè)備雷電沖擊耐受電壓(峰值)表，可知變壓器類設(shè)備的內(nèi)絕緣的耐受電壓最高，為385kV，擊穿電壓和閃絡(luò)電壓都高于試驗(yàn)電壓，考慮為研究試驗(yàn)取裕度系數(shù)1.3；長(zhǎng)期工作時(shí)沖擊電壓發(fā)生器會(huì)發(fā)生絕緣老化，考慮老化系數(shù)取1.1；假定沖擊電壓發(fā)生器的效率為85%，故沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓應(yīng)不低于：所以可取沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓為660kV2沖擊電容的選定如不考慮大電力變壓器試驗(yàn)和整卷電纜試驗(yàn)

5、，數(shù)互感器的電容較大，約1000pF，沖擊電壓發(fā)生器的對(duì)地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容如估計(jì)為500pF，電容分壓器的電容如估計(jì)為600pF，則總的負(fù)荷電容為 如按沖擊電容為負(fù)荷電容的10倍來估計(jì)，約需沖擊電容為 從國產(chǎn)脈沖電容器的產(chǎn)品規(guī)格中找到MY2200.1和MY1100.2瓷殼高壓脈沖電容器比較合適，這種電容器的規(guī)格如表3所示。表3. MY1100.2瓷殼高壓脈沖電容器的規(guī)格型號(hào)額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY2200.12200.1635×l845361瓷殼MY1100.21100.2635×l500249瓷

6、殼綜合考慮后，可以選擇第二種電容器。用此種電容器6級(jí)串聯(lián)，標(biāo)稱電壓可達(dá)到660kV，滿足前述要求，每級(jí)一個(gè)電容器，使沖擊電容 C=0.2/6=0.0333f此值 ，可使（電壓）效率不致很低。且高度大概在6m左右，高度上也還可以。2回路的選擇選用高效率回路和倍壓充電，回路如下圖所示3.沖擊電壓發(fā)生器主要參數(shù)：標(biāo)稱電壓：沖擊電容：C=0.0333f 標(biāo)稱能量：Wn=0.5CU2= 7.26kj5.波前電阻和波尾電阻的計(jì)算：試品電容約1000pF，負(fù)荷總電容為2100pF，波前等效回路所以波前時(shí)間 求出，每級(jí)。半峰值是等效回路故半峰值時(shí)間 求出，每級(jí)。6.沖擊電壓發(fā)生器的效率：此值比原估計(jì)的效率0.

7、85高，所以所選電容是合適的。7.充電電阻和保護(hù)電阻的選擇：要求 ，得： 取R10k。每根充電電阻的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)能耐受110kV的電壓。如取保護(hù)電阻r為充電電阻R的40倍，則保護(hù)電阻r為400k。8.充電時(shí)間的估算：因?yàn)椴捎昧吮秹撼潆娀芈罚墒?，但考慮到電容C的另一側(cè)為及，它們遠(yuǎn)小于充電電阻R。此外還應(yīng)考慮倍壓回路第一個(gè)回路中的保護(hù)電阻r的作用。充電至0.9倍電壓時(shí)， 設(shè)，則計(jì)算得。實(shí)際上還存在充電回路中的影響，它可使充電時(shí)間增加一些，可估計(jì)為。9.變壓器選擇：考慮倍壓充電回路所需的容量，加大安全系數(shù)到3.0。變壓器容量變壓器電壓所以，可選擇國產(chǎn)試驗(yàn)變壓器，型號(hào)為YD3/50，其參數(shù)如下表。表4

8、. YD3/50試驗(yàn)變壓器的參數(shù)型號(hào)規(guī)格額定容量 / kVA額定電壓 / kV額定電流 / A輸入輸出輸入輸出YD3/5030.225013.630.0610.高壓硅堆選擇：為了縮短充電時(shí)間，充電變壓器應(yīng)該提高10的電壓，因此硅堆的反峰電壓55kV×1.155kV116kV。硅堆的額定整流電流以平均電流計(jì)算，實(shí)際充電電流是脈動(dòng)的，充電之初平均電流較大，選擇硅堆用的平均電流難以計(jì)算。現(xiàn)只有根據(jù)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。 因此，選硅堆的額定整流電流為0.05A 反峰電壓>116kv選擇2DL150/0.05高壓硅堆。11.球隙直徑

9、選擇：查附表11球隙放電標(biāo)準(zhǔn)表得：在間隙距離為4.5cm時(shí)10cm球隙的放電電壓為115kV，故選10cm銅球，一共7對(duì)。12.波前電阻和波尾電阻絲選擇計(jì)算：已知，一級(jí)電容器儲(chǔ)能為：。假定試品不放電時(shí)能量全部消耗在中，試品短路放電時(shí)的能量340/（34031.25）kJ，即1.11kJ消耗在中。如采用雙股相反繞的無感電阻結(jié)構(gòu)，則波前電阻的每股阻值為2×31.25即62.5。每股電阻絲消耗的能量為1.11/2kJ即550J。同樣情況，波尾電阻每股阻絲的阻值為2×340即680，每股電阻絲消耗的能量為1.21/2kJ即605J。沖擊放電的過程很快，電阻絲消耗的能量可按絕熱過程考

10、慮，所消耗的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杞z溫度的升高。如所采用的電阻絲為康銅絲，康銅絲的密度為，電阻率為，比熱容為，電阻允許最高溫升為150。令電阻絲長(zhǎng)度為l/m，直徑為d/mm，則可得 而消耗的能量 （2）將式（1）和式（2）消去l，得電阻絲的直徑為 首先令，最后，由式上式得 實(shí)際選0.35mm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(zhǎng)度為 實(shí)際溫升可由式（2）得 再次令，代入式（3）得電阻絲的直徑為，實(shí)際選0.20mm的電阻絲按相反方向并繞?？伤愕靡桓娮杞z的長(zhǎng)度l為44.5m，實(shí)際溫升為116.6。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(zhǎng)度

11、應(yīng)使兩端間能耐受110kV的電壓。13.一次分壓器的設(shè)計(jì)：采用電容分壓器分壓，使用如圖3示測(cè)量回路。同軸電纜輸出端電壓設(shè)為2kV，然后經(jīng)電阻分壓器二次分壓，把信號(hào)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(yīng)可忽略。高壓臂電容選國產(chǎn)MY5000.00012脈沖電容器較合適，其參數(shù)如表5。表5. MY5000.00012脈沖電容器的規(guī)格型號(hào)額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY5000.000125000.00012182×115528.2膠紙殼用此種電容器三個(gè)并聯(lián)，使高壓臂 由于設(shè)同軸電纜輸出端電壓幅值為2kV，故分壓比

12、 K=660/2=330。 求出。用MY800.03脈沖電容器組成低壓臂，其參數(shù)如表6。表6. MY800.03脈沖電容器的規(guī)格型號(hào)額定電壓 / kV標(biāo)稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY800.03800.03220×45519.7膠紙殼用此種電容器兩級(jí)串聯(lián)，使分壓器額定電壓可達(dá)（50080×2）kV660kV，可用于測(cè)量沖擊電壓。每級(jí)由4個(gè)電容器并聯(lián)，使低壓臂電容 故分壓器的實(shí)際分壓比為 即同軸電纜輸出端電壓 14.二次電阻分壓器：高壓臂取，低壓臂，則分壓比 最終輸入示波器的電壓幅值為（1968/101）V19.5V.四設(shè)計(jì)總結(jié)上學(xué)期通過對(duì)

13、高電壓課程的學(xué)習(xí)，我充分體會(huì)到了高壓輸電在我們平常生活中的重要意義，而為了保證輸電線路及其設(shè)備的安全性及可靠性，務(wù)必要考慮到雷電過電壓及操作過電壓對(duì)電力系統(tǒng)的影響。因此，沖擊電壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)應(yīng)用顯得尤其重要。這次的課程設(shè)計(jì)可謂是獲益良多，通過多方面查資料以及請(qǐng)教同學(xué)，終于把沖擊電壓發(fā)生器的說明書制成了，雖然還未經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，但是我也體會(huì)到了做工程的嚴(yán)謹(jǐn)性以及每一個(gè)步驟的重要性，小到一個(gè)電阻，大到整個(gè)圖紙，不能有一絲的馬虎，要不然就會(huì)以失敗告終，特別是原理中的那幾個(gè)電容電阻，每一個(gè)都有不同的作用，而且不能混用，稍有不慎就會(huì)燒掉甚至于使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，作為工科的學(xué)生，一定要養(yǎng)成良好的習(xí)慣，扎

14、實(shí)、認(rèn)真、一絲不茍。在做課設(shè)過程中也遇到了不少的問題，通過參考書籍以及班上優(yōu)秀同學(xué)的作品才得以將解決，在此非常感謝那些幫助我的同學(xué)及老師，圖書館也幫了我的大忙，從中我體會(huì)到了集體的力量，一個(gè)人是不可能干成大事業(yè)的。五·參考資料高電壓工程。林福昌主編高電壓試驗(yàn)技術(shù)。華中工學(xué)院、上海交大主編高電壓試驗(yàn)技術(shù)。張仁豫主編六·附錄各類設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓 單位：KV(有效值)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（有效值）設(shè)備最高電壓（有效值）額定雷電沖擊（內(nèi)，外絕緣）耐受電壓（峰值）截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓（峰值）變壓器并聯(lián)電抗器耦合電容器，電壓互感器高壓電力電纜(2)高壓電器母線支柱絕緣子，穿墻套管變壓器類

15、設(shè)備的內(nèi)絕緣3540.5185/200(1)185/200(1)185/200(1)2001851852206672.5325325325325325325360350350350350350350385110126450/480(1)450/480(1)450/480(1)45045045053055055055055022025285085085085085093595095095095095095095010501050330363105010501050117511751175117511751175117513001300500550.014251425142514251550155

16、015501550155015501550167516751675167516751675注：（1） 斜線下之?dāng)?shù)據(jù)僅用于該類設(shè)備的內(nèi)絕緣（2） 對(duì)高壓電力電纜是指熱狀態(tài)下的耐受電壓球隙放電標(biāo)準(zhǔn)表         （最大值：Kv）距離（cm）球直徑（cm）256.251012.5152550751001502000.050.100.150.20.250.30.40.50.60.70.80.91.01.21.41.51.61.82.02.22.42.62.83.03.54.04.55.05.56.06.57.

17、07.58.09.0101112131415161718192022242628303234363840455055606570758085901001101201301401502.84.76.48.09.611.214.417.420.423.225.828.330.735.138.540.0   8.09.611.214.317.420.423.426.329.232.037.642.945.548.15357.561.565.56972.575.582.588.5       14.21

18、7.220.223.226.229.131.937.542.945.548.153.558.563.067.572.076.079.587.595.0101107        16.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.569.574.579.584.095.0105115123131138144150155       16.819.923.026.028.931.737.442.94

19、5.548.153.559.064.570.075.080.085.097.0108119129138146154161168174185195       16.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.570.075.580.585.598.0110122133143152161169177185198209219229            31.

20、737.442.945.548.153.559.064.570.075.581.086.099.0112125137149161173184195206226244261275289302314326337347357366                  59.064.570.075.581.086.099.01121251381511641771892022142392632863093313533733924

21、11429445460489515540565585605625640665670                  59.064.570.075.581.086.099.0112125138151164177190203215240265290315339363387410432453473492530565600635665695725750775800850895935970                       86.099.0112125138151164177190203215241266292318342366390414438462486510555595635675710745780815845875945101010601110116012001230&#