高電壓課設(shè)設(shè)計(jì)沖擊電壓發(fā)生器

高電壓課程設(shè)計(jì)——沖擊電壓發(fā)生器高電壓課程設(shè)計(jì)——沖擊電壓發(fā)生器2名目課程設(shè)計(jì)要求 3設(shè)計(jì)原理 4沖擊電壓發(fā)生器本體輸出電壓與級(jí)數(shù)充電放電回路沖擊電容器球間隙充電回路數(shù)學(xué)分析點(diǎn)火裝置整流回路變壓器容量沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)原理電纜損耗的影響與末端的匹配衰減高壓引線的影響示波器抗干擾措施參數(shù)計(jì)算 11參考資料 15一、課程設(shè)計(jì)要求：畫出沖擊電壓發(fā)生器的總體構(gòu)造布置圖(含接地系統(tǒng)設(shè)計(jì))，各主要部件或器件的型號(hào)、參數(shù)，絕緣距離與凈空(空間布置)，各參數(shù)之間的匹配關(guān)系，波形測(cè)量系統(tǒng)等。對(duì)沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計(jì)的要求為：高效回路最大輸出電壓300～800kV級(jí)數(shù) 3級(jí)以上電阻〔含線徑和材料〕球隙大小和距離輸出波形 1.2/50波形測(cè)量裝置〔充電、放電〕測(cè)量裝置抗干擾措施充電電源〔各器件參數(shù)〕本體、分壓器、電源、測(cè)量系統(tǒng)絕緣材料、絕緣距離選取觸發(fā)器容性試品二、設(shè)計(jì)原理：一、沖擊電壓發(fā)生器本體電壓可供絕緣的沖擊耐壓或放電試驗(yàn)用。輸出波形與高效回路：首先從單極沖擊電壓發(fā)生器的具體性質(zhì)來分析：為了產(chǎn)生1.2/50標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形可用的電路有如下的選擇：RR11R12R1u0C1R2C2uu0R2Cu2(c)率，他們分別為：U 2m

C1CC1

R2RR1

U 低效回路0(a)和(c)之間CU

1 U2m CC 1 2

高效回路由于該設(shè)計(jì)要求電路為高效回路，所以選擇電路〔C。即簡化后的電路為：R1C1R1C1R2C2u u0 單擊高效回路電路圖而對(duì)于多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器一般的設(shè)計(jì)如下：簡潔的多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護(hù)電阻;R充電電阻;R1波頭電阻;R2波尾電阻;C主電容;C2波頭電容;G1~G4球間隙〔為了避開高電壓課程設(shè)計(jì)——沖擊電壓發(fā)生器高電壓課程設(shè)計(jì)——沖擊電壓發(fā)生器10〕rd,5Ω~25Ω。假設(shè)級(jí)nn﹒rdRd。Rd也起著調(diào)整波前時(shí)間的作用，R2會(huì)造成分壓，使輸出的電壓降低。所以有如下多級(jí)高效率沖擊電壓發(fā)生器。所以選擇如上的高效回路。多級(jí)高效率沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護(hù)電阻;R充電電阻;rt放電電阻;rf波前電阻;C2波頭電容;G1~G4球間隙rf相對(duì)較高，為高效回路。輸出電壓與級(jí)數(shù)：300～800kV3級(jí)以上，且試品為容〔如下表35kV等級(jí)的電氣設(shè)備。被試電力設(shè)備標(biāo)稱電壓〔千伏〕被試電力設(shè)備標(biāo)稱電壓〔千伏〕沖擊電壓發(fā)生器額定電壓〔兆伏〕350.4~0.61100.8~1.52201.8~2.73302.4~3.65002.7~4.27503.6~6.0〔表中的下限值滿足型式試驗(yàn)要求，上限值供爭論試驗(yàn)用〕充電放電回路：沖擊電容器紙筒、瓷套和金屬殼幾種型式?！灿诔惺苤桨l(fā)生器構(gòu)造，需要另立絕緣支架。另外，這種電力電容器可貯存的能量不大，絕緣也簡潔受潮等特點(diǎn)。力電容器。2兆伏以下的中型電壓發(fā)生器。綜合設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)選擇瓷殼電容器就能到達(dá)抱負(fù)的效果。充電電阻保護(hù)電阻①充電電阻充電電阻是為了使各級(jí)球隙能在足夠的沖擊過電壓作用下牢靠動(dòng)作而在各級(jí)電擊電壓發(fā)生器的放電過程。沖擊電壓發(fā)生器高效回路的等值放電回路nRnrf

串聯(lián)分壓，阻的影響，分析可知每一級(jí)的波尾電阻削減到Rt≈

rtR+Rα=

=rtrt

(1?α)rt+R為了削減充電電阻對(duì)波形的影響，系數(shù)α限制在0.05～0.1的范圍內(nèi)較好。同時(shí)，為了避開充電電阻的電阻過分的影響放電回路的利用系數(shù)，R應(yīng)當(dāng)比rf大10～20倍。但是充電電阻并不是取的過大過小都是不好的。過大則延長充電時(shí)間減小，放電回路利用系數(shù)減低。②保護(hù)電阻起均壓的作用。球間隙擊電壓相對(duì)應(yīng)?？捎汕蜷g隙放電標(biāo)準(zhǔn)表查得。壓發(fā)生器的第一級(jí)球間隙常用三電級(jí)間隙。提高球間隙工作牢靠性的幾種方法如下：承受多級(jí)球隙改進(jìn)多級(jí)沖擊發(fā)生器的線路各級(jí)都承受三電極間隙各級(jí)間隙承受激光照耀本回路的分析放電電路等效回路Rd=0即可。由電路理論的學(xué)問我們可以得到如下式子U2(s)=U1d?(s2+as+b)式中a=b[C1(Rd+Rt)+C2(Rt+Rf)]b=1?[C1C2(RdRf+RdRt+RfRt)]d=RtC1b

u2(t)=U1ε[exp(s1t)?exp(s2t)]式中εs,s的表達(dá)式。1 2查表：tt(微秒)t(微秒)t(微秒)T(微秒)T(微秒)H2)λ(微秒)f t M 1 21.2 50 2.089 68.5 0.404 27.6 68.9ε00.9641tttTTf t M 1 2H=T·T2；λ=T×T；ε

波形系數(shù)1

1 2 0s=-0.014659;s=-2.4689.1u2

2的峰值設(shè)為單位值，則標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波可用下式表示u2(t)=1.03725[exp(?0.014659t)?exp(?2.4689t)]tμs，等號(hào)右邊的系數(shù)為1?ε0充電回路數(shù)學(xué)分析t

=2.3RC；Uc/Um=0.9充點(diǎn)火裝置：

=15RC。則對(duì)多級(jí)充電回路的簡化電路有充t =15(r+8nR?π2)nC≈15(r+nR)nC充三電級(jí)球隙構(gòu)造1-銅球；2-端端部有孔的銅球；3-鎢電極；4-瓷、膠木等絕緣材料在發(fā)生器的底座上。二、整流充電電源系統(tǒng)原理1〕整流回路：整流回路分為半波整流，全波整流，被壓整流。其中前兩種整流回路能獲得的最高直流電壓等于充電電源溝通電壓的幅值U，m在同樣的溝通電壓幅值U下，承受倍壓整流回路可獲得2～3倍U直流電壓。m m2)變壓器容量查閱資料有標(biāo)稱試驗(yàn)變壓器容量Pn

確實(shí)定公式：10-9tPn-標(biāo)稱試驗(yàn)變壓器容量〔kVA；kVnW-角頻率，W=2πf,f為試驗(yàn)電源的頻率；C〔PF。tVk，標(biāo)稱試驗(yàn)電壓較低時(shí)，kn可取高一些；以以下出不同的試驗(yàn)電壓V，所選用的安全系數(shù)k值，供參考：nVn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=13〕人身體安康不利。且允許通過的電流大，體積小，壽命長，結(jié)實(shí)耐用。100～150〔〕組成，而每個(gè)硅堆又由很多硅粒子〔或硅二極管〕串聯(lián)組成。里，并注入變壓器油。三、沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)原理沖擊分壓器與引線：沖擊分壓器的三種根本類型為：高壓臂：550kV，用電阻分壓器即可〔未加屏110~202.540?！病＝布礈p小方波響應(yīng)中誤差項(xiàng)的幅值；其次盡可能減小從始態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)用的時(shí)間〔即減小誤差項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)。具體方法有：橫補(bǔ)償縱補(bǔ)償電位補(bǔ)償?shù)仁狗€(wěn)態(tài)分布接近起始電位分布。RC。0.5/米。一般垂直圓柱體的2C10〔RC0.3T=RC/6=50量值的校正T，使測(cè)量結(jié)果誤差減??；再用橫補(bǔ)償法加裝屏蔽，把上電極做成錐形罩〔具體圖如下。H2/33/4H1.31.51.5H。低壓臂：數(shù)〔主要是寄生電感〕的阻容元件。同軸電纜的接入及對(duì)分壓比的影響：Z這里我們選用在電纜的兩端都匹配電阻的方法，這種狀況下分壓器的分壓比N=2(R+R)/R1 2 2R?R有匹配電阻R〔Z〕≈〔R+R〕1 2 4 2 3〔例如發(fā)生竄入信號(hào)或局部匹配不產(chǎn)生的反射減到很小的程度。電纜損耗的影響與末端的匹配：L衰減與畸變。對(duì)于波形的畸變總的來說衰減系數(shù)α隨fZ隨f增高而減小。Z壓比各不同。爭論結(jié)果說明，對(duì)于波阻抗為50Ω左右，電阻為0.01～0.5Ω/m的常用電纜，即可用低頻波阻抗做電纜匹配。高壓引線的影響：我們只爭論屏蔽式電阻分壓器帶高壓引線的狀況。近似計(jì)算有：T≈RdCT=L?R分析有：為了阻尼振蕩，在引線中串入阻尼電阻Rd，但串入的同時(shí)卻加大了Rd=Z，在引線首端可以消退屢次反射，而在末端不能。蔽罩和頂端之間。2〕示波器：3〕抗干擾措施：①防止空間電磁波輻射〔柜〕里。室〔柜〕最好用銅或鐵板做成，也可以用單層或雙層的金屬網(wǎng)制成。室〔柜〕的門的邊緣有密閉措施；信號(hào)電纜承受雙屏蔽電纜。測(cè)量儀器經(jīng)射頻濾波器接入電源；測(cè)量儀器承受不連續(xù)電源供電；分壓器良好接地；把上述同軸電纜套在金屬管道內(nèi)，管道兩端都接地；直接敷設(shè)使在接地的金屬板或帶之下；電纜外層屏蔽應(yīng)多點(diǎn)接地；電纜上加設(shè)共模抑制器〔把電纜多匝繞在鐵體磁芯環(huán)上用光導(dǎo)纖維傳遞信號(hào)。三、參數(shù)計(jì)算額定電壓選擇：由上述分析可知該設(shè)計(jì)等下一般只能測(cè)量35kV等級(jí)的電氣設(shè)35kV185kV325k。查資料得對(duì)于高效回路放電回路的電壓利用系數(shù)η一般大于0.8，甚至可達(dá)0.9〔對(duì)于低效回路η0.7~0.80.85.1.3.長期工作時(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)1.1。故沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱電壓應(yīng)不低于：U1=325×1.3×1.1÷0.85=546.8kV產(chǎn)品試驗(yàn)的要求，所以標(biāo)稱電壓取為6kV。沖擊電容選擇：對(duì)35kV等級(jí)的試品〔不及大電容的一些電力變壓器容主要是沖擊電壓發(fā)生器的對(duì)地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容和試品電最大值2500pFC約為3000pF30~60nF2就足夠了。但為了增加放電效果，C1沖擊電容器選擇：查看脈沖電容器的技術(shù)參數(shù)表格，找到MY110-0.2此刻高壓脈沖電容器比較適宜，它的規(guī)格如下：型號(hào)型號(hào)MY110-0.2額定電壓〔千伏〕標(biāo)稱電壓〔微法〕外形尺寸〔毫米〕1100.2Φ635×495〔公斤〕235用此種電容器5級(jí)串聯(lián)，標(biāo)稱電壓可達(dá)550kV，滿足了電壓的要求。沖擊電容C1=1×0.2÷5=0.04μFC1

C1>(10~20)C2，可使沖擊電壓發(fā)生器的電壓利用率不至于很

5×0.495m=2.475m回路選擇：選擇高效回路和倍壓〔全波整流〕充電。沖擊電壓器主要參數(shù)：標(biāo)稱電壓U1=1105=550kVC1=0.04μF1標(biāo)稱能量Wn=C1U2?2=0.04μF×(550kV)2?2=6.05kJ1波前電阻和放電電阻：2500pF3000pFR,R,ε,ηt f從上述分析可列出1.2μs/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形下有RfRt=0.23023×106Ω 2Rt=1596.0?0.069767Rft 為避開兩大數(shù)相減引起的計(jì)算誤差，宜先通過上述兩式求出Rt

最終得放電回路的近似計(jì)算

Rt=1585.87ΩRf=145.18Ωrt=Rt?5=317.17Ωrf=Rf?5=29.04Ω波前時(shí)間Tf=1.2μs=2.33Rf×C1C2?(C1+C2)〔考慮回路電感影響〕=2.33Rf×0.04μF×0.003μF?〔0.04μF+0.003μF〕求出

R=184.55Ωfrf=Rf?5=36.91Ω半峰值時(shí)間Tt=50μs=0.693Rt(C1+C2)=0.693Rt(0.04μF+0.003μF〕求出每級(jí)放電電阻

R=1677.79Ωtrt=Rt?5=335.56Ω不過這里我還是選取了用二元方程計(jì)算出的結(jié)果，即最終取rt=317.17Ω，rf=29.04Ω沖擊電壓發(fā)生器效率：由高效回路的電壓利用效率表達(dá)式得η=C1?〔C1+C2〕=0.04?(0.04+0.003)=0.930充電電阻和保護(hù)電阻選擇：要求C(R+rf)≥(10~20)Crt得R≥20×317.17?29.04=6314.36Ω≈6.65kΩ取R=6.65kΩ110kVrΩ。驗(yàn)證充電電阻取值的合理性：α= rtrt+RR≥〔10~20〕rtα0.05～0.1代入有α=317.17?(317.17+6650)=0.046充電時(shí)間的估算：CrrR。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮倍壓回路t f第一個(gè)回路中的保護(hù)電阻r的作用。則有充電至0.9倍電壓時(shí)0

T =15〔r 〕×nC0充0T ≈15s充實(shí)際上還存在充電回路中C0

T充

20s。變壓器的選擇：試驗(yàn)電壓與安全系數(shù)的取值關(guān)系如下：Vn=50～100kVk=4；Vn=150～300kVk=3；Vn≥300kVk=2；Vn≥1MVk=1k3～4k=4充電回路中變壓器的容量為充充

=4.0×6.05kJ?20s=1.21kVA

Ut=1.1×55?√2≈42.78kV50kV，2kVA。硅堆選擇：考慮到縮短充電時(shí)間，充電變壓器常常提高10%的電壓，因此硅堆的反峰電壓為U =55×1.1+55=115.5kV反峰值〔效值〕來選擇硅堆額定電壓。電流的有效值是大于平均值的。In=1.21kVA?55kV?√2 =0.031A2DL-150/0.05球隙直徑選擇：第一級(jí)球隙承受三電級(jí)球隙〔如上述圖所示的構(gòu)造。查表有Φ250mm40mm112kV，所以選擇Φ250mm6波前電阻和放電電阻阻絲計(jì)算：rt=317.17Ω，rf=29.04Ω，一級(jí)電容儲(chǔ)能為Wc1=0.5×0.2×106 ×110×1032=1.21kJ假設(shè)試品不放電時(shí)能量全部消耗在r中，試品短路放電時(shí)消耗在r中的能量t f[317.17?317.17+29.04]×1.21kJ=1.11kJ承受單線反繞法〔編織電阻〕的無感電阻構(gòu)造。波前電阻的阻值為29.04Ω，電阻絲消耗的能量為1.11kJ。同理，放點(diǎn)電阻阻值為317.17Ω，電阻絲消耗的能量為1.21kJ。沖擊放電的過程很快，電阻絲消耗的能量按絕熱過程考慮，所消量全部轉(zhuǎn)化為電阻絲的溫度上升比照各種電阻材料覺察康銅的更好些，選擇康銅絲。康銅的密度γ為8.9g?cm3，電阻率ρ為0.48×106 Ω?m，比熱容Cm為0.417J?〔g?℃