电气与电子工程学院《高电压》课程设计（400kv冲击电压发生器的设计）姓名：学号：U201311848专业班号：电气1303班评阅人：指导教师：刘毅日期：2016.08.15目录一、设计背景和意义 (3)二、冲击电压发生器基本原理 (4)1、雷电冲击电压波形 (4)2、多级充电电压发生器 (4)三、设计目标 (6)四、设计步骤 (7)1）确定冲击电压发生器级数n (7)2）负荷电容C2选择 (7)3）冲击电容C1选择 (8)4）冲击电压发生器的效率 (8)5）波头电阻R f、波尾电阻R t选择 (8)6）充电电阻R、保护电阻r选择 (10)7）充电时间 (10)8）变压器选择 (11)9）硅堆选择 (11)10）球隙直径选择 (11)五、设计总结与感想 (12)六、附录 (13)七、参考文献 (17)一、设计背景和意义电力系统中的高压电气设备在运行过程中可能会承受短时间的雷电冲击电压和操作过电压的作用。

冲击电压实验就是用来检测各种高压电气设备在雷电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。

雷电冲击电压实验采用全波冲击电压波形或者截波冲击电压波形，其持续时间较短，约数微秒至数十微秒。

其中雷电冲击电压波形由冲击电压发生器产生，而操作冲击电压波可以利用冲击电压发生器产生，也可以利用变压器产生。

因此，很多高压实验室的冲击电压发生器既可以用来产生雷电冲击电压波，也可以用来产生操作冲击电压波。

在此重点讨论雷电冲击电压发生器的设计。

随着超高压输电工程的发展，冲击电压发生器已成为各高压实验室的重要实验设备之一。

其电压和容量不断提高。

可以相信，在超高压输电的工程的发展过程中，必将对冲击电压实验技术提出更高的要求。

二、冲击电压发生器基本原理1、雷电冲击电压波形多级冲击电压发生器的作用原理可以简单地概括为多级电容器并联充电，然后自动串联放电，形成幅值很高的冲击电压波。

雷电冲击电压波形分为全波和截波两种。

全波是具有一定极性的非周期性脉冲电压波，这种非周期性的冲击电压波可以用双指数函数表示：u(t)=A(e−tT1−e−tT2)式中：T1——波尾时间常数，T2——波头时间常数，通常T1≫T2。

2、多级充电电压发生器多级冲击电压发生器的作用原理可以简单地概括为多级电容器并联充电，然后自动串联放电，形成幅值很高的冲击电压波。

如图为一种简单的多级冲击电压发生器的电路图：其工作原理为:C10-C20为各级对地的杂散电容。

在充电过程结束时,上面一排杂散电容C10、C30、C50和C70充电到+U0电压,1、3、5、7各点对地电位皆为+U0,而下面一排杂散电容C20、C40、C60和C80未充电,2、4、6、8各点电位为零。

当各级电容器C充电到U0电压时,第一级间隙G1首先击穿,1点电位瞬时从+U0下降到零,2点电位瞬时从零下降到-U0。

由于1、3点之间和2、4点之间存在着充电电阻R杂散电容C30来不及放电,在G1击穿瞬间仍使3点维持原来的+U0电位。

于是,在G1击穿瞬间,球隙G2承受的电压由原来的U0突然上升到2U0,从而导致G2击穿。

G2击穿后,3点电位瞬时从+U0下降到-U0,4点电位瞬时下降到-2U0,而5点和6点仍然维持原来的电位+U0和零电位。

于是在G1和G2击穿瞬间,球隙3承受的电压由原来的U0突然上升到3U0,从而导致G3击穿。

依此类推,球隙G1—Gn依次在U0—nU0电压作用下击穿将全部电容器串联起来。

为了防止各级固有电感和杂散电容可能产生的寄生振荡，在各级球隙中串入阻尼电阻r，阻值约数十欧姆。

足够的充电电阻R和对地杂散电容是形成球间隙过电压的必要条件。

增加充电电阻和对地杂散电容不仅能增加球间隙的过电压，而且还能延长过电压的持续时间，这对于提高球间隙动作的可靠性是有利的。

而阻尼电阻和球间隙电容使球间隙的过电压降低，不利于球间隙的可靠动作。

实际的冲击电压发生器，波头电阻和波尾电阻常分散到各级中去，这样，既可以起到阻尼电阻的作用，又可以起到充电电阻的作用。

设计一个400kv雷电冲击电压发生器，输出波形为1.2/50标准雷电波，要求进行电阻设计（线径，材料等），充电回路设计（升压变压器，硅堆，电阻等）。

如图，为冲击电压发生器的等效电路图，依此电路图进行设计：1）确定冲击电压发生器级数n要求冲击电压发生器的标称电压为400kv，可选取4级电容结构，则输出电压的标称值为：U n=4×100kV=400kV2）负荷电容C2选择常见试品电容量如表2所示。

如不考虑电容式电压互感器试验和整卷电缆试验，可取试品电容量为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：C2=1000pF+500pF+600pF=2100pF3）冲击电容C 1选择选择C1时，需考虑冲击电压发生器的回路效率。

冲击电压发生器回路效率近似可表达为：112()()tt d R C C C R R η⎡⎤⎡⎤≈++⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦由于高效回路，Rd ≈0，因此冲击电压发生器高效回路的效率为：η=C 1C 1+C 2为使回路效率足够高，一般取C 1至少比C 2大5—10倍，现取C 1=10C 2≈0.02μF由上述可知，从脉冲电容器技术参数表中找到MY110-0.2瓷壳高脉冲电容器比较适合，用此种电容器四个串联可以达到440kv 标称电压，满足要求。

这种电容器的规格如表3所示。

用此种电容器4级串联，标称电压可达440kV ，每级电容器为0.1μF ，使冲击电容C=0.2/4=0.025μF>10C 2这样可使冲击电压发生器的效率较高。

依据整定的标称电压和冲击电容，计算可得标称能量为：W e =C 1×U 122=0.025×40022=2KJ 4）冲击电压发生器的效率由上述负荷电容C 2和冲击电容C 1，计算可得冲击电压发生器的效率为：92.3%满足设计要求。

5）波头电阻R f 、波尾电阻R t 选择高效回路的充电回路利用波头电阻r f 和波尾电阻r f 构成充放电回路。

设计要求产生1.2/50μS 标准雷电波，已知冲击电容C 1，负荷电容C 2，可由波头时间和波尾时间，计算波头电阻R f 和波尾电阻R t 。

波头时间：312120.0250.00211.2 3.24/() 3.24 6.277100.0250.0021f f f f T S R C C C C R R Sμμ-⨯==+=⨯=⨯+由此可得，R f =191.18Ω，每级r f =R f /8≈23.90Ω。

波尾时间：12500.693()0.693(0.0250.0021)0.019t t t t T S R C C R R Sμμ==+=+=由此可得，R t =2662.36Ω，每级r t =332.80Ω。

波头电阻和波尾电阻丝的选择：冲击电压发生器中的阻尼电阻，波头电阻和波尾电阻都与波形有关，要求电感小、热容量大、稳定性高。

现在都用电阻丝按无感绕法做成。

要求电阻材料的电阻系数比较大，温度系数比较小。

由于冲击电压发生器放电时间很短，故冲击放电时电阻上的温升按绝热过程来考虑。

当进行全波冲击电压实验时，试品不放电时，冲击电压发生器的全部能量都消耗在波尾电阻中（阻尼电阻阻值很小可以略去不计时），使之发热而不考虑散热。

一般从绝缘材料考虑取电阻的允许温升为150℃，再结合所需阻值一起来决定电阻丝的长度和直径。

当试品放电在波头期间时，冲击电压发生器的全部能量消耗在波尾电阻和波前电阻中，此时波头电阻和波尾电阻是并联关系，在计算波头电阻的温升时，应去除波尾电阻中消耗的能量。

有上述可知，r f =23.90Ω，r t =332.80Ω。

每级电容器储能为：1/2×0.2×10−6×(110×103)2=1.21kJ假定试品不放电，则能量全部消耗在r t 中；若试品短路放电，则[332.8/(332.8+23.90)]×1.21=1.13kJ 的能量消耗在r f 中。

如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波头电阻的每股阻值为2×23.9=47.8Ω，每股电阻丝消耗的能量为1.13/2=0.565kJ 。

同样情况，波尾电阻的每股丝的阻值为2×332.80=665.6Ω，每股电阻丝消耗的能量为1.21/2=0.605kJ 。

冲击放电过程很快，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的温度升高。

如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝密度ν为8.9g/cm3，电阻率ρ为0.48×10-6Ω·m ，比热容Cm 为0.417J/(g ·℃)，电阻允许最高温升θ为150℃，另电阻丝长度为l/m ，直径为d/mm ，则可得：电阻)/(420d l R πρ=，消耗能量4/2θπνm C d l W ⨯⨯=，由此可知，410)]/()[/2(θνρπm C R W d =。

令R 0=2r f =47.8Ω，W=565J ，则mmC R W d m 358.0)]150417.08.479.8/(48.0565)[/2()]/()[/2(41410=⨯⨯⨯⨯==πθνρπ实际选φ0.36mm 的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为220/(4)47.8(0.36)/(40.48)10.1410.2l R d m mπρπ==⨯⨯⨯=≈实际温升为224/()4565/(8.910.20.360.417)146.63150m W l d C C C θυππ==⨯⨯⨯⨯⨯=< 再次令R 0=2r t =665.6Ω，W=605J ， 则mmC R W d m 189.0)]150417.06.6659.8/(48.0605)[/2()]/()[/2(41410=⨯⨯⨯⨯==πθνρπ实际选φ0.2mm 的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为220/(4)665.6(0.2)/(40.48)43.5643.6l R d m mπρπ==⨯⨯⨯=≈实际温升为224/()4605/(8.943.60.20.417)119.01150m W l d C C C θυππ==⨯⨯⨯⨯⨯=<所选用的康铜丝两根并联，并按相反方向绕在绝缘棒上，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 电压。

6）充电电阻R 、保护电阻r 选择对于冲击电压发生器来说，球隙动作后流经充电电阻的放电电流将降低输出电压，为了不降低发生器的电压利用率，必须使内部放电的时间常数为外部放电时间常数的10~20倍。

对于高效回路来说，要求C(R +r f )≥(10~20)Cr t ，可得20332.833.236622.77R ≥⨯-=Ω取R=10k Ω，每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV 。