华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名**考生学号****系、年级*************类别硕士考试科目高电压测试技术考试日期2012年12 月15 日目录一、设计要求................................................................................. - 1 -二、冲击电压发生器的设计 .......................................................... - 1 -2.1原理分析 (1)2.2、设计回路图 (3)2.3、参数计算 (4)2.3.1、负荷电容，冲击电容的选取以及效率的估算 ....................................- 4 -2.3.2、波头电阻，波尾电阻，充电电阻，保护电阻的选取 ........................- 6 -2.3.3、试验变压器的选择 ................................................................................- 7 -2.3.4、硅堆选择 ................................................................................................- 9 -2.3.5、球隙的选择 ......................................................................................... - 10 -2.3.6、绝缘支撑件的选择 ............................................................................. - 11 -2.3.7、固有电感的估算 ................................................................................. - 11 -三、仿真实验及结果 ................................................................... - 13 -3.1、不考虑杂散参数的仿真 ........................................................................ - 13 -3.2、考虑杂散参数的仿真 ............................................................................ - 14 -3.3、对参数进行改进 .................................................................................... - 17 -四、测量系统设计 ....................................................................... - 18 -4.1分压器选型、参数与结构设计，电缆以及匹配阻抗的选择 (18)4.2考虑高压引线的影响 (21)4.3测量仪器的选择 (21)五、冲击电压发生器以及测量系统的总体结构.......................... - 22 -六、设计小结............................................................................... - 22 -一、设计要求设计一个标称电压为1500KV的冲击电压发生器及其测量系统，并且满足以下要求：1.产生1.2/50us的标准雷电冲击波；2.冲击电压发生器中计算所用元器件的参数，进行结构设计及杂散参数分析；测量系统中的结构设计、参数、分压器选型选取；3.考虑杂散参数的仿真分析及参数改进；二、冲击电压发生器的设计2.1 原理分析电力系统中的电力设备除了要承受正常情况下的工作电压以外，还要考虑在雷电冲击波作用下的承受能力，以应对环境变化所带来的影响。
设备制造厂商在设备出厂前都会对电气设备进行冲击电压试验，因此需要设计冲击电压发生器来对电气设备进行绝缘水平试验。
国际上定义标准雷电冲击电压为±（1.2/50）s ，波形如下图1所示：Y 轴u/Um图1：标准雷电冲击波由以上图形可看出，标准的雷电冲击波是非周期且呈指数衰减。
因此可以用两个指数波形叠加形成。
其电压()u t 可表示为：12()()t t T T u t A e e --=-由于单级冲击电压发生器的最高电压受硅整流器和电容器额定电压的限制，而本次试验要求设计标称电压为1500KV 的冲击电压发生器，因而采用多级冲击电压发生器来实现。
多级冲击电压发生器如下图2所示。
u C 20C 4060C图2 考虑杂散电容的多级冲击电压发生器在图2中，1080~C C 为各级对地的杂散电容。
充电结束时，上面的各级对地杂散电容对地电压为Uo ，下面各级对地杂散电容对地电压为0。
调整各级球隙之间的间隙，使各级球隙的放电电压略大于Uo。
当各级电容充电到Uo时，给点火球隙的针级送去脉冲电压，引起点火球隙放电，于是1点电位变为0电位，2点电位变为-Uo。
由于存在电阻隔离电阻R，将1点与3点隔离开来，因此3点电位不变。
同理4点电位不变，因此F2两端的电压变为2Uo，于是F2放电，3点电位变为-Uo，4点电位变为-2Uo。
以此类推。
对4级冲击电压发生器来说，1～4级球隙在Uo～4Uo电压下击穿，将电容器串联起来放电，球隙F5在4Uo的作用下也瞬时击穿，从而使放电回路导通，在C2上形成高峰值的冲击电压波。
2.2、设计回路图由于受到硅整流器和电容器额定电压的限制，单级冲击电压发生器的最高电压不超过200～300KV。
若取每级冲击电压发生器产生的电压为300KV，则需要5级，但实际中单级冲击电压发生器的最高电压可能达不到300KV。
若取每级冲击电压发生器产生的电压为150KV，则需要10级，但级数越多会导致各级电容器充电不均匀，充电利用系数过低的问题。
因此采用双边充电的冲击电压发生器，分设5级，每级充电电压为300KV，在每级上下臂有两个电容，因此每个电容上分得的电压为150KV。
结构图以及等效图分别如图3、图4所示：图3:双边充电冲击电压发生器充电回路∑Rf图4:放电等效回路（n为级数）2.3、参数计算2.3.1、负荷电容，冲击电容的选取以及效率的估算常见试品的电容量如表1所示：表1：试品电容量一览表不考虑大电力变压器和电缆的情况下，在被试品中互感器的电容最大，选定为1000pF ，冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线以及球隙等的电容估计为500pF ，电容分压器的电容估计为600pF ，则总的负荷电容为：C2=1000+500+600=2100pF又因为12012m C U U C C ≈+，考虑电压利用系数η=0.9时，即： 21012=0.9m U C U C C η≈=+C1=9C2=18900pF=0.0189μF由于上述计算存在误差，为了提高实际电路中的电压利用系数，因此所选的C1远大于C2，故选取扬州华电电气有限公司出产的型号为MWF150-0.65的电容器。
详细参数如下表2：表2：特定型号的电容器参数用上述电容器5级串联，每级由2个电容器串联，标称电压可达1500KV ，满足要求。
用上述规格的电容器时，冲击电容为120.65()0.06590.018952C F F C F μμμ===⨯＞＞用此种电容器5级串联后电压可达1500KV 。
符合要求。
发生器高度约为5*1730mm=8.65m 。
标称能量622110.06510(1500)/273.1252n KV W C U KJ -⨯⨯=== 效率约为:1120.0650.9690.0650.0021C C C η≈==++2.3.2、波头电阻，波尾电阻，充电电阻，保护电阻的选取 波头电阻、波尾电阻的计算：波头时间常数1 1.2T s μ=，又121123.24fC C T R C C =+。
波尾时间常数250T s μ=，又2120.7()t T R C C =+ 。
因此6611212 1.2100.0650.002110182.063.24 3.240.0650.0021f T C C R C C -+⨯+=⨯=⨯⨯=Ω⨯因此每级中每个波头电阻为182.0636.4125f r ==Ω。
62661250101064.510.7()0.7(0.065100.002110)t T R C C ---⨯===Ω+⨯+⨯因此每级中每个波尾电阻为1064.51212.9025t r ==Ω。
充电电阻、保护电阻的选取：充电电阻在电容充电时起隔离作用，但当充电完成后，球隙被击穿后，电容会通过充电电阻进行放电，导致充电电阻上形成压降，使输出电压降低，从而使电压利用系数降低。
因此必须使内部放电的时间常数为外部放电的时间常数的10～20倍。
由图3所示：22f u iR ir =+3duCi dt-= 则内部放电的时间常数为()63f r R C + ，外部放电时间常数为()2f Cr n∑ ，因此：(10~20())()632f f r R CC r n+≥∑ 式中n 为级数。
则: (10~20)61019.536~2111.89623f f C r r R nC ⎡⎤⨯≥⨯-=Ω⎢⎥⎣⎦∑取3R K =Ω，由于是两个电容串联对充电电阻进行放电，因此每根充电电阻的结构长度应能耐受300KV 。
若取保护电阻0R 为充电电阻的50倍，则保护电阻0R 为150 K Ω。
2.3.3、试验变压器的选择由于采用的是对变压器输出电压进行整流后再对电容进行充电，考虑到上臂的电阻R 要比下臂的电阻t f r r +大很多，因此考虑上臂最后一个电容器充满电需要的时间，充电时间:60=15(2)15(253150)50.65108.775t nR R nC k k s -+=⨯⨯⨯Ω+Ω⨯⨯⨯=充考虑实际电路中杂散电容的影响，因此取为10s 。
变压器容量在考虑安全系数为3.0以及倍压充电回路时为：73.1253.02=3.0243.87510n W S kVA T =⨯⨯⨯⨯=充充电变压器高压绕组的电压（有效值）在考虑一定的裕度后的值为：1.1116.67U kV ==所以选用上海神模电气有点公司出产的型号为G -YD50/150的轻型高压试验变压器，详细的参数如下表3：实际图片如下：单相调压器为上海羽顺机电设备制造有限公式出产的型号为TDGC2J 的单相调压器，额定输出电压范围为220V ，输出电压范围为0～250V 。