冲击电压发生器的设计（课程设计）.doc-资料库

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冲击电压发生器的设计（高电压课程设计）专班业：电气工程及其自动化级：设计者：学号：指导老师：评分：华中科技大学电气与电子工程学院 2010 年 3 月 - 1 -

目录目录...........................................................................................................................- 2 - 摘要...........................................................................................................................- 3 - 1. 概述....................................................................................................................- 4 - 2. 设计过程............................................................................................................- 5 - 2.1. 计算标称电压.............................................................................................- 5 - 2.2. 计算冲击电容.............................................................................................- 5 - 2.3. 计算主要参数.............................................................................................- 6 - 2.4. 设计电路.....................................................................................................- 6 - 2.5. 计算波前电阻和波尾电阻.........................................................................- 7 - 2.6. 计算冲击电压发生器效率.........................................................................- 7 - 2.7. 计算充电电阻和保护电阻.........................................................................- 7 - 2.8. 估算充电时间.............................................................................................- 8 - 2.9. 选择变压器.................................................................................................- 8 - 2.10. 选择高压硅堆.............................................................................................- 8 - 2.11. 选择球隙直径.............................................................................................- 9 - 2.12. 计算电阻阻丝.............................................................................................- 9 - 2.13. 设计一次分压器.......................................................................................- 10 - 2.14. 设计二次电阻分压器...............................................................................- 11 - 2.15. 脉冲点火及延时装置的原理及设计.......................................................- 11 - 3. 总结、致谢与期望......................................................................................... - 13 - 3.1. 总结...........................................................................................................- 13 - 3.2. 致谢...........................................................................................................- 13 - 3.3. 期望...........................................................................................................- 13 - 参考文献.................................................................................................................- 14 - - 2 -

摘要本次课程设计要设计出满足以下目标的冲击电压发生器：输出波形为 1.2/50 μs 标准波形，输出电压为 300～800kV，发生器级数为 4～8 级。关键词：冲击电压发生器设计 - 3 -

1. 概述电力系统种的高压电气设备，除了承受长时期的工作电压外，在运行过程种，还可能会承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。一般用冲击高压试验来检验高压电气设备的雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。雷电冲击高压试验采用全波冲击电压波形或截波冲击电压波形，这种冲击电压持续时间较短，约数微秒至数十微秒，它可以由冲击电压发生器产生；操作冲击电压试验采用操作冲击电压波形，其持续时间较长，约数百微秒至数千微秒，它利用变压器产生，也可利用冲击电压发生器产生。许多高电压试验室的冲击电压发生器既可以产生雷电冲击电压波，也可以产生操作冲击电压波。冲击电压发生器是一种产生脉冲被的高电压发生装置。最开始，它只被用于研究电力设备遭受大气过电压 (雷击)时的绝缘性能，近年来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝线性能。所以对冲击电压发生器的要求，不仅能产生出现在电力设备上的雷电被形，还能产生操作过电压被形。冲击电压的破坏作用不仅决定于帕值，还与波形陡度有关。对某些设备要采用截断被来进行试验。 - 4 -

2. 设计过程 2.1. 计算标称电压冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间关系如表 1 所示。表 1 试品额定电压 / kV 35 110 220 330 500 冲击电压发生器标称 0.4～0.6 0.8～1.5 1.8～2.7 电压 / MV 题目要求的输出电压为 300~800kV，根据表 1，可以暂定试品的电压等级为 2.4～3.6 2.7～4.2 66kV。再查得 66kV 设备雷电冲击耐受电压(峰值)表如表 2 所示。表 2 系统标称电压/ kV （有效值）设备最高电压/ kV （有效值）截断雷电冲击耐受电压/ kV （峰值）变压器类设备的内绝缘 66 72.5 385 根据表 2 可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为 385kV，击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数 1.3；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数取 1.1；假定冲击电压发生器的效率为 85%，故冲击电压发生器的标称电压应不低于： U 1  385 1.3 1.1/ 0.85   kV  647 kV 所以可取冲击电压发生器的标称电压为 660kV。 2.2. 计算冲击电容如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，约 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： - 5 -

C 2  (1000 500 600)   pF  2100 pF 如按冲击电容为负荷电容的 10 倍来估计，约需冲击电容为 C 1  10 C 2  21000 pF 从国产脉冲电容器的产品规格中找到 MY110—0.2 瓷壳高压脉冲电容器比较合适，这种电容器的规格如表 3 所示。表 3 型号 MY110—0.2 额定电压标称电容外形尺寸 / kV 110 / µF 0.2 / mm Φ635× 500 重量 / kg 249 外壳瓷壳用此种电容器 6 级串联，标称电压可达到 660kV，满足前述要求，每级一个电容器，使冲击电容： 2.3. 计算主要参数 C  (0.2 / 6) F   0.0333 F  1.标称电压： 1 110 6  U  kV  660 kV 2.冲击电容： 0.0333 C  F 2 1 / 2 0.0333 660 / 2   2 kJ  7.26 kJ 3.标称能量： nW CU  2.4. 设计电路选用高效率回路和倍压充电，如图 1 和图 2 所示。图 1：冲击电压发生器充电回路 - 6 -

图 2：冲击电压发生器放电回路 2.5. 计算波前电阻和波尾电阻试品电容约 1000pF，负荷总电容为 2100pF。由波前时间： T f s  1.2  3.24 f R C C C C /(   1 1 2 ) 2  3.24 fR  0.0333 F   0.0021 F  /(0.0354 F  ) 得 fR  187.5  ，所以每级 r f R f 再由半峰值时间 / 6 31.25   。 T t  50 s   0.693 ( R C C t  1 2 ) 0.693 (0.0333  R t F   0.0021 F  ) 求得 tR  2038  ，每级 r t R t / 6 340   。 2.6. 计算冲击电压发生器效率冲击电压发生器的效率：  C C C 1 / (  1 ) 0.0333 / 0.0354 94%   2 此值比原估计的效率 0.85 高，所以所选电容是合适的。 2.7. 计算充电电阻和保护电阻而对于充电电阻和保护电阻，要求 ( C R r  )  (10  20) Cr t f ，那么 R  (20 340 31.25)     6769  取 R＝10kΩ。每根充电电阻的结构长度应能耐受 110kV 的电压。如取保护电阻 r 为充电电阻 R 的 40 倍，则保护电阻 r 为 400kΩ。 - 7 -

2.8. 估算充电时间因为采用了倍压充电回路，由式 T 充  15( r  8 nR / 2  ) nC  15( r nR nC  ) ，但考虑到电容 C 的另一侧为 tr 及 fr ，它们远小于充电电阻 R。此外还应考虑倍压回路第一个回路中的保护电阻 r 的作用。充电至 0.9 倍电压时， T 充  15( r 0   r nR / 2) nC 。设 0r r ，则计算得 T 充 15 s 。实际上还存在充电回路中 0C 的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T充为 20s 。 2.9. 选择变压器考虑倍压充电回路所需的容量，加大安全系数到 3.0。变压器容量＝3.0 2   / nW T 充  3.0 2 7.26 / 20   kVA  2.175 kVA 变压器电压＝1.1 55  kV / 2  42.78 kV 所以，可选择国产试验变压器，型号为 YD—3/50，其参数如表 4 所示。表 4 型号规格额定容量 / kVA 额定电压 / kV 额定电流 / A YD—3/50 3 2.10. 选择高压硅堆输入 0.22 输出 50 输入 13.63 输出 0.06 为了缩短充电时间，充电变压器应该提高 10％的电压，因此硅堆的反峰电压＝55kV×1.1＋55kV＝116kV。硅堆的额定电流以平均电流计算，实际充电电流是脉动的，充电之初平均电流较大，选择硅堆用的平均电流难以计算。现只有根据充电变压器输出的电流（有效值）来选择硅堆额定电流。电流的有效值是大于平均值的。 nI  2.175 kVA /(55 kV / 2) 0.0495  A 因此，选硅堆的额定电流为 0.05A。 - 8 -

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