1、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 请预览后下载！目录一、设计背景和意义3二、冲击电压发生器基本原理41、雷电冲击电压波形42、多级充电电压发生器4三、设计目标6四、设计步骤71）确定冲击电压发生器级数n72）负荷电容C2选择73）冲击电容C1选择84）冲击电压发生器的效率85）波头电阻Rf、波尾电阻Rt选择86）充电电阻R、保护电阻r选择107）充电时间108）变压器选择119）硅堆选择1110）球隙直径选择11五、设
2、计总结与感想12六、附录13七、参考文献17请预览后下载！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
3、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。请预览后下载！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：ut=Ae-tT1-e-tT2式中：T1波尾时间常数， T2波头时间常数，通常T1T2 。2、多级充电电压发生器多级冲击电压发生器的作用原理
4、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请预览后下
5、载！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G1Gn依次在U0nU0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
6、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。请预览后下载！三、设计目标设计一个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）。请预览后下载！四、设计步骤如图，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
7、电容结构，则输出电压的标称值为：Un=4100kV=400kV2）负荷电容C2选择常见试品电容量如表2所示。表2、常见试品电容量试品名称电容值/pF线路绝缘子50高压断路器、电流互感器、电磁式电压互感器50600电容式电压互感器30005000电力变压器100015000电力电缆150400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请预览后下载！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C1选择选择C1时，需考虑
8、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：由于高效回路，Rd0，因此冲击电压发生器高效回路的效率为：=C1C1+C2为使回路效率足够高，一般取C1至少比C2大510倍，现取C1=10C20.02F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。表3、MY110-0.2瓷高压脉冲电容器的规格型号额定电压/kV标称电容/F外形尺寸/mm重量/kg适用范围MY110-0.11100.1635845瓷壳345冲击电压发生器用此种电容器4级串联，标称电压可达440
9、kV，每级电容器为0.1F，使冲击电容C=0.2/4=0.025F10C2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：We=C1U122=0.02540022=2KJ4）冲击电压发生器的效率由上述负荷电容C2和冲击电容C1，计算可得冲击电压发生器的效率为：92.3%满足设计要求。请预览后下载！5）波头电阻Rf、波尾电阻Rt选择高效回路的充电回路利用波头电阻rf和波尾电阻rf构成充放电回路。设计要求产生1.2/50S标准雷电波，已知冲击电容C1，负荷电容C2，可由波头时间和波尾时间，计算波头电阻Rf和波尾电阻Rt。波头时间：由此可得，Rf =191.18，
10、每级rf=Rf/823.90。波尾时间：由此可得，Rt=2662.36，每级rt=332.80。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
11、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，rf =23.90，rt=332.80。每级电容器储能为：1/20.210-6(110103)2=1.21kJ假定试品不放电，则能量全部消耗在rt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rf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223.9=47.8，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2332.80=665
12、6，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，康铜丝密度为8.9g/cm3，电阻率为0.4810-6m，比热容Cm为0.417J/(g)，电阻允许最高温升为150，另电阻丝长度为l/m，直径为d/mm，则可得：电阻，消耗能量，请预览后下载！由此可知，。令R0=2rf=47.8，W=565J，则实际选0.36mm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实际温升为再次令R0=2rt=665.6，W=605J，则实际选0.2mm的电阻丝两根，并按相反方向
13、无感结构并绕，可得其一根丝长度为实际温升为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1020倍。对于高效回路来说，要求C(R+rf)(1020)Crt，可得取R=10k，每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV。取保护电阻r为充电电阻R的50倍，则保护电阻r=5010=500k。请预览后下载！7）充电时间由于回路采用的是冲击电压发生器的高校基本回路
14、其充电时间可直接按简单整流充电计算，由已有公式，充电至0.9倍电压时，T充15ReCe=15r+nR2nC=12.96s实际上还存在充电回路C0的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T充为20s。8）变压器选择依据公式，将变压器的安全系数取为3.0，可得变压器容量变压器电压所以，选择国产试验变压器，型号为YD-10/100，其额定电压为100kV，额定容量为10kVA，可以满足所设计的冲击电压发生器的要求。9）硅堆选择考虑到缩短充电时间，充电变压器经常提高10%的电压，因此硅堆的反峰电压为1101.1+110=231kV。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
15、大，选择硅堆用的平均电流难以计算。现只能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。因此，选硅堆的额定电流为0.05A。选择由两个2DL-150/0.1串联组成每一个整流器。请预览后下载！10）球隙直径选择250mm球隙在间隙距离为40mm时放电电压为112kV，故选250mm铜球9对。五、设计总结与感想通过对高电压课程的学习，又有一项新的知识的大门向我打开，我对各种电介质的绝缘特性，电气设备的绝缘试验以及电力系统过电压与绝缘配合的相关基本理论知识有了初步的了解，同时这些知识的运用在现实生活中也是比比皆是，大到整个电力系统的正常运行，小到关系到我们每个人的
16、建筑物防雷保护。通过这次的课程设计，我可谓是获益良多。在暑假期间我通过查阅图书馆的各种文献资料，浏览网上的相关资料以及请教同学，终于完成了400kv雷电冲击电压发生器的初步设计，虽然设计没有经过实践的检验，但我仍然收获了很多在课堂上学不到的东西。一份设计的完成必须要求设计者拥有一丝不苟的精神，从宏观的把握和各个细节的敲定都必须仔细仔细再仔细。作为一个工科生，我们必须要养成认真，仔细，严肃，扎实的好习惯。请预览后下载！六、附录附录一请预览后下载！附录二球隙放电标准表（最大值：Kv）请预览后下载！距离（cm）球直径（cm）256.251012.5152550751001502000.050.100
17、150.20.250.30.40.50.60.70.80.91.01.21.41.51.61.82.02.22.42.62.83.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.09.0101112131415162.84.76.48.09.611.214.417.420.423.225.828.330.735.138.540.08.09.611.214.317.420.423.426.329.232.037.642.945.548.15357.561.565.56972.575.582.588.514.217.220.223.226.229.131.937.542.945.54
18、8.153.558.563.067.572.076.079.587.595.010110716.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.569.574.579.584.095.010511512313113814415015516.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.570.075.080.085.097.010811912913814615416116817418519516.819.923.026.028.931.737.442.945.548.153.559.064.570
19、075.580.585.598.011012213314315216116917718519820921922931.737.442.945.548.153.559.064.570.075.581.086.099.011212513714916117318419520622624426127528930231432659.064.570.075.581.086.099.011212513815116417718920221423926328630933135337339259.064.570.075.581.086.099.0112125138151164177190203215240265
20、29031533936338741086.099.0112125138151164177190203215241266292318342366390414138151164177190203215241266292318342366390414266292318342366390414请预览后下载！171819202224262830323436384045505560657075808590100110120130140150337347357366411429445460489515540565585605625640665670432453473492530565600635665695
21、72575077580085089593597043846248651055559563567571074578081584587594510101060111011601200123043846248651056061065570074579083587591595510501130121012801340139014401490154015801660173018004384624865105606106607057507958408859309751080118012601340141014801540160016601720184019402020210021802250注：一球接地，
22、大气压力1.013105Pa，温度20，交流电压，负极性冲击电压，正或负极性直流电压条件下的球隙放电标准值。附录三脉冲电容器技术参数型号额定电压/kV标称电容/F外形尺寸/mm重量/kgMY110-0.21100.2635495瓷壳235请预览后下载！MY150-0.651500.65640x300x1890铁壳420MY220-0.12200.1635845瓷壳345MY5-1405140298x135x848铁壳55MY50-3503575x5301035铁壳360MY100-11001715x325x1480铁壳440MY100-0.51000.5640x300x1450铁壳335MY200-0.00062000.0006172680胶纸壳16请预览后下载！七、参考文献1. 林昌福. 高电压工程M. 北京:中国电力出版社, 2011. 2. 华中工学院, 上海交通大学. 高电压实验技术M. 北京:水利电力出版社, 1983.3. 【德】Dieter, Kind原著, 毛锡芝等译. 高电压实验技术M. 上海:上海科学技术文献出版社, 1995.4. 肖如泉. 高电压放电的原理与演示M. 北京:中国水利水电出版社, 2003.5. 周泽存. 高电压技术M. 北京:中国电力出版社, 2007. （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 请预览后下载！
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