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文檔簡介
1、沖擊電壓發生器高電壓工程課程設計一、課程設計要求:畫出沖擊電壓發生器的總體結構布置圖 (含接地系統設計),各主要部件或器件的型號、參數,絕緣距離與凈空 (空間布置),各參數之間的匹配關系,波形測量系統等。對沖擊電壓發生器設計的要求為:1. 高效回路2. 最大輸出電壓 300800kV3. 級數 3級以上4. 電阻(含線徑和材料)5. 球隙大小和距離6. 輸出波形 1.2/50波形7. 測量裝置(充電、放電)8. 測量裝置抗干擾措施9. 充電電源(各器件參數)10. 本體、分壓器、電源、測量系統11. 絕緣材料、絕緣距離選取12. 觸發器13. 容性試品二、沖擊電壓發生器的功用及原理沖擊電壓發生
2、器是一種產生脈沖波的高電壓發生裝置。原先它只被用于研究電力設備遭受大氣過電壓(雷擊)時的絕緣性能,近年來又被用于研究電力設備遭受操作過電壓時的絕緣性能。所以對沖擊電壓發生器的要求,不僅能產生出現在電力設備上的雷電波形,還能產生操作過電壓波形。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值,還與波形陡度有關,對某些設備要采用截斷波來進行試驗。沖擊電壓發生器要滿足兩個要求:首先要能輸出幾十萬到幾百萬伏的電壓,同時這電壓要具有一定的波形。它的原理圖如圖2。 實驗變壓器T和高壓硅堆D構成整流電源,經過保護電阻r及充電電阻R向主電容器C1 C4 充電,充電到U,出現在球隙g1g4上的電位差也為U,若事先把球間隙距離調
3、到稍大于U,球隙不會放電。當需要使沖擊機動作時,可向點火球隙的針極送去一脈沖電壓,針極和球皮只見產生一小火花,引起點火球隙放電,于是電容器C1的上極板經g1接地,點1電位由地電位變為-U。電容器C1與C2間有充電電阻R隔開,R比較大,在g1放電瞬間,點2和點3電位不可能突然改變,點3電位仍為+U,中間球隙g2上的電位差突然升到2U,g2馬上放電,于是點2電位變為-2U。同理,g3,g4也跟著放電,電容器C1C4串聯起來了,最后球隙g0也放電,此時輸出電壓為C1C4上電壓的總和,即-4U。上述一系列過程可被概括為“電容器并聯充電,而后串聯放電”三、設計內容(1) 高效回路選用高效率回路和倍壓充電
4、,回路如下圖所示圖1 發生器的充電回路圖2 發生器的放電回路由后面步驟(3)知:沖擊電壓發生器的效率:,為高效回路。(2) 最大輸出電壓 300800kV試品電壓等級的確定:表1.沖擊電壓發生器標稱電壓與被測試設備額定電壓間關系試品額定電壓 / kV35110220330500沖擊電壓發生器標稱電壓 / MV0.40.60.81.51.82.72.43.62.74.2要求的輸出電壓為300800kV,根據上表,可以暫定試品的電壓等級為66kV。根據66kV設備雷電沖擊耐受電壓(峰值)表,可知變壓器類設備的內絕緣的耐受電壓最高,為385kV,擊穿電壓和閃絡電壓都高于試驗電壓,考慮為研究試驗取裕度
5、系數1.3;長期工作時沖擊電壓發生器會發生絕緣老化,考慮老化系數取1.1;假定沖擊電壓發生器的效率為85%,故沖擊電壓發生器的標稱電壓應不低于:所以可取沖擊電壓發生器的標稱電壓為660kV。(3) 級數3級以上沖擊電容的選定如不考慮大電力變壓器試驗和整卷電纜試驗,就數互感器的電容較大,約1000pF,沖擊電壓發生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容如估計為500pF,電容分壓器的電容如估計為600pF,則總的負荷電容為 如按沖擊電容為負荷電容的10倍來估計,約需沖擊電容為 從國產脈沖電容器的產品規格中找到MY1100.2瓷殼高壓脈沖電容器比較合適,這種電容器的規格如表2所示。表2. MY1
6、100.2瓷殼高壓脈沖電容器的規格型號額定電壓 / kV標稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY1100.21100.2635×500249瓷殼用此種電容器6級串聯,標稱電壓可達到660kV,滿足前述要求,每級一個電容器,使沖擊電容 因此,本實驗選取6級。(4) 電阻(含線徑和材料)l 大小計算a) 波前電阻和波尾電阻試品電容約1000pF,負荷總電容為2100pF,波前等效回路圖3. 波前等效回路所以波前時間 求出,每級。半峰值等效回路圖4. 半峰值等效回路故半峰值時間 求出,每級。b) 充電電阻和保護電阻的選擇:要求 ,得: 取R10k。每根充電電阻的
7、結構長度應能耐受110kV的電壓。如取保護電阻r為充電電阻R的40倍,則保護電阻r為400k。l 線徑和材料 已知,一級電容器儲能為:。假定試品不放電時能量全部消耗在中,試品短路放電時的能量340/(34031.25)kJ,即1.11kJ消耗在中。如采用雙股相反繞的無感電阻結構,則波前電阻的每股阻值為2×31.25即62.5。每股電阻絲消耗的能量為1.11/2kJ即550J。同樣情況,波尾電阻每股阻絲的阻值為2×340即680,每股電阻絲消耗的能量為1.21/2kJ即605J。沖擊放電的過程很快,電阻絲消耗的能量可按絕熱過程考慮,所消耗的能量全部轉變為電阻絲溫度的升高。如所
8、采用的電阻絲為康銅絲,康銅絲的密度為,電阻率為,比熱容為,電阻允許最高溫升為150。令電阻絲長度為l/m,直徑為d/mm,則可得 (1)而消耗的能量 (2)將式(1)和式(2)消去l,得電阻絲的直徑為 (3)首先令,最后,由式(3)得 實際選0.35mm的電阻絲兩根,并按相反方向并繞。由式(1)得其中一根阻絲的長度為 實際溫升可由式(2)得 再次令,代入式(3)得電阻絲的直徑為,實際選0.20mm的電阻絲按相反方向并繞。可算得一根電阻絲的長度l為44.5m,實際溫升為116.6。用所選康銅絲兩根并聯,并按相反方向繞到絕緣棒上,要求匝間距離盡可能小。電阻棒的長度應使兩端間能耐受110kV的電壓。
9、(5) 球隙大小和距離查高電壓工程附表11球隙放電標準表得:在間隙距離為4.5cm時10cm球隙的放電電壓為115kV,故選10cm銅球,一共7對。(6) 輸出波形 1.2/50波形在第(4)步已根據此條件求出電阻。(7) 測量裝置(充電、放電)l 充電測量裝置 采用電容分壓器分壓,使用如圖3示測量回路。同軸電纜輸出端電壓設為2kV,然后經電阻分壓器二次分壓,把信號電壓輸入示波器。考慮二次分壓用的電阻分壓器阻值很大,其阻抗效應可忽略。圖5 同軸電纜兩端匹配的測量回路高壓臂電容選國產MY5000.00012脈沖電容器較合適,其參數如表3。表3. MY5000.00012脈沖電容器的規格型號額定電
10、壓 / kV標稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY5000.000125000.00012182×115528.2膠紙殼用此種電容器三個并聯,使高壓臂 由于設同軸電纜輸出端電壓幅值為2kV,故分壓比 K=660/2=330。 求出。用MY800.03脈沖電容器組成低壓臂,其參數如表6。表4. MY800.03脈沖電容器的規格型號額定電壓 / kV標稱電容 / µF外形尺寸 / mm重量 / kg外殼MY800.03800.03220×45519.7膠紙殼用此種電容器兩級串聯,使分壓器額定電壓可達(50080×2)kV660k
11、V,可用于測量沖擊電壓。每級由4個電容器并聯,使低壓臂電容 故分壓器的實際分壓比為 即同軸電纜輸出端電壓 l 放電測量裝置采用電阻分壓裝置高壓臂取,低壓臂,則分壓比 最終輸入示波器的電壓幅值為(1968/101)V19.5V.(8) 測量裝置抗干擾措施1. 防止空間電磁波輻射引起的干擾1) 把測試儀器裝置放在全金屬屏蔽室內。此室用銅制成,室的門邊緣應該有密閉措施。儀器在調試時,可以開門通風散熱,在測壓的一瞬間把門關上。2) 分壓器的低壓臂應裝入接地的金屬屏蔽盒中。3) 信號電纜采用雙屏蔽電纜。電纜的兩端均要用同軸插頭與分壓器和測試儀器相接。進入全金屬屏蔽室時,也要用同軸插頭。2. 減小由電源線
12、引入的電磁干擾1) 測量儀器通過1:1隔離變壓器供電。盡管隔離變壓器二次側繞組外繞有屏蔽層,并與屏蔽室相連接,但屏蔽不可能是完全的,一、二次側繞組間有電容耦合,高頻電磁干擾波可通過隔離變壓器進入測量儀器。2) DOS等測量儀器需要經射頻濾波器接入電源,濾波器的濾波頻率應從幾千赫茲到幾十兆赫茲。3) 測量儀器采用不間斷電源供電。在測試的瞬間斷開交流電源。3. 減小由信號電纜引入的電磁干擾1) 分壓器有良好的接地。2) 采用雙層屏蔽的同軸射頻電纜,電纜的內外層屏蔽及電纜末端外層屏蔽接地。3) 把上述同軸電纜套在金屬管道內,管道兩端都接地。4) 由分壓器到測量儀器敷設寬帶較大的金屬板作為接地連線。測
13、量電纜應該沿此接地連線緊靠地面敷設,使電纜外皮與接地連線構成的回路面積盡量減小。5) 電纜外層屏蔽應多點接地。相距1m的多點接地有利于把外層屏蔽上的電流散入大地。6) 在電纜上加設共模抑制器,辦法是將電纜多匝地繞在鐵氧體磁芯環上。7) 采用光導纖維傳遞信號。(9) 充電電源(各器件參數)主要構成如圖1。其主要器件就是變壓器和高壓硅堆。l 變壓器選擇:考慮倍壓充電回路所需的容量,加大安全系數到3.0。變壓器容量變壓器電壓所以,可選擇國產試驗變壓器,型號為YD3/50,其參數如下表。表5. YD3/50試驗變壓器的參數型號規格額定容量 / kVA額定電壓 / kV額定電流 / A輸入輸出輸入輸出Y
14、D3/5030.225013.630.06l 高壓硅堆選擇:為了縮短充電時間,充電變壓器應該提高10的電壓,因此硅堆的反峰電壓55kV×1.155kV116kV。硅堆的額定電流以平均電流計算,實際充電電流是脈動的,充電之初平均電流較大,選擇硅堆用的平均電流難以計算。現只有根據充電變壓器輸出的電流(有效值)來選擇硅堆額定電流。電流的有效值是大于平均值的。 因此,選硅堆的額定電流為0.05A。選擇2DL150/0.05高壓硅堆。(10) 本體、分壓器、電源、測量系統 總體結構布置圖如下:圖6.總體結構布置圖(11) 絕緣材料、絕緣距離選取絕緣支架:為了合理利用高壓試驗大廳的尺寸和進行戶外
15、試驗,沖擊電壓發生器采用戶內移動式,采用氣墊移動。由于移動式對絕緣支架有一定要求,所以選用環氧筒作為絕緣支架。電極材料可以用薄金屬板或涂有金屬膜的薄玻璃纖維板。移動裝置采用氣墊式,要求載重為10t,高度不超過1m。絕緣支柱采用環氧筒,直徑20cm,高度0.9m,發生器的高度5×0.9×+1+1=7.5m。上述裝配需要一個接地電阻小于1的接地點。(12) 觸發器采用雙邊異極性同步觸發脈沖來觸發,如下圖:圖7. 觸發裝置電路圖(13) 容性試品第(2)步已算出,所選容性試品的電壓等級為66kV,試品電容為1000pf。(14) 設想:外加分壓器如果在沖擊發生器后面加一個可調分壓器(由滑動變阻器構成),而初始設計沖擊電壓為800kV,那么300kV-800kV的所有沖擊電壓是不是都可以模擬出來?這只是我個人的猜想。三、設計總結剛開始做這個沖擊電壓發生器,以為只要把發生器電路畫出來,在計算一下各元件參數就行了,哪知道真做起來,還要考慮很多問題,例如各元件的具體型號參數、絕緣距離等等。直到上網查了很多資料,甚至還有一些廠家的沖擊電壓發生器的原理圖及介紹,才勉強按要求做完,不足之處,還請老師見諒。在做這個設計中,我有一個想法,如果設計一個可調節沖擊電壓的裝置,例如在發生器末尾加一個沖擊分壓器,那所設計的沖擊電壓發生器的電壓就是可調的,所能夠進行
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