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1、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、 理分析二.1 -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1-0 -2.3.6、 绝缘支撑件的选择11-2.3.7、 固有电感的估算1-1 -三、仿真实验及结果 -13 -3.1、
2、 不考虑杂散参数的仿真 43 -3.2、 考虑杂散参数的仿真 44 -3.3、 对参数进行改进1-7 -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
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士（ 1.2/50） s,波形如下图1 所示：u/Um 小由以上图形可看出，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:t tu(t) A(eT1eT2)由于单级冲击电压发生器的最高电压受硅整流器和电容
4、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。UoC10鸟 JFCf1C30 IR 3C50一C707R1F2rdCt F3 ct F4 j F5/rd6rd8R _ R-fC20C40C60C80j_i_图2考虑杂散电容的多级冲击电压发生器在图2中，CioC80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
5、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2U0,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，14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 200300KV。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
6、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：D1D2丁CF6CT urfrt-Lrf图3:双边充电冲击电压发生器充电回路ERfU=2n*Uo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：试品电容量一览表试
7、品冲击入口电容/pFBiO100以下高压断路器，电流互感器及电磁式电压互感 器1001000高压套管50 600电力变压器10002500电缆进线的电力变压器30004500电力电缆（每米）150400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,电容分压器白电容估计为 600pF, 则总的负荷电容为：C2=1000+500+600=2100pF又因为L U。e，考虑电压利用系数RS时，即:U2mCi纲=0.9U0Ci C2C1=9C2=18900pF=0.0189 F由于上述计算存
8、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型号额定电压KV额定电 容(1 F电感nH放电回路参数或放电波 形应用外形尺寸mm长x宽x外壳 Wj /总段JkgMWF150 -0.651500.65250正常工作回 路冲击电压发 生器410X 145 X 1260/1730122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C1 (065) F 0.065 F9C2 0.0189 F 5
9、2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Wn C1U12/2。.65 仆(OKV)2 73.125KJ2效率约为：CiCiC2。650.9690.065 0.00212.3.2、 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T1 1.2 s,又T1 3.24RfC1C2Ci OC2波尾时间常数T2 50 s,又 T2 0.7Rt(C1 C2)因此R 工 C1 C2 1.2 10 6 0.065 0.0021 f 3.24C1C23.240.065 0.0021106182.06因此每级中
10、每个波头电阻为rf 182理36.412 。Rt550 10 60.7(C1 C2) 0.7(0.065 10 6 0.0021 10 6)1064.51因此每级中每个波尾电阻为 屿包212.902 。5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1020倍。由图3所示：2u iR 2irfCdu 3idt则内部放电的时间常数为C(-匚)，外部放电时间常数为-(rf), 632n因此：R rfCC( -)
11、 (10-20)( rf) 6 32n式中n为级数。则:(10-20)Crf rfR 6 -1019.5362111.8962nC3取R 3K ,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R。为充电电阻的 50倍，则保护电阻R。为150 K。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rt rf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：一 一 一 一一一一一一 一 6一t充=15(2nR R)nC 15 (2 5 3k 150k ) 5
12、0.65 108.775s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：S 3.0 2 她=3.0 2 73.125 43.875kVAT充10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:1.1150J2116.67kV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:表3:试验变压器型号型号容量(KVA)高压电压（KV）高压电流（MA）低压输入电压V电流AG-YD50/15050150333380132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
13、TDGC2J勺单相调压器，额定输出电压范围为 220V,输出电压范围为 0250V。具体参数如下表4;表4:调压器参数规格型号产品尺寸（cm）重量（kg）包装尺寸（cm）台装TDGC2J2KVA21*25*2311.825*50*442图片如下；2.3.4、 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150 1.1 150 315KV。硅堆的额定电流以平均电流计算。实际充电电流时脉动的，充电之平均电流较大。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。变压器的输出电流为：IT 一500.47A150 / . 2因此，选硅堆的额定电流为 0.5A。选择由鞍山雷盛电子有限公司 出产的型号为2CL400KV/500mAi勺高压硅堆。实际图形如右：具体参数如下表5:表5:高压硅堆参数型号反向重复峰值电压KV正向平均整流电流mA取大正向浪涌电流A取大正向峰值电压V最大直流反向电流ATa=25CTa=100C2CL400KV/500mA4005002542010752.3.5、球隙的选
