1、目錄課程設(shè)計要求.3設(shè)計原理.4沖擊電壓發(fā)生器本體輸出波形與高效回路輸出電壓與級數(shù)充電放電回路沖擊電容器充電電阻保護電阻球間隙放電回路數(shù)學分析充電回路數(shù)學分析點火裝置整流充電電源系統(tǒng)原理整流回路變壓器容量高壓硅整流器沖擊電壓測量系統(tǒng)原理沖擊分壓器與引線高壓臂低壓臂同軸電纜的接入及對分壓比的影響電纜損耗的影響與末端的匹配 衰減 波阻的變化對分壓比和匹配的影響高壓引線的影響示波器抗干擾措施參數(shù)計算.11參考資料.15一、課程設(shè)計要求：畫出沖擊電壓發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)布置圖 (含接地系統(tǒng)設(shè)計)，各主要部件或器件的型號、參數(shù)，絕緣距離與凈空 (空間布置)，各參數(shù)之間的匹配關(guān)系，波形測量系統(tǒng)等。對沖擊電壓發(fā)

2、生器設(shè)計的要求為：（1） 高效回路（2） 最大輸出電壓 300800kV（3） 級數(shù) 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(shù)）（10） 本體、分壓器、電源、測量系統(tǒng)（11） 絕緣材料、絕緣距離選?。?2） 觸發(fā)器（13） 容性試品二、設(shè)計原理：一、沖擊電壓發(fā)生器本體沖擊電壓發(fā)生器是產(chǎn)生沖擊電壓和操作沖擊電壓的一種發(fā)生裝置。產(chǎn)生的沖擊電壓可供絕緣的沖擊耐壓或放電試驗用。1） 輸出波形與高效回路：首先從單極沖擊電壓發(fā)生器的具體性質(zhì)來分析：為了產(chǎn)生1.2/50標準

3、雷電沖擊波形可用的電路有如下的選擇： (c)可產(chǎn)生雷電波形的電路由電路理論的基礎(chǔ)知識可以推導(dǎo)出三個電路的電源的電壓在輸出端的利用率，他們分別為：a) 低效回路b) 效率介于(a)和(c)之間c) 高效回路 由于該設(shè)計要求電路為高效回路，所以選擇電路（C）。即簡化后的電路為：單擊高效回路電路圖而對于多級沖擊電壓發(fā)生器一般的設(shè)計如下：簡單的多級沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護電阻;R充電電阻;R1波頭電阻;R2波尾電阻;C主電容;C2波頭電容;G1G4球間隙這種多級沖擊電壓發(fā)生器采用的是波前電阻和放點電阻集中放置的方式。在這種電路中常常為了防止雜散電感和對地分布的雜散電容引起高頻振蕩（為了避免沖擊

4、波前波形不光滑）在電路中分布放置了阻尼電阻rd,一般為525。若級數(shù)為n，則阻尼電阻的串聯(lián)總值nrd稱為Rd。Rd也起著調(diào)節(jié)波前時間的作用，但在放電時，它與R2會造成分壓，使輸出的電壓降低。所以有如下多級高效率沖擊電壓發(fā)生器。所以選擇如上的高效回路。多級高效率沖擊電壓發(fā)生器電路圖圖中Ro保護電阻;R充電電阻;rt放電電阻;rf波前電阻; C2波頭電容;G1G4球間隙在這種設(shè)計中，分布放置的波前電阻rf兼起著阻尼電阻的作用，所以輸出的電壓相對較高，為高效回路。2） 輸出電壓與級數(shù)：由于設(shè)計的要求是最大輸出電壓在300800kV間，級數(shù)3級以上，且試品為容性的，由沖擊電壓發(fā)生器的額定電壓與被試電力

5、設(shè)備的標稱電壓之間的大致關(guān)系（如下表），可得試品應(yīng)為35kV等級的電氣設(shè)備。被試電力設(shè)備標稱電壓（千伏）沖擊電壓發(fā)生器額定電壓（兆伏）350.40.61100.81.52201.82.73302.43.65002.74.27503.66.0（表中的下限值滿足型式試驗要求，上限值供研究實驗用）3） 充電放電回路：a) 沖擊電容器對于沖擊電壓器最好采用專用的電感小的脈沖電容器。脈沖電容器一般分為膠紙筒、瓷套和金屬殼幾種型式。膠紙筒電容器很少用于大型沖擊電壓發(fā)生器，它體型細長，機械強度差（不便于采用柱式發(fā)生器結(jié)構(gòu)），需要另立絕緣支架。另外，這種電力電容器可貯存的能量不大，絕緣也容易受潮等特點。金屬殼

6、電容器的電壓和容量都能做得很大，大型沖擊電壓發(fā)生器都采用這種電力電容器。瓷殼電容器具有很高的機械強度和良好的絕緣性能，很適用于柱式發(fā)生器結(jié)構(gòu)。但其能量也不能做得太大，所以這種結(jié)構(gòu)多用于2兆伏以下的中型電壓發(fā)生器。綜合設(shè)計的電壓等級選擇瓷殼電容器就能達到理想的效果。b) 充電電阻保護電阻充電電阻充電電阻是為了使各級球隙能在足夠的沖擊過電壓作用下可靠動作而在各級電容器之間連入的。充電電阻不僅影響沖擊電壓發(fā)生器的充電過程，而且也影響沖擊電壓發(fā)生器的放電過程。沖擊電壓發(fā)生器高效回路的等值放電回路從高效回路的等值放電回路可以看出，充電電阻nR與波頭電阻nrf串聯(lián)分壓，致使充電電阻既減少了波長時間，又減低

7、了放電回路的利用系數(shù)?？紤]到充電電阻的影響，分析可知每一級的波尾電阻減少到RtrtRrt+R=rt(1-)=rtrt+R為了減少充電電阻對波形的影響，系數(shù)限制在0.050.1的范圍內(nèi)較好。 同時，為了避免充電電阻的電阻過分的影響放電回路的利用系數(shù)，R應(yīng)該比rf大1020倍。但是充電電阻并不是取的過大過小都是不好的。過大則延長充電時間，增加各級電容器的不均性；過小則各級球隙間動作不可靠，沖擊電壓波長時間減小，放電回路利用系數(shù)減低。保護電阻保護電阻一般為幾百千歐。同時為了使電容器上充電比較均勻，一般選擇保護電阻r的阻值比R大一個數(shù)量等級，這樣保護電阻不僅起保護整流裝置的作用，還起均壓的作用。c)

8、球間隙沖擊點發(fā)生器的球隙采用空心銅球或鋁球。球徑和最大球間隙距離應(yīng)與最大沖擊電壓相對應(yīng)。可由球間隙放電標準表查得。 所有球間隙由一電動傳動機構(gòu)統(tǒng)一驅(qū)動，球間隙距離應(yīng)能均勻調(diào)節(jié)。為了確保沖擊電壓發(fā)生器各級球間隙可靠動作，各級球間隙的距離應(yīng)配合得當。在布置各球間隙時，應(yīng)能使前一級球間隙放電時的紫外線能照射到下一級球間隙。沖擊電壓發(fā)生器的第一級球間隙常用三電級間隙。 提高球間隙工作可靠性的幾種方法如下：1. 采用多級球隙2. 改進多級沖擊發(fā)生器的線路3. 各級都采用三電極間隙4. 各級間隙采用激光照射d) 放電回路數(shù)學分析本回路的分析 放電電路等效回路上圖為沖擊電壓發(fā)生器的放點電路的等效圖，對于高效

9、回路，只要令Rd=0即可。由電路理論的知識我們可以得到如下式子U2s=U1d(s2+as+b)式中 a=bC1Rd+Rt+C2(Rt+Rf) b=1C1C2(RdRf+RdRt+RfRt) d=RtC1b上式經(jīng)過反變換有u2t=U1exps1t-exp(s2t)式中稱為回路系數(shù)，其大小與所采用的回路參數(shù)值有關(guān)。再由根與系數(shù)的關(guān)系可得出s1,s2的表達式。查表：tf(微秒)tt(微秒)tM(微秒)T1(微秒)T2(微秒)H(微秒2)(微秒)01.2502.08968.50.40427.668.90.9641tf視在波頭時間；tt視在波尾時間；tM理論波頭時間；T1波尾時間常數(shù)；T2波頭時間常數(shù)；

10、H=T1T2；=T1T2；0波形系數(shù)還查得s1=-0.014659;s2=-2.4689.若輸出電壓u2的峰值設(shè)為單位值，則標準雷電沖擊波可用下式表示u2t=1.03725exp-0.014659t-exp(-2.4689t)式中t的單位為s，等號右邊的系數(shù)為10e) 充電回路數(shù)學分析當回路是由整流電壓充電時，它的充電時間比直流電壓充電慢得多。若直流電壓充電到Uc/Um=0.9，需要充電時間t充=2.3RC；若用整流電壓充電到Uc/Um=0.9則需要充電時間t充=15RC。則對多級充電回路的簡化電路有t充=15r+8nR2nC15(r+nR)nC4） 點火裝置：三電級球隙結(jié)構(gòu)1-銅球；2-端端

11、部有孔的銅球；3-鎢電極；4-瓷、膠木等絕緣材料 發(fā)生器的點火觸發(fā)是通過觸發(fā)最下一級的球隙使之放電而完成的。因此最下一級的球隙被設(shè)計成三間隙結(jié)構(gòu)。觸發(fā)脈沖是由一個高電平，快速變化的脈沖電壓。它是由點火脈沖放大器產(chǎn)生的。一個用于檢測發(fā)生器點火的脈沖的耦合電容安裝在發(fā)生器的底座上。二、整流充電電源系統(tǒng)原理1）整流回路：整流回路分為半波整流，全波整流，被壓整流。 其中前兩種整流回路能獲得的最高直流電壓等于充電電源交流電壓的幅值Um，在同樣的交流電壓幅值Um下，采用倍壓整流回路可獲得23倍Um直流電壓。2)變壓器容量查閱資料有標稱試驗變壓器容量Pn的確定公式：Pn=kVn2WCt10-9式中：Pn-標

12、稱試驗變壓器容量（kVA）；k -安全系數(shù)；Vn-試驗變壓器的額定輸出高壓的有效值（kV）；W -角頻率，W=2f,f為試驗電源的頻率；Ct-被試品的電容量（PF）。對于不同的試驗電壓Vn，選擇適當?shù)陌踩禂?shù)k，標稱試驗電壓較低時，k值可取高一些；以下列出不同的試驗電壓Vn，所選用的安全系數(shù)k值，供參考：Vn=50100kV k=4；Vn=150300kV k=3；Vn300kV k=2；Vn1MV k=13） 高壓硅整流器高壓整流回路中最重要的元件之一就是整流元件。早期的高壓整流回路中曾用過機械整流器、高壓整流管。但前者工作時會產(chǎn)生出強烈的噪音和無線干擾；后者需要耐高壓、體積大、價格昂貴的燈

13、絲變壓器，甚至會放射出較強的硬射線對人身體健康不利?，F(xiàn)在常用的是硅整流器。硅整流器不存在燈絲加熱問題，設(shè)備簡單，使用方便，且允許通過的電流大，體積小，壽命長，堅固耐用。200300千伏高壓硅整流器是由若干100150千伏高壓硅堆（或硅棒，硅柱）組成，而每個硅堆又由許多硅粒子（或硅二極管）串聯(lián)組成。當用若干個電壓較低的高壓硅堆串聯(lián)組成電壓較高的高壓硅整流器時，存在著沿硅堆的電壓分布不均勻問題。這時可在每一個高壓硅堆外并聯(lián)均壓電容和均壓電阻。它們以螺旋形固定在高壓硅堆外面，整個高壓硅整流器裝在有機玻璃圓筒里，并注入變壓器油。三、沖擊電壓測量系統(tǒng)原理1) 沖擊分壓器與引線：沖擊分壓器的三種基本類型為

14、：電阻分壓器，電容分壓器，串聯(lián)和并聯(lián)的阻容分壓器。高壓臂：由于設(shè)計的沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓為550kV，用電阻分壓器即可（未加屏蔽的一般可測量1兆伏以下的電壓，阻值為1020千歐，加裝屏蔽的可測到2.5兆伏，阻值可做到40千歐）。而影響電阻分壓器測量值的重要有對地電容，縱電容（電感影響不大，一般忽略）?？傮w來講，為減小測量誤差，首先應(yīng)該使分壓器的啟示電位分布和穩(wěn)態(tài)分布接近（即減小方波響應(yīng)中誤差項的幅值）；其次盡可能減小從始態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)用的時間（即減小誤差項的時間常數(shù)）。具體方法有：1） 使起始電位分布接近穩(wěn)態(tài)均勻分布。方法有：橫補償縱補償電位補償?shù)?） 使穩(wěn)態(tài)分布接近起始電位分布。3） 減小

15、RC。綜上，從減小RC入手，C與分壓器高度有關(guān)，高度又取決于分壓器的工作電壓，為了防止沿面閃絡(luò)，對雷電沖擊波取0.5兆伏/米。一般垂直圓柱體的對地寄生電容約為1015微微法。對未加任何屏蔽措施的電阻分壓器一般測量11.5兆伏的電壓。取1兆伏的電阻分壓器，則有：分壓器的高度為2米，C為30微微法，取電阻10千歐。（RC為0.3微法，T=RC/6=50毫微秒，為對測量值的校正T，使測量結(jié)果誤差減?。辉儆脵M補償法加裝屏蔽，把上電極做成錐形罩（具體圖如下）。圖中所加的屏蔽環(huán)下端寬為分壓器高度H的2/3倍，所在高度為3/4H處。即：環(huán)寬為1.3米，距地面高度為1.5米。且除正常引線外周圍物體與分壓器間

16、必須保持的一定距離。這里我們就直接取無屏蔽的最差情況下：周圍物體與分壓器之間的距離應(yīng)不小于分壓器高度的1.5H。 低壓臂：實際的低壓臂既非高壓阻抗上的一段，也不是理想的電阻、電容，而是有寄生參數(shù)（主要是寄生電感）的阻容元件。同軸電纜的接入及對分壓比的影響：為了避免在電纜中發(fā)生多次反射，至少在電纜的一端接阻值等于Z的匹配電阻。這里我們選用在電纜的兩端都匹配電阻的方法，這種情況下分壓器的分壓比N=2(R1+R2)/R2R1R2有匹配電阻R4（Z）（R2+R3）在兩端都匹配電阻的回路中，可使某些情況下（例如發(fā)生竄入信號或局部匹配不準時）產(chǎn)生的反射減到很小的程度。電纜損耗的影響與末端的匹配： 衰減：沖

17、擊測量中用的電纜為高頻電纜。芯線是單股銅線或多股銅線絞合的。外皮由細銅絲編織成，在固定裝置中也有用銅管作外皮的。理想條件下由于電纜的波阻抗只于單位長度上芯皮間的電容C和芯皮間磁場決定的電感L有關(guān)。而實際中電纜芯線與外皮均有一定的電阻，芯皮間的絕緣也有介質(zhì)損耗，波通過有時會產(chǎn)生衰減與畸變。對一般長度的電纜在110兆周范圍中，可推出幅值的衰減與波形距離成正比。 對于波形的畸變總的來說衰減系數(shù) 隨f增高而加大，波阻Z隨f增高而減小。 波阻的變化對分壓比和匹配的影響：因為Z是變化的，分壓比也隨頻率而變化。對很短的脈沖和一般的沖擊電壓，分壓比各不同。研究結(jié)果表明，對于波阻抗為50左右，電阻為0.010.

18、5/m的常用電纜，即可用低頻波阻抗做電纜匹配。高壓引線的影響：我們只討論屏蔽式電阻分壓器帶高壓引線的情況。近似計算有：TRdCT=LR分析有：為了阻尼振蕩，在引線中串入阻尼電阻Rd，但串入的同時卻加大了響應(yīng)時間，所以Rd常常比臨界阻尼小一些，以便讓響應(yīng)曲線成為帶上沖的震蕩曲線。取Rd=引線波阻Z，在引線首端可以消除多次反射，而在末端不能。 為了不加大響應(yīng)時間而又能阻尼振蕩，有時也可以把阻尼電阻接在分壓器的屏蔽罩和頂端之間。2）示波器：可選的有高壓示波器，數(shù)字存儲示波器。3）抗干擾措施：防止空間電磁波輻射測量裝置放在金屬屏蔽室（柜）里。室（柜）最好用銅或鐵板做成，也可以用單層或雙層的金屬網(wǎng)制成。

19、室（柜）的門的邊緣有密閉措施；分壓器的低壓臂放入接地的金屬屏蔽盒中；信號電纜采用雙屏蔽電纜。 小由電源線引入的電磁干擾測量儀器通過1:1隔離變壓器供電(變壓器要良好接地)；測量儀器經(jīng)射頻濾波器接入電源；測量儀器采用不間斷電源供電； 小由信號電纜引入的電磁干擾分壓器良好接地；用雙層屏蔽的同軸射頻電纜，電纜首端的內(nèi)外屏蔽及電纜末端外層屏蔽接地；把上述同軸電纜套在金屬管道內(nèi)，管道兩端都接地；由分壓器到測量儀器敷設(shè)寬度較大的金屬帶作為接地連線，若有可能，測量電纜直接敷設(shè)使在接地的金屬板或帶之下；電纜外層屏蔽應(yīng)多點接地；電纜上加設(shè)共模抑制器（把電纜多匝繞在鐵體磁芯環(huán)上）；用光導(dǎo)纖維傳遞信號。三、參數(shù)計算

20、額定電壓選擇：由上述分析可知該設(shè)計等下一般只能測量35kV等級的電氣設(shè)備。所以取35kV電瓷產(chǎn)品做試品。查表得國家標準規(guī)定35kV電瓷產(chǎn)品的雷電沖擊耐受電壓為185kV。放電電壓與電瓷類別相關(guān)，一般小于等于325k。 查資料得對于高效回路放電回路的電壓利用系數(shù)一般大于0.8，甚至可達0.9以上（對于低效回路一般為0.70.8）。所以初步考慮電壓效率為0.85. 由于查的是耐受電壓值，擊穿電壓和閃絡(luò)電壓都高于試驗電壓，考慮為研究實驗取裕度系數(shù)1.3.長期工作時沖擊電壓發(fā)生器會發(fā)生絕緣老化，考慮老化系數(shù)為1.1。故沖擊電壓發(fā)生器的標稱電壓應(yīng)不低于：U1=3251.31.10.85=546.8kV考

21、慮盡可能不在標稱電壓下頻繁放電，以延長使用壽命，同時也考慮偶爾有特殊產(chǎn)品試驗的要求，所以標稱電壓取為6kV。 沖擊電容選擇：對35kV等級的試品（不及大電容的一些電力變壓器），負荷電容主要是沖擊電壓發(fā)生器的對地雜散電容和高壓引線及球隙等的電容和試品電容，所以各種雜散電容及試品電容考慮為500pF，試品電容取一般電力變壓器 的最大值2500pF。即總的負荷電容C2約為3000 pF。僅從電壓效率考慮，達3060nF就足夠了。但為了增強放電效果，C1稍大些更好。 沖擊電容器選擇：查看脈沖電容器的技術(shù)參數(shù)表格，找到MY 110-0.2此刻高壓脈沖電容器比較合適，它的規(guī)格如下：型號額定電壓（千伏）標稱

22、電壓（微法）外形尺寸（毫米）重量（公斤）MY 110-0.21100.2635495 瓷殼235用此種電容器5級串聯(lián)，標稱電壓可達550kV，滿足了電壓的要求。沖擊電容C1=10.25=0.04F這個C1滿足式子C1(1020)C2，可使沖擊電壓發(fā)生器的電壓利用率不至于很低。發(fā)生器的高度約為50.495m=2.475m回路選擇：選擇高效回路和倍壓（全波整流）充電。沖擊電壓器主要參數(shù)：標稱電壓 U1=1105=550kV沖擊電容 C1=0.04F標稱能量 Wn=C1U122=0.04F550kV22=6.05kJ波前電阻和放電電阻：當試品電容約為2500pF,負荷電容約為3000pF時，有1）

23、根據(jù)二階阻容回路計算Rt ,Rf ,從上述分析可列出1.2s/50s的標準雷電波形下有RfRt=0.23023106 2Rt=1596.0-0.069767Rf為避免兩大數(shù)相減引起的計算誤差，宜先通過上述兩式求出Rt.在計算Rf最后得Rt=1585.87 Rf=145.18 所以每一級中的放點電阻為rt=Rt5=317.17 rf=Rf5=29.04 2）放電回路的近似計算波前時間 Tf=1.2s=2.33RfC1C2C1+C2 （考慮回路電感影響） =2.33Rf0.04F0.003F（0.04F+0.003F）求出Rf=184.55每級波前電阻rf=Rf5=36.91 半峰值時間 Tt=5

24、0s=0.693Rt(C1+C2) =0.693Rt(0.04F+0.003F）求出Rt=1677.79每級放電電阻rt=Rt5=335.56 上述兩種結(jié)果都合理，近似計算所得的結(jié)果與用二元方程求得的結(jié)果相差并不大，不過這里我還是選取了用二元方程計算出的結(jié)果，即最后取rt=317.17 ，rf=29.04 沖擊電壓發(fā)生器效率：由高效回路的電壓利用效率表達式得=C1（C1+C2）=0.040.04+0.003=0.930比原來計算是估計的電路的效率還要高，所以所選擇的電容器是合適的。充電電阻和保護電阻選擇：要求CR+rf1020Crt,得R20317.17-29.04=6314.36 6.65

25、k取R=6.65k，每根充電電阻的結(jié)構(gòu)長度能耐受電壓110kV。取保護電阻r為500k。驗證充電電阻取值的合理性：=rtrt+RR（1020）rt為了減小充電電阻對波形的影響，系數(shù)應(yīng)限制在0.050.1的范圍內(nèi)較好。代入有=317.17317.17+6650=0.046在0.050.1內(nèi)，所以R的取值合理。充電時間的估算：由于用了倍壓充電回路，難于精確計算。所以按簡單整流充電的計算法。但考慮到電容C的另一側(cè)為rt、rf，它們遠小于充電電阻R。同時還應(yīng)該考慮倍壓回路第一個回路中的保護電阻r的作用。則有充電至0.9倍電壓時T充=15（r0+r+nR2）nC設(shè)r0=r，則計算得T充15s實際上還存在

26、充電回路中C0的影響，它可使充電時間增加，故可估計T充為20s。變壓器的選擇：實驗電壓與安全系數(shù)的取值關(guān)系如下：Vn=50100kV k=4；Vn=150300kV k=3；Vn300kV k=2；Vn1MV k=1實驗電壓為110kV，安全系數(shù)k的取值在34間，取k=4。則由上述分析知這種充電回路中變壓器的容量為PT=4.0WnT充=4.06.05kJ20s=1.21kVA電壓器電壓為Ut=1.155242.78kV所以選擇型號為YD-2/50的變壓器，其額定電壓為50kV，額定容量為2kVA。硅堆選擇：考慮到縮短充電時間，充電變壓器經(jīng)常提高10%的電壓，因此硅堆的反峰電壓為U反峰值=551.1+55=115.5kV硅堆的額定電流用平均電流計算。由于實際的脈沖電流是脈動的，充電之初平均電流較大，所以用它的平均電流難以計算。只能根據(jù)充電變壓器輸出的電流（有效值）來選擇硅堆額定電壓。電流的有效值是大于平均值的。In=1.21kVA55kV2=0.031A則選擇硅堆的額定電流為0.05A。選擇2DL-150/0.05做每個整流器。球隙直徑選擇：第一級球隙采用三電級球隙（如上述圖所示的結(jié)構(gòu)）。查表有250mm球隙在間隙距離