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高高电电压压课课程程设设计计多级冲击电压发生器的设计电电气气与与电电子子工工程程学学院院指指导导老老师师::戴戴玲玲22001100年年33月月11日日一一、、设设计计任任务务::设设计计一一高高效效多多级级冲冲击击电电压压发发生生器器,,使使其其输输出出标标准准冲冲击击电电压压波波形形((即即11..22//5500uuss)),,电电压压等等级级为为333300kkvv--880000kkvv,,级级数数为为33级级以以上上。。二二、、额额定定电电压压的的选选择择::为为确确定定所所要要设设计计的的冲冲击击电电压压发发生生器器的的电电压压等等级级,,需需首首先先明明确确冲冲击击电电压压发发生生器器电电压压等等级级与与所所测测试试品品电电压压等等级级的的关关系系((见见下下表表))1.试品电压等级的确定:表1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间的关系试品额定电压/kV35110220330500冲击电压发生器标称电压/MV0.4~0.60.8~1.51.8~2.72.4~3.62.7~4.2根根据据设设计计要要求求的输出电压为300-800kV,根据上表,可以假定试品的电压等级为66kv。2.额定电压的确定:根据66kV设备雷电冲击耐受电压(峰值)表,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额定电压应不低于:13851.31.10.85647UkV由由此此确确定定冲冲击击电电压压发发生生器器的的为为666600kkvv。。三三、、冲冲击击电电容容的的选选择择::将将试试品品电电容容估估算算为为990000ppFF,,冲冲击击电电压压发发生生器器的的对对地地杂杂散散电电容容和和高高压压引引线线及及球球隙隙等等的的电电容容估估算算为为550000ppFF,,电电容容分分压压器器的的电电容容估估算算为为660000ppFF,,则则总总的的负负荷荷电电容容::CC22≈≈990000++550000++660000==22000000((ppFF))按按冲冲击击电电容容为为负负荷荷电电容容的的1100倍倍估估算算,,则则冲冲击击电电容容1100000000ppFF==55CC22CC111100CC22==2200000000((ppFF))从从国国产产脉脉冲冲电电容容器器的的产产品品规规格格中中找找到到MMYY111100--00..22型型高高压压脉脉冲冲电电容容器器比比较较合合适适,,具具体体参参数数和和规规格格如如下下表表::表表二二::型号额定电压kv标称电容uF外形尺寸mm重量kgMY110-0.2110kv0.2uFΦ635×495瓷壳235选选用用此此种种型型号号电电容容器器时时,,可可以以将将所所要要设设计计的的冲冲击击电电压压发发生生器器做做成成111100kkvv一一级级,,共共66级级((其其中中每每级级电电容容用用两两个个电电容容串串联联组组成成,,这这样样即即可可同同时时满满足足此此冲冲击击电电压压发发生生器器额额定定电电压压和和冲冲击击电电容容的的要要求求))。。用用此此种种电电容容器器可可装装成成柱柱式式结结构构,,总总高高约约为为33mm,,高高度度适适中中。。四四、、回回路路选选择择::根根据据设设计计要要求求要要选选择择高高效效回回路路,,利利用用并并联联充充电电、、串串联联放放电电的的基基本本原原理理,,得得到到合合乎乎设设计计要要求求冲冲击击试试验验电电压压。。回回路路图图如如下下所所示示::五五、、冲冲击击电电压压发发生生器器的的主主要要参参数数计计算算::额额定定电电压压::UU11==111100××66==666600kkvv冲冲击击电电容容::CC11==CC//55==((00..22//22))××((11//66))××610=16666.7pF能量:22n11/20.1666660/23.63WCUkJkJ六、波头电阻和波尾电阻的计算:试品电容约900pF,负荷总电容为2000pF,波前等效回路所以波前时间12121.23.24/()ffTsRCCCC3.240.016660.002/(0.01866)fRFFF求出207.6fR,每级/634.6ffrR。半峰值是等效回路故半峰值时间12500.7()0.693(0.016660.002)tttTsRCCRFF求出3866.6tR,每级/6644.4ttrR七、冲击电压发生器的效率计算:由公式112C20000pF91%CC200002000pF若考虑波形系数为0.945,则0.910.94586%,可见该冲击电压发生器具有较高的效率,即所选参数是合适的。八、充电电阻和保护电阻的选择:要求()(10~20)ftCRrCr,得:(20644.434.6)12853.4R取R=15kΩ。每个充电电阻值15kΩ,结构长度应能耐受110kv的电压(此处充电电阻的阻值过大或者过小都是不恰当的。过大会延长充电时间,增加各级电容器的充电的不均匀性;过小则过小则各级球隙动作不可靠,冲击电压波长时间减小,放电回路利用系数降低)。在此基础上取保护电阻r充电电阻R的40倍,则保护电阻r为600kΩ,结构长度应能耐受1.1×55kv=60.5kv的高压(保护电阻不仅可以起到保护整流装置的作用,还可以起到均压作用)。九、充电时间的估算:因为采用了倍压充电回路,由式215(8/)15()TrnRnCrnRnC充但考虑到电容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,015(/2)TrrnRnC充设0rr,则计算得11.2Ts充。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15s。十、变压器选择: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3.02/3.023.63/151.452nWTkVAkVA充变压器电压=1.155/242.78kVkV所以,可选择国产试验变压器,型号为YD—3/50,其参数如下表。表3.YD—3/50试验变压器的参数型号规格额定容量/kVA额定电压/kV额定电流/A输入输出输入输出YD—3/5030.225013.630.06十一、高压硅堆选择: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=115.5kV。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。1.452/(55/2)0.0373nIkVAkVA因此选用硅堆应满足:1.反峰电压115.5kv2.额定整流电流37.3mA在在此此种种条条件件要要求求下下可可以以选选用用型型号号为为22DDLL115500//00..0055的的高高压压硅硅堆堆。。((参参数数见见下下表表))表表44..型号型号型号反峰电压kv反向电流uA+25度正向压降v平均整流电流mA外形尺寸mm40度100度长宽高22DDLL1122DDLL115500//00..0055150=10=12050204003022十二、球隙直径的选择:由资料可知,Φ10cm球隙在间隙距离为4.5cm时的放电电压为115kv,因此选择Φ10cm铜球五对作为后五级的放电球隙,而第一级球隙采用相同放电电压等级的三电极球隙代替。十三、波头电阻和波尾电阻丝材料的选择计算:已知34.6fr,644.4tr,一级电容器储能为:2632/20.50.110(11010)0.605CUkJkJ。假定试品不放电时能量全部消耗在tr中,试品短路放电时能量的644.4/(644.4+34.6),即0.574kJ消耗在fr中。如采用双股相反绕的无感电阻结构,则波前电阻的每股阻值为2×34.6Ω即69.2Ω。每股电阻丝消耗的能量为0.574/2kJ即0.287J。同样情况,波尾电阻每股阻丝的阻值为2×644.4=1288.8Ω,每股电阻丝消耗的能量为0.605/2kJ即0.3025J。冲击放电的过程很快,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温度的升高。如所采用的电阻丝为康铜丝,康铜丝的密度ν为38.9/gcm,电阻率ρ为20.48/cmm,比热容mC为0.417/()JgC,电阻允许最高温升θ为150℃。令电阻丝长度为l/m,直径为d/mm,则可得204()Rld(1)而消耗的能量2/4mWldC(2)将式(1)和式(2)消去l,得电阻丝的直径为1/40(2/)/()mdWRC(3)首先令02234.669.2fRr,287WJ,最后,由式(3)得1/42870.48/(8.969.20.417150)0.245dmmmm实际选Φ0.25mm的电阻丝两根,并按相反方向并绕。由式(1)得其中一根阻丝的长度为220/(4)69.20.25/(40.48)7.08lRdmm实际温升可由式(2)得224/()4287/(8.97.083.141590.250.417)92.7mWldCC再次令022644.41288.8tRr,302.5WJ代入式(3)得电阻丝的直径为1/4302.50.48/(8.91288.80.417150)0.119dmmmm实际选Φ0.14电阻丝按相反方向并绕。可算得一根电阻丝的长度220/(4)1288.80.14/(40.48)41.33lRdmm实际温升224/()4302.5/(8.941.333.141590.140.417)128.1mWldCC用所选康铜丝两根,并联反绕到绝缘管上即可做成波头电阻和波尾电阻。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的电压。十四、测量环节冲击分压器系统的设计:因为所设计的多级冲击电压发生器输出电压较高,同时为得到较高的降压比例和好的瞬变响应特性,可以采用两级分压系统;同时为减小寄生参数的影响,此处构成电阻分压器的电阻丝要采用无感电阻,主要由锰铜、康铜和镍镉等金属用无感绕法在绝缘板或者绝缘筒上绕制而成。得到精确地测量结果,还要配合性能良好的低压测试回路。由于冲击电压持续时间短,波形变化快,在测量回路中要考虑行波的折反射过程。为防止波在电缆上来回反射,需加装匹配电阻(见下图)。1.一次分压器的设计:采用电容分压器分压,使用如图3示测量回路。同轴电缆输出端电压设为2kV,然后经电阻分压器二次分压,把信号电压输入示波器。考虑二次分压用的电阻分压器阻值很大,其阻抗效应可忽略。高压臂电容选国产MY500—0.00012脉冲电容器(可承受电压最高)较合适,其参数如表5。表5.MY500—0.00012脉冲电容器的规格型号额定电压/kV标称电容/µF外形尺寸/mm重量/kg外壳MY500—0.000125000.00012Φ182×115528.2胶纸壳用此种电容器三个并联,使高压臂130.000120.00036CFF由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV,故分压比K=660/2=330。12123302()/2(0.00036)/(0.00036)KCCCFCF求出20.06104CF。用MY80—0.03脉冲电容器组成低压臂,其参数如表6。表6.MY80—0.03脉冲电容器的规格型号额定电压/kV标称电容/µF外形尺寸/
本文标题:多级冲击电压发生器的设计
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