冲击电压发生器的原理、试验及设计(DOC)

浙江九天科技有限公司1/19冲击电压发生器的原理、试验及设计摘要:电力系统内的发，供，用电设备除了长期在额定电压下运行之外，还必须具备在过电压下的绝缘强度。过电压是指超过正常运行电压，它是电器设备或保护设备损坏的电压升高。在电力系统各种事故中，很大一部分是由于过电压造成设备的绝缘损坏引起的。当绝缘油缺陷时，若不及时排除，最终将导致设备损坏，而高电压试验的目的就是通过一定的手段，依靠仪器设备，采用模拟的方法检验电气设备绝缘性能的可靠程度。而冲击电压试验是针对电力系统外部过电压而对绝缘材料进行的一项电气试验，所进行的雷电试验及操作波试验能有效的模拟电力系统的外部过电压，对电气绝缘设备在电力运行中的过压能力能够有效的得到预防和检验。关键词：高电压试验冲击电压发生器【ABSTRACT】：Theelectricitygenerationequipment,powersupplyequipmentandconsumingequipmentofelectricalsystemmustbaseontheover-voltageinsulatingstrength,aswellasunderlong-timeroutinevoltageservice.Over-voltageismorethanthenormaloperatingvoltage,whichisdamagetoelectricalequipmentorprotectiveequipmentduringincreasesthevoltage.Avarietyofaccidentsinthepowersystem,alargepartwascausedbytheover-voltageinsulationdamage.Ifnotimmediatelyremoved,theequipmentwillbedamagedatlastwhentheinsulatingoilappearsdefects.Andthatthepurposeofhighvoltagetestingwillbeusingthesimulationmethodtochecktheinsulationreliabilityofelectricalequipment.Theimpulsevoltagetestisforexternalover-voltagepowersystemwhileanelectricalinsulatingmaterialtesting,whichisfortheservicepressureofelectricpowerequipmentcanbeeffectivelypreventedandtesting【KEYWORDS】HighvoltagetestImpulsevoltagegenerator目录浙江九天科技有限公司2/191绪论………………………………………………………………………………………………31.1冲击电压发生器的发展历史和现状…………………………………………………………31.2冲击电压发生器在电力系统中的应用………………………………………………………32冲击电压发生器的原理及结构……………………………………………………………………42.1冲击电压波形…………………………………………………………………………………42.2冲击电压发生器的原理………………………………………………………………………52.3冲击电压发生器的结构………………………………………………………………………62.4冲击电压发生器的接线方式…………………………………………………………………82.5冲击电压试验系统的接线联线方式…………………………………………………………103冲击电压发生器的设计…………………………………………………………………………143.1冲击电压发生器的标称电压的选择…………………………………………………………143.2冲击电压发生器的脉冲电容的选择…………………………………………………………143.3冲击电压发生器的容量的确定………………………………………………………………153.4回路选择……………………………………………………………………………………154冲击电压发生器在高电压试验中的应用………………………………………………………164.1绝缘材料的雷电过电压耐受性能试验………………………………………………………164.2绝缘材料的操作过电压耐受性能试验………………………………………………………174.3绝缘材料的陡波冲击电压试验……………………………………………………………17参考文献………………………………………………………………………………………………17浙江九天科技有限公司3/19一绪论1.1冲击电压发生器的发展历史和现状冲击电压发生器通常都采用Marx充放电回路，马克思发生器（MarxGenerator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出。目前国外拥有大型冲击电压发生器的高压研究机构主要有全俄直流高压研究院，美国电科院，加拿大魁北克省水电局，日本电力工业中央研究所，意大利CESI公司，瑞典输电研究院等。这些试验研究机构拥有的冲击电压发生器的参数如下表研究机构额定电压/kV额定容量/kJ中国电力科学研究院7200480美国电科院5200260加拿大魁北克省水电局6400400日本电力工业中央研究所10001750意大利CESI公司4800240瑞典输电研究院3200240全俄直流高压研究院50008001.2冲击电压发生器在电力系统中的应用冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置，用于检验电力设备耐受大气过电压和操作过电压的绝缘性能，冲击电压发生器能产生标准雷电冲击电压波形，雷电冲击电压截波，标准操作冲击电压波形及非标冲击电压波包括陡波。1.3冲击电压发生器的发展前景浙江九天科技有限公司4/19二冲击电压发生器的原理及结构2.1冲击电压波形冲击电压发生器是一种产生脉冲的高电压发生装置。原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，后来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。所以对于冲击电压发生器，要求不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波前陡度有关，对某些设备还要采用截波来进行试验。此外，冲击电压发生器还可以用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分，在打功率电子束和离子束发生器以及二氧化碳激光中，可作为电源装置。冲击电压试验系统可发出各种形状的脉冲波形，但是根据试验研究的需要，按照有关国际标准和国家标准的规定，主要产生以下几种冲击电压波形：1、标准雷电冲击波形2、标准操作冲击波形3、其他特殊的冲击电压波形，如特种操作冲击波等。对于冲击电压波形，主要规定了3个基本参数来描述波形的形状，即峰值电压、波头时间和波尾时间，波形的参数定义如图所示。相关标准规定雷电全波峰值——±3%Tf=1.2μs±30%Tt=50μs±20%标准操作冲击波形Tf=250μs±20%Tt=2500μs±60%图2-1雷电冲击电压全波图2-2波峰附近有震荡的全波浙江九天科技有限公司5/19图2-3在波尾截断的雷电冲击电压波图2-4在波前截断的雷电冲击电压波图2-5操作冲击电压波形图2-6试验变压器内绝缘的操作电压波形2.2冲击电压发生器的原理冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定波形。它是用下列马克斯回路来达到这些目的的，如图2-7：图2-7冲击电压发生器的基本回路T——试验变压器；D——高压硅堆；r——保护电阻；R——充电电阻；C1~C4——主电容器；浙江九天科技有限公司6/19rd——阻尼电阻；C——对地杂散电容；g1——点火球隙；g2~g4——中间球隙；g0——隔离球隙；Rt——放电电阻；Rf——波前电阻；C0——试品及测量设备等电容试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容C1~C4充电，充电到U，出现在球隙g1~g4上的电位差也为U假若事先把球隙距离调到稍大于U，球隙就不会放电。当需要使冲击动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板井g1接地，点1点位由地电位变为+U。电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为+2U。同理，g3,g4也跟着放电，电容器C1~C4串联起来了。最后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1~C4上电压的总和，即+4U。上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”；由并联变成串联是靠一组球隙来达到。要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。满足这个条件的，叫做球隙同步好，否则就叫做同步不好。R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。在球隙同步动作时，放电回路改变成如下图2-8的形式。图2-8冲击电压发生器串联放电时的等效回路上图中C1原有电压+4U，原来无电压，当g0放电，C2上将建立起电压，同时C1上电压降下降。当C2上电压U2从零上升到U2MAX时，它与此时C1上电压U1相等，不可能在上升.由于二者将经R1放电，最后都将降到零。U2的形状可表示为下图。上升部分的快慢与RF有关，下降部分的快慢与RT有关。RF小，上身快。RT大，下降慢。图中——Rr是防止回路内部发生振荡用的。R一般比R大一数量级，不仅保护硅堆，还可使各级电容器的充电电压比较均匀。浙江九天科技有限公司7/19图2-9Ｃ２上电压Ｕ２的曲线从以上分析可看出，要提高冲击电压发生器的输出电压有两种途径：一种是升高充电电源电压，但它受电容器额定电压的限制；另一种是增加级数，但级数多了会给同步带来困难。图2-10电路采用了两个半波的整流倍压充电方式。发生器的动作原理，基本上和图2-7回路一样。和图2-7相比较，图2-10中中间球隙所跨接的电容器台数增加了一倍。不过图2-10中球隙ｇ２在动作时过电压的倍数，要比图2-7中的ｇ２要低，这点需深入分析。为克服这一缺点，直流充电部分可改为对地的倍压回路，此时在电容Ｃ２的下极板处直接接地。图2-10双边充电的冲击电压发生器回路最后说明一下冲击电压发生器的几项技术指标㈠发生器的标称电压发生器每级主电容的标称充电电压值与级数的乘积。其值一半为几百千伏至几千千伏。㈡发生器的标称能量发生器主电容在标称电压下的总储存能量。其值一半为几十千焦至几百千焦。㈢发生器的效率发生器输出电压U2峰值与各级实际充电电压的总和之比。2.3冲击电压发生器的结构2.3.1冲击电压发生器本体及直流充电电源原理电路图浙江九天科技有限公司8/19冲击电压发生器本体结构说明电压发生器本体设计采用四根绝缘立柱支撑结构。在发生器的每级将4根立柱联结可靠，并互相间组成一四方形框架。为了方便操作，在发生器内每隔三级安装了一个操作平台。在操作平台附近装有一个绝缘梯，由于平台的活动部分是可以折叠的，因此，沿着绝缘梯可以在发生器内安全地从底部攀登到部。这种有着金属外壳和陶瓷套管的冲击电容是充油的，即使在额定工况下连续操作，它们也有足够的使用寿命。发生器上采用了一个绝缘筒用来安装所有的点火球隙。该绝缘筒将所有球隙封闭起来，并在绝缘筒底部安装了一个鼓风电机向筒内吹入过滤的空气，其内部产生的空气压力能够阻止灰尘进入绝缘筒内，避免球隙异常放电。同时，绝缘筒也能隔离点火球隙放电产生的噪音。绝缘筒在每级都开有观察孔并用有机玻璃封闭，通过该观察孔可以观察球隙的放电状况并调整所有的球隙距离。发生器上使用的所有的电阻都是拔插式的线绕电阻。雷电波的调波电阻采用无感绕制，具有很小的电感。波头电阻和波尾电阻安装在发生器的两柱之间。充电电阻则安装在点火绝缘筒的两侧。不使用的波头电阻和波尾电阻可放在冲击电容旁边的搁架内。这些电阻很容易在平台上取到。