冲击电压发生器设计
冲击电压发生器设计
陈泠卉
（华中科技大学电气学院，武汉，430074）
HYPERLINK \l "_Toc256114233" 一、设计简介 - 1 -
HYPERLINK \l "_Toc256114234" 二、设计要求 - 1 -
HYPERLINK \l "_Toc256114235" 三、设计路线 - 1 -
HYPERLINK \l "_Toc256114236" 四、设计内容 - 2 -
HYPERLINK \l "_Toc256114237" 1、设计原理 - 2 -
HYPERLINK \l "_Toc256114238" 2、设计步骤 - 3 -
HYPERLINK \l "_Toc256114239" 1）确定输出电压和级数n - 3 -
HYPERLINK \l "_Toc256114240" 2）回路选择 - 3 -
HYPERLINK \l "_Toc256114241" 3）负荷电容C2选择 - 3 -
HYPERLINK \l "_Toc256114242" 4）冲击电容C1选择 - 4 -
HYPERLINK \l "_Toc256114243" 5）冲击电压发生器的效率 - 4 -
HYPERLINK \l "_Toc256114244" 6）波头电阻Rf、波尾电阻Rt选择 - 5 -
HYPERLINK \l "_Toc256114245" 7）充电电阻R、保护电阻r选择 - 6 -
HYPERLINK \l "_Toc256114246" 8）充电时间 - 6 -
HYPERLINK \l "_Toc256114247" 9）变压器选择 - 7 -
HYPERLINK \l "_Toc256114248" 10）硅堆选择 - 7 -
HYPERLINK \l "_Toc256114249" 11）球隙直径选择 - 7 -
HYPERLINK \l "_Toc256114250" 12）冲击分压器设计 - 7 -
HYPERLINK \l "_Toc256114251" 五、参考文献 - 9 -
一、设计简介
主题：
根据给定的冲击电压发生器输出波形的相关要求，设计出符合要求的冲击电压发生器及其测量系统。
方法：
依据波形要求，参考相关文献，根据自身选定的设计参数，依据合理的设计步骤，设计出理论上具有可实践性的冲击电压发生器。
开展工作：
1）查阅相关资料，温习冲击电压发生器的原理。
2）依据参考书目，进行冲击电压发生器及其测量系统的具体设计。
3）查阅相关其他资料，以确定尚不明确的产品型号。
结果：
通过本次课程设计，成功的设计出了一套冲击电压发生器及其测量系统，掌握了有关设计的基本步骤与规范，进一步了解了冲击电压发生器的工作原理、波形形成过程、波形参数描述与计算方法等，掌握了如何进行冲击电压发生器的参数设计、总体结构以及器件选型，巩固了高电压技术的相关知识，增强了对其的感性认识。
二、设计要求
本次课程设计需设计出一套冲击电压发生器及其测量系统，对其波形及回路的具体要求如下：
1）输出波形：1.2/50μS；
2）高效回路：η≥90%；
3）输出电压：300~800kV；
4）级数n：3级以上。
三、设计路线
首先，查阅《高电压工程》等相关资料，重新温习冲击电压发生器、冲击分压器的原理，使自身对其有更加深入的理解，以为下面的设计打下理论基础。
其次，依据老师指定的参考书目《高电压试验技术》，以及自身选定的设计参数，根据参考书目上合理的设计步骤，进行相关的回路设计和参数整定。
最后，检查所设计的冲击电压发生器及其测量系统是否符合设计要求，各参数是否合理，是否可以从已有的材料或产品中找到所需的设备，查漏补缺，依据相关资料，确定产品型号。
四、设计内容
1、设计原理
冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生器，其基本回路结构如图1所示。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，假若事先把球间隙距离调到稍大于U，球间隙不会放电。当需要使冲击机动作时，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的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为+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，由于C’的存在，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为-U，中间球隙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”。
图1、冲击电压发生器基本回路
由并联变成串联是靠一组球隙来达到的，要求这组球隙：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，否则叫做同步不好。R在充电时起电路的连接作用，放电时又起隔离作用。Rd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。
图2、冲击电压发生器串联放电时的等效回路
将冲击电压发生器g0的左侧部分用一电容C1等效，其上有电压+4U，当g0放电，C1向C2充电，C2上将建立起电压，同时C1上的电压将下降。当C2上电压u2从零上升到U2max时，它与此时C1上电压U1相等，不可能再上升。由于两者都将经R1放电，最后都将降到零。上升部分的快慢与Rf有关，下降部分的快慢与Rt有关，Rf小，上升快；Rt大，下降慢。
2、设计步骤
1）确定输出电压和级数n
参考《高电压试验技术》，冲击电压发生器的标称电压与被试设备额定电压间的关系如表1所示，表中下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用。
表1、冲击电压发生器的标称电压与被试设备额定电压间的关系
假定被试设备额定电压为35kV，则由表1可知，型式试验所需冲击电压为400kV，依据设计要求中，输出电压300kV~800kV，级数n三级以上的要求，可以设计一冲击电压发生器，使其用于35kV设备的试验检测，并采用4级电容结构，则其输出的冲击电压标称值为：
U1=100×4=400kV。
2）回路选择
由于设计要求采用高效回路，并且效率η≥90%，因此冲击电压发生器应采取高效回路结构，其具体电路如图3所示。
图3、冲击电压发生器的电路结构
3）负荷电容C2选择
常见试品电容量如表2所示。
表2、常见试品电容量
如不考虑电容式电压互感器试验和整卷电缆试验，可取试品电容量为1000pF，冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容如估计为500pF，电容分压器的电容如估计为600pF，则总的负荷电容为：
C2=1000+500+600=2100pF
4）冲击电容C1选择
选择C1时，需考虑冲击电压发生器的回路效率。
冲击电压发生器回路效率近似可表达为：
由于高效回路，Rd≈0，因此冲击电压发生器高效回路的效率为：
为使回路效率达到要求的η≥90%，可按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为：
C1=10C2≈20000pF
由上述可知，被试设备的额定电压为100kV，从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY100-0.2瓷壳高脉冲电容器比较适合，这种电容器的规格如表3所示。
表3、MY100-0.2瓷高压脉冲电容器的规格
用此种电容器4级串联，标称电压可达400kV，每级电容器为0.2μF，使冲击电容
C1=0.2/4=0.050μF>10C2
这样可使冲击电压发生器的效率较高。
依据整定的标称电压和冲击电容，计算可得标称能量为：
We=C1×U12/2=0.050×4002/2=4kJ
5）冲击电压发生器的效率
由上述负荷电容C2和冲击电容C1，计算可得冲击电压发生器的效率为：95%
满足设计要求。
6）波头电阻Rf、波尾电阻Rt选择
高效回路的充电回路利用波头电阻rf和波尾电阻rt构成充放电回路。
设计要求产生1.2/50μS标准雷电波，已知冲击电容C1，负荷电容C2，可由波头时间和波尾时间，计算波头电阻Rf和波尾电阻Rt。
波头时间：
由此可得，Rf=191.18Ω，每级rf=Rf/8≈23.90Ω。
若考虑回路电感影响，则
由此可得，Rf=265.85Ω，每级rf≈33.23Ω。
波尾时间：
由此可得，Rt=2662.36Ω，每级rt=332.80Ω。
波头电阻和波尾电阻丝的选择：
冲击电压发生器中的阻尼电阻，波头电阻和波尾电阻都与波形有关，要求电感小、热容量大、稳定性高。现在都用电阻丝按无感绕法做成。要求电阻材料的电阻系数比较大，温度系数比较小，目前多采用康铜丝或卡玛丝。
冲击放电时电阻上的温升按绝热过程来考虑。当冲击电压发生器动作但试品不放电时，冲击电压发生器的全部能量都消耗在波尾电阻中（阻尼电阻阻值很小可以略去不计时），使之发热而不考虑散热。一般从绝缘材料考虑取电阻的允许温升为150℃，再结合所需阻值一起来决定电阻丝的长度和直径。当试品放电时，冲击电压发生器的全部能量消耗在波尾电阻和波前电阻中，此时波头电阻和波尾电阻是并联关系，在计算波头电阻的温升时，应抛出波尾电阻中消耗的能量。
有上述可知，rf=23.90Ω，rt=332.80Ω。
每级电容器储能为：1/2×0.2×10-6×(110×103)2=1.21kJ
假定试品不放电，则能量全部消耗在rt中；若试品短路放电，则[332.8/(332.8+23.90)]×1.21=1.13kJ的能量消耗在rf中。
如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波头电阻的每股阻值为2×23.9=47.8Ω，每股电阻丝消耗的能量为1.13/2=0.565kJ。
同样情况，波尾电阻的每股丝的阻值为2×332.80=665.6Ω，每股电阻丝消耗的能量为1.21/2=0.605kJ。
冲击放电过程很快，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的温度升高。如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝密度ν为8.9g/cm3，电阻率ρ为0.48×10-6Ω·m，比热容Cm为0.417J/(g·℃)，电阻允许最高温升θ为150℃，另电阻丝长度为l/m，直径为d/mm，则可得：
电阻，消耗能量，
由此可知，。
令R0=2rf=47.8Ω，W=565J，
则实际选φ0.36mm的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为
实际温升为
再次令R0=2rt=665.6Ω，W=605J，
则实际选φ0.2mm的电阻丝两根，并按相反方向无感结构并绕，可得其一根丝长度为
实际温升为
所选用的康铜丝两根并联，并按相反方向绕在绝缘棒上，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电压。
7）充电电阻R、保护电阻r选择
对于冲击电压发生器来说，球隙动作后流经充电电阻的放电电流将降低输出电压，为了不降低发生器的电压利用率，必须使内部放电的时间常数为外部放电时间常数的10~20倍。
对于高效回路来说，要求C（R+rf）≥(10~20)Crt，可得
取R=10kΩ，每根充电电阻的结构长度应能耐受110kV。
取保护电阻r为充电电阻R的50倍，则保护电阻r=50×10=500kΩ。
8）充电时间
由于回路采用的是冲击电压发生器的高校基本回路，其充电时间可直接按简单整流充电计算，由已有公式，充电至0.9倍电压时，
实际上还存在充电回路C0的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T充为20s。
9）变压器选择
依据公式，将变压器的安全系数取为3.0，可得
变压器容量
变压器电压
所以，选择国产试验变压器，型号为YD-10/100，其额定电压为100kV，额定容量为10kVA，可以满足所设计的冲击电压发生器的要求。
10）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110×1.1+110=231kV。
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。
因此，选硅堆的额定电流为0.05A。
选择由两至2DL-150/0.1串联组成每一个整流器。
11）球隙直径选择
Φ250mm球隙在间隙距离为40mm时放电电压为112kV，故选Φ250mm铜球9对。
12）冲击分压器设计
目前最常用的测量冲击高压的方法为：①测量球隙；②分压器与数字存储示波器（或数字记录仪）为主要组件的测量系统；③微分积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统；④光电测量系统。本次设计中采用的是冲击高电压分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统。
分压器作为转换装置是常用的冲击测量系统的主要组成部分之一，其作用是把高达几十万伏或几百万伏的冲击高压转换成示波器等记录仪能够测量的低电压。通用的数字数字存储示波器一般只能加上几十伏，所以要通过高压分压器把高电压转换成几百伏或上千伏的电压输入同轴电缆，然后在电缆末端再装一个小型分压器（它起二次分压的作用），再把电压降成适宜于数字示波器测量的几百毫伏至几十伏电压。
冲击分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容分压器，通常采用电阻分压器测量雷电冲击电压。电工界所用的电阻分压器，通常是由优质电阻丝无感绕成，为了减小电感，要求在满足阻值及限制温升的前提下，电阻丝应尽可能短，卡玛丝不仅电阻温度系数很低，而且电阻系数又高，最宜采用，其绕制方法与冲击电压发生器的波头电阻等基本上相同。
冲击高电压测试回路的布置概况如图4所示。
连接线的原则是，发生器应先连线到试品，然后从试品接线到分压器，避免在后者的连线上流过较大的电流，否则会造成测量误差。分压器与试品间为避免互相的电场及电磁场的干扰影响，两者必须相距一定的距离，而中间的连线是测量系统的一个构成部分，必然会对分压器的电压测量产生影响，在测量陡冲击波或波前截断波时，常在引线的首端加一阻尼电阻R，其阻值选为300Ω~400Ω，以与长引线形成的阻抗匹配，此引线始端的阻尼电阻可以改善测量系统的转换特性，图中的终端测量仪器是记录仪器，现多采用数字存储示波器。为了消除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及安全事故，须采取几十米长的射频同轴电缆，从分压器下端把电压信号引至记录仪器。
图4、冲击高压测试时的回路布置
依据上述冲击分压器的知识，可将所需的测量系统设计如图5所示。
图5、冲击分压器结构图
由于冲击电阻分压器的典型阻值是10kΩ，最好不要超过20kΩ，最小不低于2kΩ，选取典型值，则R1=10kΩ。由于需要通过高压分压器把高电压转换成几百伏或上千伏的电压输入同轴电缆，而由冲击电压发生器产生的电压U2=880×0.9225=811.81kV，即输入测量系统的U1’=811.81kV，选取R2=10Ω，则通过高压分压器输出的U2’为
满足相关要求。
根据在射频同轴电缆上传输的电压值，选取合适的射频同轴电缆。射频同轴电缆输入电压U2’=811.81V，取两倍的安全裕度则U2’’=0.81×2=1.62kV，可选择射频同轴电缆SYV-50-2-1，其试验电压为2kV(50HZ)，电晕电压为1kV，满足设计要求。
射频同轴电缆SYV-50-2-1标准长度为20m，该长度可以满足高压分压器至测量仪表的距离要求，但是若不采取措施，波在电缆两端会有反射，因此应如图5所示，在射频同轴电缆的首端和末端采取匹配措施，即
R2+R3=Z，且R4=Z
SYV-50-2-1的波阻抗Z=46.5~53.5Ω，取其特征值Z=50Ω，则
R3=Z-R2=50-10=40Ω，R4=Z=50Ω。
由于二次分压的要求，应将R4选为可调电阻，其最大阻值为50Ω。将U2’经可调电阻R4二次降压，通过调节R4的阻值，使得输入数字存储示波器的电压大小符合示波器的相关要求。
根据相关资料，测量仪器可选用HP54503A数字存储示波器，其参数如下所示：
表4、HP54503A数字示波器规格参数
五、参考文献
1、林福昌主编，《高电压工程》，中国电力出版社，2006年第一版；
2、张仁豫主编，《高电压试验技术》，清华出版社，2003年第二版；
3、《高电压工程实验指导书》（华中科技大学电气学院内部资料）。
冲击电压发生器设计.doc
