冲击电压发生器仿真设计

一、 设计目的

1.理解冲击电压发生器的工作原理和绝缘冲击试验的内容； 2.掌握冲击电压发生器的设计方法和matlab仿真软件的使用； 3.学习分析冲击电压发生器充电回路的效率及波形参数。

二、 设计要求

1. 设计一台冲击电压发生器，产生冲击电压波。冲击波形的参数：波前时间为2.0us，半峰值时间为36us；试品电压等级110kV。 2. 参考《高电压试验技术》（清华大学版）。

三、 设计任务

1. 画出电路设计原理图

选用高效率双边对称充电回路，如图3、4所示

图3 发生器的充电回路

图4 发生器的放电回路

2. 确定各元件参数 2.1额定电压的选择：

110kV产品的雷电冲击试验电压如表所示（按GB311.1-1997） 表1 110kV产品的雷电冲击耐受电压 额定雷电冲击（内 外绝缘）耐受电压（峰值）/kV 变压器，并联电抗器，互感器 450 550 高压电力电缆 850 550 截断雷电冲击耐受电压（峰值）/kV 母线支柱绝高压电器 缘子，穿墙套管 450 450 450 450 变压器类设备的内绝缘 530 530 上表所示的都是耐受电压。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电压应不低于

U1=550×1.3 ×1.1 /0.85kV=925.3kV

2.2冲击电容的选择：

如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验和互感器试验，就绝缘子的电容按100pF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 ,电容分压器的电容估计为600pF，则总的负荷电容为

C2=100+500+600=1200pF

如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=12000pF

2.3电容量的选择：

从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY220-0.1瓷壳高压脉冲电容器比较合适，电容器规格如下表2 表2 型号 工作电压 试验电压 电容 外型尺寸 重量 外壳

MY220-0.1 220kV 264kV 0.1 μF φ635×ι845 361 瓷壳 用此电容器5级串联，标称电压可达到1100 kV，基本上满足前述需要。每级由两个电容器串联，使冲击电容

C1=0.1/5=0.02μF

此值＞10C2 可使（电压）效率不致很低。 2.4冲击电压发生器主要参数：

标称电压 U1=220?5?1100k

冲击电容 C1?0.02?F

22标称能量 Wn?CU11/2?0.02?F?(1100kV)/2?12.1kJ

2.4波前电阻和放电电阻的计算

当试品电容为100pF，负荷总电容1200pF时，波前时间

Tf?2.0?s?3.24Rf?C1C2/(C1?C2)?3.24Rf?0.02?F?0.0012?F/(0.0212?F)

求得Rf?545.26?，每级电阻rf?Rf/5?109.1? 考虑回路电感影响时，

Tf?2.3R )3f?C1C2C/(?1C2求得Rf?758.22?，每级电阻rf?Rf/5?151.6?。 半峰值时间 Tt?0.69R3C(?Ct12 ) 36?s?0.693Rt?0.0212?F

求得Rt?2451?，每级rt?Rt/5?490? 2.5充电电阻与保护电阻的选择

要求C(R?rf)?(10~20)Crt，得

R?20?490?151.6?9648?

取充电电阻R?10k?，每根充电电阻应能耐受110kV。如取保护电阻r为充电电阻的50倍，则保护电阻r为500 k?。

充电时间的估算：

由于采用了倍压充电回路，难以精确分析。仍按简单整流充电的计算法充电至0.9倍电压时

T充?15（r0?r?nR/2)?nC

设r0?r，计算得 T充?8s。考虑到倍压电路充电时间会长一些，故取充电时间为10s。

2.6变压器的选择

加大安全系数到3.0，以考虑倍压充电回路所需的容量 变压器容量=3.0?2?Wn/T充

=3.0?2?12.1kJ/10s =7.26kVA

变压器电压=1.1?55kV/2?42.8kV

故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。

2.7硅堆选择

考虑到缩短充电时间，充电变压器通常提高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，而电流的有效值是大于平均值的。 In?7.26kVA/(55kV/2)?0.187A

因此选择硅堆的额定电流为0.2A，选择一支2DL-150/0.2构成每一个整流器。

2.8球隙直径的选择

?250mm球隙在间隙距离为40mm时的放电电压为112kV，故选?250mm铜球6对。

3. Matlab仿真实验

（1）完整仿真电路图。如下图5搭建双边充电高效回路的冲击电压发生器电路图，按照上述选好的参数来设置各元件，其中电源采用220V交流电源，球隙用触发开关来模拟，触发信号由阶跃信号源发出，采用ode45算法计算。理论上应该是可以出仿真波形的，但实际情况是仿真耗时长且并没有得到预期的波形。后又改为ode23tb算法，出现一个发散的振荡正弦波，显然不符合要求。可能是开关触发设计的有问题。

图5 冲击电压发生器simulink初始仿真电路图

（2）简化电路图仿真

如下图6所示采用简化的等效充电回路，图9所示为等效放电回路，进行仿真。其中C1的初始电压设置为5级串联的总电压1100kV，C2的初始电压为0.采用ode45算法，得到的冲击波形如下图7所示。 充电过程仿真：

图6 等效充电回路

图7 第一级电容的充电波形

图8 第五级电容的充电波形

从最后一级的充电波形可以看出，冲击电压发生器的充电时间大约10s左右，这与理论分析的充电时间一致。

图9 等效放电回路

x 1059876Uc2/V543211234t/s567x 108-5

图10 冲击电压仿真波形

3. 冲击电压发生器仿真波形参数的计算。 实际冲击电压发生器的效率 ?=983=89.4% 1100理论效率 ??C1/(C1?C2)?0.02/0.0212?94.3% 比原估计的效率85%高，所以所选电容是合适的。

4. 分析各元件参数对冲击波形的影响