張煥強,張曉虹,唐力則,黃樹強,黃培新
(1.廣東電網(wǎng)公司潮州供電局,潮州521000;2.哈爾濱理工大學(xué)電介質(zhì)工程及應(yīng)用省部共建教育部重點實驗室,哈爾濱150040)
在電力系統(tǒng)中,許多高壓電器都受到?jīng)_擊電壓的影響,如電纜附件中用于改善接頭和終端電場分布的非線性電介質(zhì)[1-2]。沖擊電壓發(fā)生器用于模擬高壓設(shè)備需承受的雷電過電壓和操作過電壓[3-4]。在進(jìn)行沖擊擊穿測試時,被測試樣處于沖擊發(fā)生器與測量電流的電子測量設(shè)備之間,隔離了試驗區(qū)的高壓側(cè)與低壓側(cè),以防止設(shè)備損壞。沖擊電壓試驗系統(tǒng)是研究納米復(fù)合材料脈沖擊穿性能的前提[5-10]。但是,多級超高壓沖擊電壓發(fā)生器的放電電壓在1 000 kV以上,而納米復(fù)合材料擊穿電壓只有幾十千伏。同時,進(jìn)行局部放電的小型脈沖電壓發(fā)生器的放電電壓最高只有幾千伏,達(dá)不到試樣擊穿電壓等級。為滿足復(fù)合材料薄膜試樣沖擊電壓擊穿試驗的要求,本文研制了100 kV低儲能單級標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊電壓發(fā)生器。
標(biāo)準(zhǔn)單級沖擊電壓發(fā)生器的電路如圖1所示[11]。高壓直流電源向儲能電容C1充電。待充電結(jié)束后,觸發(fā)火花開關(guān)G。電阻與電容之間的參數(shù)決定了輸出端的波形。為保證輸出波形不受到試樣電容的影響,通常選用電容值較大的負(fù)載。納米復(fù)合材料試樣的電容值約為10~20 pF,本文選用容量為1 000 pF電容分壓器作為負(fù)載C2,保證了試樣對輸出波形的影響可忽略不計[12-14]。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)單級沖擊電壓發(fā)生器電路圖
經(jīng)計算,波前電阻為520 Ω,波尾電阻為715 Ω。確定了元件參數(shù)后,采用Tina Pro軟件對放電回路進(jìn)行仿真,仿真原理如圖2所示,其中C1是帶電電容,兩端電壓100 kV,C2兩端輸出仿真波形如圖3所示。
圖2 Tina Pro仿真模型
圖3 仿真輸出波形
從圖3可以看到,當(dāng)t=2 μs時,波形達(dá)到峰值Um=97.5 kV;當(dāng)電壓上升至 0.9 Um=87.75 kV時,所對應(yīng)的時間恰好為1.2 μs。在電壓下降至0.5Um=48.75 kV 時,對應(yīng)時間為 51.54 μs。
沖擊電壓發(fā)生裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。
1)保護(hù)電阻??紤]到,充電時間T充=15 RC,其中R是充電保護(hù)電阻,C1是主電容。現(xiàn)要求15 s主電容充電完畢,由 C1=10 000 pF,可知 R =10 MΩ。在確定充電保護(hù)電阻阻值后,還需計算出所選電阻的功率,計算方法如下:
設(shè)變壓器輸出電壓為
圖4 沖擊電壓發(fā)生器的系統(tǒng)構(gòu)成
其中,ω為交流電壓角頻率。設(shè)電壓有效值為100 kV。高壓硅堆視為二極管半波整流,則整流后電壓有效值U約為45 kV。
對于RC充電回路而言,取R=107Ω,C1=0.1 μF,ω =2πf=314 rad/s,可求得流過保護(hù)電阻電流的有效值為
從而可求得電阻功率為
故可選擇電壓等級100 kV,阻值為10 MΩ,功率350 W的大功率高壓電阻。
2)高壓硅堆??紤]到縮短充電時間,充電變壓器經(jīng)常提高10%的電壓,因此硅堆的反峰值電壓
由于充電保護(hù)電阻阻值較大,故通過高壓硅堆的電流相當(dāng)小,因此當(dāng)整流高壓硅堆由兩只型號為2CL 120 kV-0.1 A的高壓硅堆串聯(lián)組成,兩端可承受120 kV交流電壓,可通過最大電流為0.1 A,完全可以滿足試驗要求。
3)波前電阻和波尾電阻。波前/波尾電阻按無感繞法繞制而成,按照W=0.5 CU2計算,當(dāng)沖擊發(fā)生器放電電壓達(dá)到100 kV時,電容C1存儲能量僅為500 J,這部分能量不會引起電阻絲過熱,所以選用普通規(guī)格康銅絲繞制即可達(dá)到本設(shè)計要求。此外,為調(diào)節(jié)波前時間,考慮到雜散電容和回路電感對波形產(chǎn)生的影響,將波前電阻設(shè)計為在370~520 Ω之間可調(diào)。
4)主電容與負(fù)載電容-分壓器的選取。選取MMJ 100-0.1的脈沖電容器作為儲能電容C1,電容器耐壓100 kV,電容量為0.1 μF。我們選用PDC-100弱阻尼電容分壓器負(fù)載電容C2,該分壓器電容值為1 000 pF,耐壓100 kV,經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓器校對后,確定該電容分壓器的分壓比為505.2∶1。該分壓器不僅作為沖擊發(fā)生器的負(fù)載部分,而且還將沖擊電壓信號衰減通過同軸電纜傳遞給示波器,起到充當(dāng)負(fù)載和分壓器的雙重作用。
高壓放電試驗電路中,一般使用的觸發(fā)裝置是球隙開關(guān)[15]。球隙開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)給點火電極施加與對面球電極極性相反的點火脈沖時,點火電極和接地球之間先引起沿絕緣管表面的沿面放電,然后引起與對面球電極之間的電場分布的畸變,從而使球間隙擊穿。
圖5 球隙開關(guān)結(jié)構(gòu)圖
本文設(shè)計的單脈沖點火裝置,如圖6所示。利用升壓電路將12 V直流電壓提升到140 V左右的直流電壓,以使點火變壓器得到合適的電壓,輸出脈沖電壓峰值可達(dá)15 kV。利用一款單片機組成的簡單電路來控制點火脈沖的觸發(fā)信號,在程序中不停地檢測按鈕狀態(tài),一旦檢測到可靠的按鈕按下,在按鈕抬起時提供一個觸發(fā)脈沖以產(chǎn)生一個點火火花,同時發(fā)光二極管閃亮一次以指示。
圖6 單脈沖點火器實物圖
綜上所述,本文設(shè)計完成了100 kV低儲能沖擊電壓發(fā)生器,通過理論計算與仿真相結(jié)合確定了沖擊低壓發(fā)生器的主要參數(shù)。經(jīng)實測后,所搭建的沖擊電壓發(fā)生器的波頭及波尾時間復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)雷電波的要求,滿足了薄膜試樣沖擊擊穿試驗的需要。
[1]BOGGS S A,ZHOE J Y.Dielectric property measurement of nonlinear grading materials[C]//IEEE Conf.Elect.Insul.Dielectr.Phenomena,2000:764 -767.
[2]H Y J,ROBERT R C,NELSON J K.Some mechanistic understanding of the impulse strength of nanocomposites[C]//Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric.New York,USA,2006:31 -34.
[3]李光范,廖薇明,李慶峰,等.7200kV/4800kJ沖擊電壓發(fā)生器的輸出電壓特性[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(25):1 -7.
[4]GOERZ D,F(xiàn)ERRIRRA T,NELSON D,et al.An ultra-compact Marx-type high-coltage generator[C]//13th IEEE Pulse Power Conf.Las Vegas.Nevada,USA,2001:628 -631.
[5]馬賓,丁衛(wèi)東,李峰,等.基于磁開關(guān)的重復(fù)頻率沖擊電壓發(fā)生器[J].強激光與粒子束,2010,22(3):469 -473.
[6]GRAHAM J D,GALE D G,SOMMARS W E,et al.Compact 400kV marx generator with common Switch housing[C]//11th IEEE International Pulse Power Conference.Baltimore,MD,USA,1997:1519-1523.
[7]CHEN Y -j,NEUBER A A,MANKOWSKI J,et al.Design and optimization of a compact,repetitive,high-power microwave system[J].Review of Scientific Instruments,2005,76(10):4703-4708.
[8]秦衛(wèi)東,李洪濤,顧元朝,等.200 kV快脈沖Marx發(fā)生器[J].高電壓技術(shù),2002,28(11):40 -51.
[9]王燕.沖擊發(fā)生器脈沖點火及延時裝置的改進(jìn)[J].實驗室研究與探索,2001,20(4):55 -56.
[10]劉宏偉,謝衛(wèi)平,李洪濤,等.緊湊型電感隔離快Marx發(fā)生器[J].高電壓技術(shù),2008,34(7):1436 -1439.
[11]張仁豫,陳昌漁,王昌長.高電壓試驗技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.
[12]劉軒東,李登云,孫鳳舉,等.用于納秒脈沖高壓測量的同軸型電容分壓器[J].高壓電器,2008,44(1):32 -33,36.
[13]張永輝,常安碧,甘延青,等.一種同軸高壓電容分壓器的設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2003,29(1):37 -38,41.
[14]王紅星,張國慶,蔡興國,等.光學(xué)電壓互感器精密電容分壓器的研制[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(8):72 -76,80.
[15]KUFFEL E,ZAENGL W S.Oxford,Oxfordshire[M].New York:Pergamon Press,1984:59 -61.