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        100kV單級沖擊電壓發(fā)生器的研制

        2013-08-21 07:05:28張煥強張曉虹唐力則黃樹強黃培新
        黑龍江電力 2013年1期
        關(guān)鍵詞:分壓器電容波形

        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。

        1 基本原理

        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

        2 主回路參數(shù)計算及仿真

        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。

        3 系統(tǒng)構(gòu)成與元件選取

        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。

        4 點火裝置

        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

        5 結(jié)束語

        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。

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