第5章冲击高压试验设备

1戴玲[e-mail]2015年11月高电压测试技术第5章：冲击高压试验设备25.1冲击电压波形5.2冲击电压发生器的基本原理5.3放电回路的数学分析5.4充电回路5.5冲击电压发生器的同步5.4充电回路—效率()()10202ddtRCCrrRn+≥+∑()()1020ftCrRCR+≥5.4充电回路—变压器容量22.5/cmPnCUt≈充r远大于R，多级充电回路可简化为：充电电流可近似为()mItknrCite−=对于交流电源，当t=15nrC时，uc(t)=0.9Um，i(t)=0.1Im，因此，k≈6.k为与直流电源充电相比的减慢程度的系数因此，将k=6代入，得充电电流在充电时间内的有效值22001230mttknrCtmmUedtidtrUUnrCIttrtr−===≈∫∫为了缩短充电时间，通常使得变压器输出电压比电容器电压高10%，所以充电变压器的容量为：1.1mcmUU=()21.1123060cmmmUUUPUIrr===将r=15nC/t代入，得实际会取比2.5更大一些的系数55.1冲击电压波形5.2冲击电压发生器的基本原理5.3放电回路的数学分析5.4充电回路5.5冲击电压发生器的同步5.5冲击电压发生器的同步5.5.1中间球隙过电压状态分析当间隙g1击穿后，理想状态下，g2上出现的过电压为2U实际上，g2的电压还受到间隙电容C2和充电电阻R的影响间隙电容C2的影响：当Y点电压为U时，分配到X点的电压为：22123xCUUCCC=++3CCX点原有电位：1xUU=−因此，X点的总电位：13221123123xxxCCCUUUUUUCCCCCC+=+=−=−++++因此，g2两端的电压为：1321231gYxCCUUUUCCC+=−=+++C1、C3是杂散电容，不比C2大。所以过电压倍数并不高！75.5.1中间球隙过电压状态分析充电电阻R的影响：当Z点电位变为0时，X点经R向Z放电，时间常数约为t=(C1+C3)R；Y点经R向W充电，时间常数也约为t=(C1+C3)R因此，总的g2间隙电压的衰减时间为上述衰减过程之和，时间常数为1/2t；R通常为10kΩ，（C1+C3）通常为0.1pF-1pF，因此t为0.01us-0.1us球隙放电还需要一定时延，因此实际g2的过电压衰减了很多！85.5.1中间球隙过电压状态分析常用的高效率发生回路1321231gYxCCUUUUCCC+=−=+++间隙电容C2的影响：充电电阻R的影响：时间常数t1：R(C1+C3)≈0.1us-0.01us时间常数t2：(rf+rt)(C1+C3)≈0.01us-0.001us（rf+rt）在雷电波时越为102Ω，在操作波时约为103Ω衰减更快了！5.5.2改善发生器同步性能的措施为避免球隙放电的分散性，有人认为过电压倍数不应低于1.2倍，但实际情况，有些时候的过电压倍数只有1.1倍左右。改善同步性的措施：1用增加杂散电容的方式提高过电压加入Rg和Cg后，X点电位有更长时间可被固定住，实际过电压可达到理想状态的1.5倍。g2击穿后，后面球隙的击穿就比较容易了。2照射促使间隙放电放电球隙布置在同一垂线上5.5.2改善发生器同步性能的措施3每级球隙都带触发极利用球皮与针极之间的放电产生的小火花引燃间隙g；高阻值r起到隔离电位的作用。触发脉冲使得T1a和T1b针极和球皮放电，引燃g1；U1’从+U→0U1从0→-UT2b：球皮电位保持为U1的0，针极电位变为-U，因此放电；T2a：球皮电位受U1’的影响，趋向0电位，针极电位保持为U2’的+U电位，因此放电；G2放电以此类推…5.5.2改善发生器同步性能的措施4多级球隙多级间隙及其在冲击电压发生器中的位置电容链起始电压分布124多级球隙5.5.2改善发生器同步性能的措施优点：1使用过程不需要调整球隙；2多级球隙可以做出封闭式的；缺点：1结构复杂、制作困难2发生器的利用效率降低；3电极易受电弧烧蚀；4容易熄弧。135.6波形振荡5.7发生器的结构5.8产生截波的方法5.9产生操作波的方法5.10产生陡波前的方法5.6波形振荡1212,dfCCRrRCCC=+=+∑临界阻尼条件为：2LRC≥国标中允许10%的过冲β，因此系数k有望扩大LRkC≥在欠阻尼状态下，()()()201expsinutUttωαωϕω=−−+2211100121,,,,2CRUUtgCCLLCωαωωωαϕα−====−=+其中为求峰值，令()2/0dudt=1tntgnωωπϕπα−=+−=时出现极值。在第一个极值出现的时刻，即可计算过冲β22max/211expexp4tuukUUkπωαπβπω==−=−=−=−−（1）当β=0.1时，k=1.18155.6波形振荡e.g.0000.15,30,0.01,980,2.26,C600pF,'40pFdftCFLHrRRkCµµ===Ω=Ω=Ω==0=0.588CCCnFn=总串带负载电容C0，忽略对地电容时C0’0150LnLHµ==总/505LC=Ω总总980R=Ω总波形未发生振荡！1.18/2/LCRLC165.6波形振荡e.g.空载情况分析空载时，=0.03CCFnµ=总0150LnLHµ==总/70LC=Ω总总0.05dRr==Ω∑总1.18/RLC波形发生了强烈振荡！不考虑C0’,振荡周期为0.763us不考虑杂散电容C0’考虑杂散电容C0’175.6波形振荡接入负载后，可视为Rf和C0组成了滤波器，使得波前变得光滑了。滤波器的截止频率：当插入损耗Lin为3dB时，对应该滤波器的截止频率为fc=173kHz由空载波形可得，振荡波频率为f=1/T=1/0.763us=1.31MHzffc高频分量被滤除，剩余部分被平滑为低频波形。18固有电感的测量短路法测回路电感把各级波头电阻和波头电容短接起来，较低电压下使球隙放电，测振荡频率。112fCLnπ=19放电回路电感估算用几个水平环和一个垂直矩形框代替一个n级螺旋形放电回路。总电感＝外环电感＋n个单匝电感30042ln10lLlCHdµ−=−×长度单位：cmC－与线圈形状相关的系数线圈形状圆形正六角形正方形等边三角形常数2.452.6362.8533.197单匝线圈20杂散电容的测量通过测振荡频率测杂散电容21(')2(')ddfCCCnLCCCnπ=+++开路法测杂散电容21杂散电容的估算224ln43lClhldhlπε=++垂直于地导体对地电容22222216ln16llClhlldhllπε=+−++高压引线对地电容225.6波形振荡5.7发生器的结构5.8产生截波的方法5.9产生操作波的方法5.10产生陡波前的方法235.7发生器结构应用最多基本不用2425屏蔽罩与安全距离如只产生雷电冲击电压波，则顶部不必采用大尺寸的屏蔽电极。可按正棒-负板的冲击特性，即500kV/m乘上适当系数，确定对周围物体的安全距离。如还要产生操作冲击波，则发生器的顶部必须装设大尺寸的屏蔽电极。27对于额定电压较低的冲击电压发生器，应保证电极表面的最大电场强度小于起始游离电场强度。对标准操作冲击电压250/2500us，可取起始游离电场强度为22～25kV/cm。屏蔽罩与安全距离28295.6波形振荡5.7发生器的结构5.8产生截波的方法5.9产生操作波的方法5.10产生陡波前的方法5.7产生截波的方法30（a）在波尾截断的雷电冲击；（b）在波前截断的雷电冲击产生截波的基本回路截断装置如采用自放电球隙，则截断只能发生在波尾，而且不好控制。截断装置可采用可控球隙。315.7产生截波的方法截断时延=4部分时延之和：1.延时回路时延2.闸流管放电时延3.针孔放电时延4.主截断间隙放电时延延时回路时延：主要调节放电时延的量。闸流管放电时延：一般为0.几us，加大触发脉冲电压可减小此时延；针孔放电试验：一般为0.03-0.05us，加大触发脉冲电压可减小此时延；主截断间隙时延：关键控制量。325.7产生截波的方法放电时延与Vc/V50%的关系Uc——截断电压U50%——球隙50％放电电压Uc/U50%比值越接近1，放电时延和分散性越小随间隙距离增大，放电时延迅速增大。短间隙的放电时延比较低。335.7产生截波的方法截断电压很高时，单个球的直径就需要很大，l/D0.4对策：多段式截断间隙放电性能改善34355.6波形振荡5.7发生器的结构5.8产生截波的方法5.9产生操作波的方法5.10产生陡波前的方法5.9产生操作冲击波的方法（1）Marx发生器36效率比较低（R和rf、rt接近同一数量级，充电电阻参与放电），η接近50％。375.9产生操作冲击波的方法（1）Marx发生器121121321323323RRrRRRRrRRRRrRR=+=+=+()()()()2112expexputUststξ=−()()()()12122121211212,/2/2//tssbssassaabdssRCssssξ=+=−=−±−=−=−()()()()()121211/dfdtftdttftbCCRRRRRRabCRRCRRdRCb=+++=+++=式中：385.6波形振荡5.7发生器的结构5.8产生截波的方法5.9产生操作波的方法5.10产生陡波前的方法395.10产生陡波前的方法废气的处理水华处理混凝土碎化40LR1rKC2R2ULC1影响因素1——放电回路的固有电感和电容采用无感器件（如同轴电缆）减小放电回路尺寸，减小电感一、影响陡度的因素4141影响因素2——间隙导通时间（放电形成时延）++++++++++++++E流注的形成可以认为是短间隙击穿条件－－电导率增大。火花电导率增长的特征时间大气条件下，间隙导通时间10~20ns。()22222002212pdpdpaUapUapEθ===4242缩短间隙导通时间的方法（1）气体压力P和E/P越大，θ越小，放电时延越小。间隙距离为毫米级，气压为10atm以上，θ1ns。采用压缩气体间隙或油间隙（2）过压击穿（3）陡化器()22222002212pdpdpaUapUapEθ===陡化器—方法143波前陡度只取决于C2、g4、RL回路。可获得40ns-100ns的陡波。44陡化器—方法2R2GC3R~D1D2T2AC220R1C2C1SCR触发板触发信号1触发信号2T1-505101520-160-120-80-4004080120160U/kVt/us0.5kV1.0kV1.4kV1.6kV1.7kV-1000100200300400500600700-140-120-100-80-60-40-20020BA135kV,44.8ns135kV,42.4ns陡化器举例