第5章冲击高压试验设备-1

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5.1冲击电压波形35.1冲击电压波形功用：1研究电力设备遭受大气过电压时的绝缘性能；2研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能；3作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分；4激光装置中作为电源装置。45.1冲击电压波形冲击电压波形的定义（Implusevoltage）雷电冲击电压实测雷电波：波头时间0.5~10s（50％为1～1.5s）；波尾时间20～90s（50％为40～50s）。全波截波操作冲击电压m/uU1.00.90.50.301O1T2TtPT11.67TT标准雷电冲击全波：1.2s/50s误差：峰值：±3%；波前时间：±30%；波尾时间：±20%5雷电冲击电压全波剩余曲线=记录曲线-基准曲线试验电压曲线：没有叠加震荡的估计曲线试验电压波形的幅值：21/12.2tmpempUUkfUUkff最大允许过冲10%6雷电冲击电压截波截断瞬间：电压跌落曲线上70%和10%的点连接的直线与跌落曲线的交点时刻；截断时间：Tc，视在原点与截断瞬间的时间差电压跌落特性：持续时间（1.67TCD）、跌落陡度（截断瞬间电压值/持续时间）（a）在波尾截断的雷电冲击；（b）在波前截断的雷电冲击振荡型雷电冲击电压波7冲击电压迅速上升到峰值，然后伴随着频率范围在15kHz-400kHz之间的阻尼振荡降低至零。有/无极性的改变。用包络线或频率表示其特性。8操作冲击电压波形以实际原点和波峰点作为波形参数基准点。标准操作冲击波：非振荡型，峰值误差：±3%；波前时间：250±20％半峰时间：2500±60％s。波前时间的计算：Tm=kTAB34t2.423.08101.5110TABKT9操作冲击电压波形冲击电压迅速上升到峰值，然后伴随着频率范围在1kHz-15kHz之间的阻尼振荡降低至零。有/无极性的改变。用包络线或频率表示其特性。10冲击电压发生器的额定电压与被试电力设备的标称电压之间的大致关系下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用被试电力设备标称电压（kV）35110220330500750冲击电压发生器额定电压（MV）0.4～0.60.8～1.51.8～2.72.4～3.62.7～4.23.6～6.0115.1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12Marx发生器rd是防止内部振荡的；r一般比R大一个数量级，不仅保护硅堆，而且可以使得充电均匀。并联充电、串联放电13关键：杂散电容来不及放电•杂散电容放电的快慢一方面取决于杂散电容的大小，另一方面取决于放电电阻R的大小，即杂散电容放电的时间常数。•在实际当中，有时候为了确保各级球隙能顺利自动放电，还需要采取措施增大杂散电容•雷电冲击与操作冲击波产生方法相同。Marx发生器14Marx发生器过程：首先C1充电，然后合上开关，C1经R1向C2充电，形成波头同时C1和C2经过电阻R2放电，形成波尾。15Marx发生器2R1Cu0u1R2CC1C2，C2和R1－波头电容和电阻，C1和R2－－波尾电容和电阻。高效回路02UUm02112UCCCUm中效回路低效回路16提高电压的方法高充电电压——电容器有限制多级数——同步问题双边充电的冲击电压发生器回路过电压倍数：1.5倍17常用的高效回路特点：波头和波尾电阻分散在各级小回路内，不需要额外的波头和波尾电阻。有利于装置集成。183000kV冲击电压发生器195.1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205.3.1基本回路的分析122UdUssasb拉普拉斯运算电路121211/dfdtftdttftbCCRRRRRRabCRRCRRdRCb式中：对其反变换，得2112expexputUstst式中，s1和s2是方程s2+as+b=0的两个根12122121211212,/2/2//tssbssassaabdssRCssss212112expexputUstst令2/0dudt可得峰值时间和峰值电压5.3.1基本回路的分析21121211210ln/1/expexpmmmmssTsssUUsTsTU01221200212121200121211/1/142142ftTssCCRTTCssCCCRTTCCssC已知s1和s2的值后，可以推出Rt和Rf的值5.3.2简化回路的近似计算分析222112expexputUstst波前时间主要取决于s2，波尾时间主要取决于s1波前时间段：2221expmuUst波尾时间段：221expmuUst令：212111,ssTT213.240.693ftTTTT12212dfCCTRRCC112dfTRRCC23112ttdRCCCRR回路效率近似为5.3.2简化回路的近似计算分析5.3.3考虑电感作用后的简化回路分析24回路电感明显影响波前，对波尾影响不大。1/ZsRsLsC1211UUssCsZs在临界阻尼条件下，反变换得1211211exp22CRRutUttCCLL1212,dfCCRRRCCC利用临界阻尼条件消去L，并令T2=RC，且U2m=C1U1/(C1+C2)22222211expmutUttTT2522222211expmutUttTT代入：12m22m(t)0.3U(t)0.9Uff12220.54871.9449tTtT210.6fttT再根据标准波形的定义，有22.33fTT12122.33fdfCCTRRCC考虑电感作用的波前时间12123.24fdfCCTRRCC不考虑电感作用的波前时间回路电感使得波前时间有所缩短！5.3.3考虑电感作用后的简化回路分析265.3.3考虑电感作用后的简化回路分析回路电感大小与负荷电容大小紧密相关。如果回路电感太大，则可连接的负荷电容很小。前面的公式是从临界阻尼条件中推导出来的，22.334.66fTTLC当产生标准雷电波形时，Tf=1.2us2CC考虑波前时间时，因此，1220.0663*10mCL27临界电感：38uHL1=1uHL2=38uHL3=120uHC122.5nC21.5nR150R2280R32.1kL120TCLOSE=0125.3.3考虑电感作用后的简化回路分析285.1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—充电不均匀29充电时间长，不均匀充电时间减少倍压充电回路多路充电解决充电不均匀，但结构很复杂305.4充电回路—充电不均匀双边充电，输出电压加倍B是气动开关，充电合上，放电断开。5.4充电回路-充电时间当充电电源为直流电压源时，可将充电回路等效为链式回路进行分析：11,nRnCRClln为级数nR总电阻，nC总电容02241exp4//2xtutUTTRCnnRnC5.4充电回路-充电时间将C0上的电压充电到90%Um对于DC，所需时间为002.3ctRC对于工频，所需时间为0015ctRC15/2ctrnRnC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355.1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3CCX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！375.5.1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10k，（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！385.5.1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102，在操作波时约为103衰减更快了！