第一篇稳态高电压试验设备第二章直流高电压试验设备主要内容

1第一篇稳态高电压试验设备稳态高电压试验设备第二章第二章直流高电压试验设备直流高电压试验设备主要内容1.简单整流回路2.高压硅整流器（硅堆）2.高压硅整流器（硅堆）3.倍压整流电路4.直流高压串级发生器5.小型化的直流高压发生器为什么需要直流高压试验设备？z大电容量试品（如电缆）的工频高压试验，需大容量试变。用直流高压代替交流试验，可避免电容电流，减少变。用直流高压代替交流试验，可避免电容电流，减少设备容量；z直流高压输电的发展，需各种直流高压试验；z直流高压设备作用为冲击发生器的电源；z其它技术领域的需要：如高能物理（加速器）、静电喷漆、织绒、除尘等。1.1半波整流电路T:工频试验变压器；C：滤波电容；D：高压硅堆；R：保护电阻；RX：试品保护电阻R作用¾限制试品RX（或C）闪络时的过电流，保护D、T。1.1半波整流电路限制试品RX（或C）闪络时的过电流，保护D、T。¾限制电源向C突然充电时的电流，保护D、T。¾抑制试验中瞬态过程的过电压。R的选择：使硅堆允许的瞬间过载电流峰值≥事故电流峰值。1.1半波整流电路z无负载（Rx=∞）时z有负载时有负载时Umax,Umin,Ud:输出直流电压的最大值、最小值、平均值；UT:试验变压器输出电压(有效值)半波整流电路输出电压波形21.2直流高压设备的基本参数①额定直流电压：adUUUU=+≈2minmaxU②额定直流电流：③电压纹波幅值:④电压纹波系数：xddRUI=2minmaxUUU−=δdUUSδ=IEC规定：S≤5%；而GB规定：S≤3%1.2直流高压设备的基本参数⑤输出电压降：无负载输出电压值与带载时的最大电压之差。2UUUΔ⑥输出平均电压降：无负载输出电压与带载时的输出直流平均电压之差。max2UUUT−=ΔdTaUUU−=Δ2UUUaδ+Δ=Δ可推导出：1.3整流电路的计算1.3整流电路的计算Q1:试验变压器在t1时间送出电荷；Q2:试验变压器在t1时间对电容的充电电荷；Q2:试验变压器在t1时间对电容的充电电荷；ΔQ:在t1时间流经试品的放电电荷；Q1=Q2+ΔQTQId1=平均电流：CQU221⋅=δ纹波幅值：1.3整流电路的计算TQId1=平均电流：fCICTICQCQUdd222212==≈=δ纹波幅值：CRTfCUIUUSxddd22===δ电压纹波系数：1.3整流电路的计算工频试变容量估算：WT=（2~2.5）UdId工频试变容量估算：TddC额定电压：adTcUUUUΔ+==2C容量？3限流电阻R’R’作用：防止Rx闪络或击穿时，C被完全短路放电而损坏，而且可以限制用接地杆对C上残余电荷放电时电流过大。2高压硅堆2.1高压硅堆基本参数硅二极管正、方向伏安特性2.1高压硅堆基本参数1、额定整流电流If通过硅堆的正向电流在一个周期内的平均值，运行中应选择硅堆I≥I。中应选择硅堆If≥Id。2、正向压降Uf当硅堆通过的正向电流为额定值If时在硅堆两端的压降。3、额定反峰电压Ur当硅堆截止时在硅堆两端允许出现的最高反向工作电压峰值。2.1高压硅堆基本参数4、反向平均电流Ir：在最高反向工作电压作用下流过管子的反向电流平均值。均值。5、额定过载电流（Is）：在负载击穿或闪络时，硅堆能够允许的短时过载电流平均值。6、额定工作频率：工频高压硅堆（2DL）3kHz高频高压硅堆（2DGL）3kHz2.2高压硅堆使用中的问题¾在自然冷却下的If，若油冷，If可约提高一倍。¾在高于室温的较高环境温度下工作时，硅堆的I¾在高于室温的较高环境温度下工作时，硅堆的If应相应降低。¾PN结的功率损耗对结部加热使结温升高。而结温还与电流波形和施加的反向电压有关。3硅堆的电压分布和均压措施3.1硅堆的电压分布硅堆反向运行等效电路图Ch：单管对高压端的杂散电容；Ce：单管对地的杂散电容Rr：反向电阻（MΩ~几千MΩ）；Cr：结电容（pF级）43.1硅堆的电压分布z对地电容Ce，使得电压分布不均，越靠近高压端的硅二极管承受的反压越大。z高压杂散电容Ch，使电压分布不均，越接近接地端的硅二z高压杂散电容Ch，使电压分布不均，越接近接地端的硅二极管承受的反压越大。z综合Ce、Ch作用及CeCh，硅堆上的电压分布为两端大中间小，而承受反压大的单管在高压端附近，以高压端第一个单管为最大。zCr大或Rr小（容抗、电阻小），Ce、Ch作用相对减小，电压分布均匀些。3.2硅堆的均压措施z减少串联的管数n；（n的减少受单管制造水平和限制）。单管两端并联大电容和小电阻，强迫均压；z单管两端并联大电容和小电阻，强迫均压；z用高压雪崩型整流元件，击穿时动态电阻减小，实现自动均压。4倍压电路4.1半波整流叠加倍压电路4.1半波整流叠加倍压电路特点：z变压器T次级电压UT，A点对地绝缘为，A′U22z变压器T次级电压UT，A点对地绝缘为，A点为。z硅堆反峰电压为：z电路输出电压为：TU22TU22TU2TU224.2倍压电路4.2倍压电路①变压器T一端接地；特点：②硅堆反峰电压为：电路输出电压为：TU22③C1峰值电压:C2峰值电压:④该电路为串级直流装置的基本单元。TU22TU254.2.1无负载时的电路工作原理4.2.1无负载时的电路工作原理4.2.1无负载时的电路工作原理mmmmcUUCCUCUU16292128132=++=下一周期：mmcC16222mmmmmmcUUUUCCUCUU12825364125326121216292→→=++=再下一周期：可见经6.25周期（0.125s）即已基本充电到2Um,之后D1、D2完全处于截止状态。4.2.1无负载时的电路工作原理（稳态时）点1电位以正弦波在2UM~0间波动；点3电位以正弦波在－UM~UM间波动。4.2.2带负载时的电路分析计算t1时：C1送出电荷Q1，一部分对C2充电Q2；一部分对负荷放电△Q；△Q1=Q2+△Qt2时：C2对负荷放电Q21112022fCIUCQUUdMMM−=−=①t1：每周期C1送出Q1，电压降Q1/C1)(211120fCICQUUUdMM==−=Δ4.2.2带负载时的电路分析计算64.2.2带负载时的电路分析计算②t2：C2放出电荷Q2，C2电压降Q2/C2QQ222020CQUUMm−=222020CQUUUmM=−=Σδt2t1,122QQTt≈⇒≈221222fCICQUUd===Σδδ4.2.2带负载时的电路分析计算221222fCICQUUd===ΣδδfCIfCIfCIUUUddda23221=+=+Δ=ΔδfCIUUUUUdMaMad2322−=Δ−=≈xdddfCRfCUIUUS212或==δ5直流高压串级发生器5.1直流高压串级发生器的工作原理5.1.1无负荷时的稳态分析稳态时，Un=2Um，Un’→0~2Um之间变动。当Un’2Um时，Cn经Dn-1’向Cn-1’充电，直到Cn-1’上的电压为Un=2Um为止。故(n-1)’点电位在2Um~4Um之间变动→(n-1)点电位U(n-1)：4Um(即U(n-1)=2Um)点1’：在2(n-1)Um→点1：2nUm5.1.1无负荷时的稳态分析直流高压串级发生器无负荷时各点电位5.1.2有负荷时的电路分析75.1.2有负荷时的电路分析一周期内充、放电过程:（A）t0内（UT:→+Um）:左柱经D1、D2、…，D（横置硅堆）向负荷及右柱放电。左柱经D1、D2、…，Dn（横置硅堆）向负荷及右柱放电。（B）t1内（UT：+Um→负值）:右柱向负荷放电。（C）t2内（UT:→-Um）：右柱向负荷放电，右柱经D1’、D2’…，Dn’（斜置硅堆）向左柱放电，Cn’由电源充电。（D）t3内（UT:→正值）：右柱向负荷放电。5.1.2有负荷时的电路分析电路分析:z一周期内左、右柱电荷的收支应平衡；z一周期内左、右柱电荷的收支应平衡；z一周期内负荷获取总电荷为Q1：其中一部Q2由右柱在（t1+t2+t3）内供给，另一部分ΔQ由左柱在t0内供给。5.1.2有负荷时的电路分析电压脉动分析:在t阶段，斜置硅堆（D’、D’、、D’）全部在t0阶段，斜置硅堆（D1’、D2’、…、Dn’）全部截止，横置硅堆（D1、D2、…、Dn）全部导通，一周期内左柱送出电荷为Q1（负荷△Q+右柱Q2）。5.1.2有负荷时的电路分析电压脉动分析:5.1.2有负荷时的电路分析∴左柱C1’～Cn’各电容失去Q1右柱C1～Cn各电容获得Q2左柱经D送出电荷Q左柱经D2送出电荷Q1∴左柱C2’～Cn’各电容再失去Q1右柱C2～Cn各电容再获得Q1左柱经D3送出电荷Q1∴左柱C3’～Cn’各电容再失去Q1右柱C3～Cn各电容再获得Q1左柱经Dn送出电荷Q1∴左柱Cn’各电容再失去Q1右柱Cn各电容再获得Q1∙∙∙∙∙∙电压脉动分析:5.1.2有负荷时的电路分析左柱失电荷右柱获电荷C1’：Q1C1：Q2C2’：2Q1C2：Q1+Q2C3’：3Q1C3：2Q1+Q2Cn’：nQ1Cn：(n-1)Q1+Q2∙∙∙∙∙∙8（a）在一周期内，任一电容器的充电和放电电荷是电压脉动分析:5.1.2有负荷时的电路分析（a）在一周期内，任一电容器的充电和放电电荷是平衡的。但各级电容器的充电或放电电荷是不同的，越是下面，充、放电荷量越大，与级数成正比，最下一级为：nQ1（左），或(n-1)Q1+Q2(右)。（b）通过各整流元件的电荷量相同，皆为Q1。右柱脉动分析总脉动电压脉动分析:5.1.2有负荷时的电路分析∑=Σ−+=nkkCQkQU112)1(δ电压脉动分析:5.1.2有负荷时的电路分析压降分析：左柱右柱5.1.2有负荷时的电路分析Ｕm'12nmCnQU−nndnnmCttICQnCnQU)()1(2211'1+−−−−n-1'11211'1)1()()1(2−−−+−−−−nnnnmCQnCttIdCQnCnQU1112121'111'1)2()()()1()1(2−−−−−+−+−−−−−−nnnnnnmCQnCttIdCttIdCQnCQnCnQU2'11112121'111'1)2()2()()()1()1(2−−−−−−−−+−+−−−−−−nnnnnnnMCQnCQnCttIdCttIdCQnCQnCnQUn-2压降分析：若令各电容值相等为C,221Ttt=+)1'2)('2('2kknQkQnQ+压降分析：1111'2)12)(2(2)]'()2()1[(2QCkknCQkknnnCQCnQUkn+−=+−+−+−+=Δ−6382]2)1(6)12)(1(2)12([2=)122)((22321111nnnfcIdnnnnnnnCQknknCQUUnknkk++=++++−++−+=Δ=Δ∑∑==右柱总压降：9发生器平均压降)234(23nnnIUUUd++=+Δ=Δδ压降分析：)234(6nnnfcUUUa+++ΔΔδ)234(62223nnnfcIdnUUnUUUmamad++−=Δ−==发生器平均输出电压纹波系数xddfCRnnorfcUInnS4)1(4)1(++=)234(6223nnnfCInUUdmd++−=直流串级发生器级数的选取)613()136(3222nnnnfCIUddUdmnd+++−=临界级数dMcIfCUn=1、提高每级电容器工作电压以减小级数n；2、增加每级电容器的电容量；5.２直流串级发生器减小脉振压降的途径2、增加每级电容器的电容量；3、采用400~500Hz中频或高频充电电源4、采用对称回路或三相电路。对称回路或三相电路对称回路三相回路对称回路或三相电路分析普通回路：右柱在一周内仅在很短时间（t0）内获得电荷，而在差不多一周时间（t+t+t）内流失电荷。多一周时间（t1+t2+t3）内流失电荷。对称回路：右柱在每半周内获电荷一次，而流失电荷时间不到半周。三相回路：右柱在每1/3周期内获得电荷一次，而流失电荷的时间不到1/3周期。缺点：增加了元件、结构较为复杂对称回路或三相电路分析105.３小型直流高压串级发生器串级直流发生器往往很笨重往往是由于电容太重