100kV單級沖擊電壓發生器的研制

張煥強，張曉虹，唐力則，黃樹強，黃培新

(1.廣東電網公司潮州供電局，潮州521000;2.哈爾濱理工大學電介質工程及應用省部共建教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

在電力系統中，許多高壓電器都受到沖擊電壓的影響，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［1－2］。沖擊電壓發生器用于模擬高壓設備需承受的雷電過電壓和操作過電壓［3－4］。在進行沖擊擊穿測試時，被測試樣處于沖擊發生器與測量電流的電子測量設備之間，隔離了試驗區的高壓側與低壓側，以防止設備損壞。沖擊電壓試驗系統是研究納米復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生器的放電電壓在1 000 kV以上，而納米復合材料擊穿電壓只有幾十千伏。同時，進行局部放電的小型脈沖電壓發生器的放電電壓最高只有幾千伏，達不到試樣擊穿電壓等級。為滿足復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低儲能單級標準雷電波沖擊電壓發生器。

1 基本原理

標準單級沖擊電壓發生器的電路如圖1所示［11］。高壓直流電源向儲能電容C1充電。待充電結束后，觸發火花開關G。電阻與電容之間的參數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載。納米復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 標準單級沖擊電壓發生器電路圖

2 主回路參數計算及仿真

經計算，波前電阻為520 Ω，波尾電阻為715 Ω。確定了元件參數后，采用Tina Pro軟件對放電回路進行仿真，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t=2 μs時，波形達到峰值Um=97.5 kV;當電壓上升至 0.9 Um=87.75 kV時，所對應的時間恰好為1.2 μs。在電壓下降至0.5Um=48.75 kV 時，對應時間為 51.54 μs。

3 系統構成與元件選取

沖擊電壓發生裝置系統構成如圖4所示。

1)保護電阻。考慮到，充電時間T充=15 RC，其中R是充電保護電阻，C1是主電容。現要求15 s主電容充電完畢，由 C1=10 000 pF，可知 R =10 MΩ。在確定充電保護電阻阻值后，還需計算出所選電阻的功率，計算方法如下:

設變壓器輸出電壓為

圖4 沖擊電壓發生器的系統構成

其中，ω為交流電壓角頻率。設電壓有效值為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。考慮到縮短充電時間，充電變壓器經常提高10%的電壓，因此硅堆的反峰值電壓

由于充電保護電阻阻值較大，故通過高壓硅堆的電流相當小，因此當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，當沖擊發生器放電電壓達到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，所以選用普通規格康銅絲繞制即可達到本設計要求。此外，為調節波前時間，考慮到雜散電容和回路電感對波形產生的影響，將波前電阻設計為在370～520 Ω之間可調。

4)主電容與負載電容－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載電容C2，該分壓器電容值為1 000 pF，耐壓100 kV，經由標準電阻分壓器校對后，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生器的負載部分，而且還將沖擊電壓信號衰減通過同軸電纜傳遞給示波器，起到充當負載和分壓器的雙重作用。

4 點火裝置

高壓放電試驗電路中，一般使用的觸發裝置是球隙開關［15］。球隙開關的結構如圖5所示。當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 球隙開關結構圖

本文設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信號，在程序中不停地檢測按鈕狀態，一旦檢測到可靠的按鈕按下，在按鈕抬起時提供一個觸發脈沖以產生一個點火火花，同時發光二極管閃亮一次以指示。

圖6 單脈沖點火器實物圖

5 結束語

綜上所述，本文設計完成了100 kV低儲能沖擊電壓發生器，通過理論計算與仿真相結合確定了沖擊低壓發生器的主要參數。經實測后，所搭建的沖擊電壓發生器的波頭及波尾時間復合標準雷電波的要求，滿足了薄膜試樣沖擊擊穿試驗的需要。

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