基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙　濤，楊津鳴，王資博，郭　沁，郁利超，高　麗

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北保定071003)

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基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙濤，楊津鳴，王資博，郭沁，郁利超，高麗

(華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北保定071003)

電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中可能遭到雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的作用，由于其自身電壓等級(jí)、額定功率和設(shè)計(jì)布局等差異，導(dǎo)致入侵的電壓波形通常和IEC標(biāo)準(zhǔn)有很大不同，評(píng)估其絕緣強(qiáng)度時(shí)有必要開(kāi)展不同波形參數(shù)沖擊電壓下典型絕緣擊穿特性試驗(yàn)研究。為此設(shè)計(jì)并搭建了一套基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的沖擊電壓發(fā)生器，通過(guò)調(diào)節(jié)回路中電容和電阻參數(shù)，可產(chǎn)生包括標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓等7種不同波形參數(shù)的沖擊電壓。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與回路仿真所得波形近似，沖擊電壓的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許的偏差范圍。

固態(tài)開(kāi)關(guān)；沖擊電壓發(fā)生器；波形參數(shù)

0　引言

電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中除了要承受長(zhǎng)期的工作電壓外，還可能承受短時(shí)的雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓等不同波形參數(shù)過(guò)電壓的作用。對(duì)于大型電力變壓器的沖擊試驗(yàn)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓來(lái)評(píng)估其絕緣強(qiáng)度[1-3]。然而，由于電壓等級(jí)、額定功率和設(shè)計(jì)布局的差異都會(huì)改變變壓器回路參數(shù)，導(dǎo)致入侵的雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間通常和IEC標(biāo)準(zhǔn)有較大不同，所以有必要開(kāi)展不同波形參數(shù)沖擊電壓下變壓器典型絕緣擊穿特性試驗(yàn)研究[4-5]。本文針對(duì)不同波形參數(shù)沖擊電壓發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為后續(xù)的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

沖擊電壓源一般采用Marx回路，通過(guò)球隙的絕緣和擊穿來(lái)控制主電容的充放電，進(jìn)而獲得需要的沖擊電壓輸出。文獻(xiàn)[6]對(duì)某沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓、500 μs和1 000 μs長(zhǎng)波頭操作沖擊電壓的輸出特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)沖擊電壓放電等值回路的數(shù)學(xué)分析，給出了調(diào)波電阻的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[7]研制了一種可產(chǎn)生IEC60060-1中規(guī)定的雷電全波的沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源，計(jì)算分析了回路中元件對(duì)輸出沖擊電壓波形參數(shù)的影響。該文采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)MOSFET作為沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源的開(kāi)關(guān)，保證了沖擊源的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的沖擊電壓源，較大抑制傳統(tǒng)依靠球隙電弧開(kāi)關(guān)的沖擊源導(dǎo)通瞬間引起的強(qiáng)烈干擾，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊電壓波頭時(shí)間段內(nèi)的局部放電檢測(cè)。

本文基于文獻(xiàn)[8]2327方案，采用固態(tài)開(kāi)關(guān)代替球隙，通過(guò)對(duì)回路中主電容、負(fù)載電容、波前電阻和波尾電阻的參數(shù)設(shè)計(jì)，搭建了一套可以產(chǎn)生包括標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的多波形參數(shù)沖擊電壓發(fā)生器，為后續(xù)的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1　沖擊電壓發(fā)生器原理

圖1為傳統(tǒng)沖擊電壓發(fā)生器原理圖，直流電壓源通過(guò)保護(hù)電阻Rd對(duì)主電容C1進(jìn)行充電，充電完成后觸發(fā)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，主電容對(duì)波頭電阻Rt和波尾電阻Rf放電，同時(shí)經(jīng)波頭電阻對(duì)負(fù)載電容C2充電，形成上升的電壓波前，負(fù)載電容上的電壓被充到最大值后，反過(guò)來(lái)經(jīng)波頭電阻和主電容回路一起對(duì)波尾電阻放電，形成下降的電壓波尾，從而產(chǎn)生沖擊電壓全波波形。通過(guò)調(diào)節(jié)波前、波尾阻值，實(shí)現(xiàn)不同波形參數(shù)的沖擊電壓輸出。

圖1　沖擊電壓發(fā)生器原理圖

國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓兩種波形的參數(shù)做出了明確的規(guī)定，為搭建沖擊電壓發(fā)生裝置提供了理論基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，其參數(shù)要求如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的沖擊電壓發(fā)生器采用圖1所示回路。其中回路開(kāi)關(guān)選用高壓MOSFET組成的固態(tài)開(kāi)關(guān)，參數(shù)指標(biāo)為耐壓90 kV，耐受電流100 A，開(kāi)通延遲時(shí)間為250 ns，導(dǎo)通時(shí)間約為50 ns，導(dǎo)通電阻為32 Ω。為了產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)雷電、標(biāo)準(zhǔn)操作等多種波形參數(shù)沖擊電壓，需要對(duì)回路各電容、電阻等元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2　沖擊電壓發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓

本文選用的固態(tài)開(kāi)關(guān)耐受電流為100 A，為防止放電電流過(guò)大損壞開(kāi)關(guān)，同時(shí)考慮到標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓所用波前電阻和波尾電阻可能較小，因此電容選擇不宜過(guò)大，選用主電容為22 nF，電容分壓器兼做負(fù)載電容，為0.3 nF。

根據(jù)圖1所示回路，忽略回路電感的影響，采用公式(1)和(2)來(lái)對(duì)回路的波前電阻和波尾電阻進(jìn)行估算[9]。

(1)

(2)

式中：Tf為沖擊電壓的波頭時(shí)間；Tt為沖擊電壓的波尾時(shí)間；Rf與Rt分別為波頭與波尾電阻；C1與C2分別為主電容與負(fù)載電容的電容值。

為了更準(zhǔn)確獲得不同元件參數(shù)下沖擊源輸出的沖擊電壓波形參數(shù)，以及回路效率和回路最大電流，在對(duì)回路元件參數(shù)估算的基礎(chǔ)上，利用Matlab的電力系統(tǒng)元件模塊庫(kù)建立沖擊電壓發(fā)生器放電回路的仿真模型，如圖2所示，最終確定標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓發(fā)生器參數(shù)如表2所示。

圖2　沖擊源仿真電路模型

主電容/nF波頭電阻/kΩ波尾電阻/kΩ分壓器電容/nF221.43.10.3

圖3　仿真電壓和電流波形

當(dāng)主電容充電電壓設(shè)置為50 kV時(shí)，仿真沖擊源輸出電壓和電流波形如圖3所示，沖擊電壓波形參數(shù)結(jié)果如表3所示。沖擊電壓波形滿足標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓要求，通過(guò)圖3(b)可以看出，50 kV下回路中最大電流Ic為51.2 A，未超過(guò)固態(tài)開(kāi)關(guān)對(duì)回路電流的要求，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，當(dāng)主電容充電電壓90 kV時(shí)，達(dá)到固態(tài)開(kāi)關(guān)最大電流限值。

表3　標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓仿真結(jié)果

2.2其他不同波形參數(shù)沖擊電壓

沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生其他波形參數(shù)的沖擊電壓在原理上是相同的，只是波前時(shí)間和半峰值時(shí)間均較雷電沖擊電壓要長(zhǎng)，這就要求沖擊電壓發(fā)生器的放電時(shí)間常數(shù)增加，即要求放電回路中的電容和電阻的大小增加[10]。

考慮到開(kāi)關(guān)有最大電流的限制，而且波頭和波尾電阻阻值的大幅度增加要保證使其具有很高的絕緣強(qiáng)度和熱容量，這在制作電阻的過(guò)程中難度很大[11]。綜合以上因素，考慮將主電容和負(fù)載電容適當(dāng)增大，以獲得相對(duì)較小的波頭和波尾電阻阻值。設(shè)計(jì)中將主電容增大到200 nF，負(fù)載電容在已有的電容分壓器上并聯(lián)一個(gè)0.85 nF的耦合電容，則總負(fù)載電容增大到1.15 nF。

在產(chǎn)生波前時(shí)間和半峰值時(shí)間較長(zhǎng)的沖擊電壓波形時(shí),由于波頭電阻和波尾電阻的電阻值遠(yuǎn)大于臨界阻尼電阻，此時(shí)電阻的電感對(duì)操作沖擊電壓波形的影響不大，因此回路中忽略電感的影響[11]。

通過(guò)沖擊電壓發(fā)生器簡(jiǎn)化回路的估算公式和電路仿真，最終確定6組不同波形參數(shù)的沖擊電壓發(fā)生器參數(shù)。當(dāng)主電容充電電壓設(shè)置為50 kV時(shí)，仿真沖擊源輸出沖擊電壓和電流等參數(shù)如表4所示。其中對(duì)于波形1，當(dāng)主電容充電電壓為63 kV時(shí)，達(dá)到固態(tài)開(kāi)關(guān)最大電流限值。對(duì)于波形2，當(dāng)主電容充電電壓為85 kV時(shí)，達(dá)到固態(tài)開(kāi)關(guān)最大電流限值。其他波形情況下主電容充電電壓小于100 kV時(shí)，均能滿足固態(tài)開(kāi)關(guān)最大電流限值要求。

表4　其他波形參數(shù)沖擊電壓仿真結(jié)果

3　回路搭建和實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1回路搭建

依據(jù)確定的元件參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室搭建沖擊電壓發(fā)生器，對(duì)不同元件參數(shù)下的輸出沖擊電壓波形進(jìn)行測(cè)試。為了盡量抑制沖擊電壓發(fā)生器所帶來(lái)的干擾，采取了以下措施：

(1)沖擊電壓發(fā)生器回路接地線全部采用銅皮接地，保證接地良好。

(2)沖擊電壓發(fā)生器高壓引線采用直徑6 mm的光滑銅管，長(zhǎng)度盡量縮短，且將接頭處進(jìn)行打磨處理，防止高壓引線發(fā)生局部放電混入測(cè)量系統(tǒng)。

(3)測(cè)量示波器通過(guò)隔離變壓器連接電源，保護(hù)示波器并隔離部分干擾。

3.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試

依次對(duì)上述7組不同波形參數(shù)的沖擊電壓回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主電容充電電壓5 kV逐級(jí)加壓到40 kV，經(jīng)過(guò)電容分壓器輸出到示波器對(duì)電壓波形進(jìn)行紀(jì)錄，每種波形參數(shù)每個(gè)電壓等級(jí)下分別進(jìn)行5次試驗(yàn)，取偏差最大情況。

試驗(yàn)中通過(guò)示波器采集的沖擊波形包含微小振蕩，導(dǎo)致選取具體電壓和時(shí)間坐標(biāo)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。本文處理方式是當(dāng)選取某個(gè)電壓及其時(shí)間坐標(biāo)時(shí)，依據(jù)首次出現(xiàn)該電壓的對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為其時(shí)間坐標(biāo)。

圖4為試驗(yàn)中獲得的30 kV下標(biāo)準(zhǔn)雷電和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓實(shí)測(cè)波形與仿真沖擊電壓波形的對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)波形與仿真波形基本相同，波前時(shí)間和半峰值時(shí)間均滿足要求。

圖4　波形仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析7組不同波形參數(shù)沖擊電壓回路在各電壓等級(jí)下的輸出波形，得到各組實(shí)際輸出電壓與主電容充電電壓的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算獲得7組不同波形參數(shù)沖擊電壓的回路效率如圖5所示。各組不同波形參數(shù)沖擊電壓的回路效率為88.1%～97%，且隨著波頭時(shí)間和波尾時(shí)間的增大有下降趨勢(shì)，回路效率與仿真結(jié)果近似，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖5　回路效率

對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析可以得到各組不同參數(shù)沖擊電壓的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間，同仿真的結(jié)果相對(duì)比，可得到波頭時(shí)間和波尾時(shí)間的偏差百分比如圖6所示，偏差計(jì)算如式(3)所示。其中，波頭時(shí)間的偏差范圍為-15%～25%，最大偏差25%出現(xiàn)在1.2/50 μs波形10 kV電壓下。波尾時(shí)間的偏差范圍為-8%～14%,最大偏差25%出現(xiàn)在1.2/50 μs波形10 kV電壓下。由圖5可知，對(duì)于波前時(shí)間，隨著電壓等級(jí)的升高，各沖擊電壓波形偏差逐漸由正偏差(波前時(shí)間偏小)趨向于負(fù)偏差(波前時(shí)間偏大)；對(duì)于波尾時(shí)間，各沖擊電壓波形偏差比較穩(wěn)定，基本不隨電壓等級(jí)的變化而變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定誤差，該誤差產(chǎn)生的原因主要為回路中調(diào)波電阻的寄生電感導(dǎo)致。回路中各電阻設(shè)計(jì)時(shí)采用康銅絲無(wú)感反向繞法制作盡量減小電感，并同時(shí)考慮足夠的絕緣強(qiáng)度和熱容量。但實(shí)際為產(chǎn)生不同的波形參數(shù)并滿足固態(tài)開(kāi)關(guān)電流要求，電阻阻值選擇較大，因此存在微小寄生電感，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。同時(shí)沖擊電壓放電的不確定性，也會(huì)對(duì)誤差的產(chǎn)生有一定影響。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各誤差均在允許范圍內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(3)

圖6　7組沖擊電壓波形參數(shù)偏差對(duì)比

式中：η為波頭時(shí)間或波尾時(shí)間的偏差百分比；T*為各組沖擊電壓參數(shù)仿真計(jì)算獲得的理論波頭時(shí)間或波尾時(shí)間；T為沖擊電壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的實(shí)際波頭時(shí)間或波尾時(shí)間。

4　結(jié)論

本文搭建了一套基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的沖擊電壓源，通過(guò)調(diào)節(jié)各電容和電阻的阻值參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生包括標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓等7種波形參數(shù)沖擊電壓。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與回路仿真所得波形近似，其中標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許的偏差范圍。本文所設(shè)計(jì)沖擊電壓源可為后續(xù)的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

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Design and Implementation of a Single-stage Impulse Voltage Generator Based on Solid-state Switch

ZHAO Tao, YANG Jinming, WANG Zibo, GUO Qin, YU Lichao, GAO Li

(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The power transformer in operation may be subjected to lightning overvoltage and switching overvoltage. Due to the difference of the voltage, rated power and design layout of the transformer, the overvoltage waveforms are usually very different with those in the IEC standards. So it is necessary to carry out the investigation about the typical dielectric breakdown characteristic test under different wave parameters of impulse voltage. Therefore in this paper, an impulse voltage generator is built based on the solid state switch and it can produce different kinds of impulse voltage by adjusting the parameters of the capacitor and resistor, including standard lightning impulse voltage and switching impulse voltage of 7 kinds of impulse waveforms. Experimental tests show that the impulse waveforms between test and circuit simulation are very close, and the errors of the front and the tail time of the impulse waveforms satisfy the standard deviation range.

solid-state switch; impulse voltage generator; waveform parameters

2016-06-03。

趙濤(1982-)，男，博士研究生，講師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)，E-mail：alibabazhao@163.com。

TM83

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.001