一種高壓大功率調波電阻的設計及驗證試驗

羅銳

（桂林電力電容器有限責任公司，廣西 桂林 541004）

高壓大容量脈沖電容器主要用于沖擊電壓發生器、沖擊電流發生器、或連續脈沖裝置中，與其它電器元件連接在一起，產生用戶需要的放電波形。高壓大容量脈沖電容器的型式試驗中規定了耐久性試驗。該試驗的特點：第一，需在規定的電流波形或電路參數下作連續充放電試驗[1-2]。第二，試驗時間長。一般要進行一萬次到四、五萬次的連續充放電[3-5]，歷時幾天至三四十天。第三，試驗電壓高、存儲能量大、放電電流大。

調波電阻用于充放電裝置的放電回路中，對放電電流起阻尼作用，調節放電電流峰值和反峰率[6]。對調波電阻的主要要求在于，第一，由于不同型號高壓大容量脈沖電容器對放電電流波形的要求不同，對放電回路中調波電阻的阻值要求也不同，這就要求調波電阻的阻值可以在一定范圍內進行微調，以適應不同試品對放電回路參數的要求。第二，高壓大容量脈沖電容器在進行連續充放電試驗時，試驗電壓高、容量大，脈沖電容器儲存的能量也非常大，達幾十千焦至近二百千焦，脈沖放電電流也非常大，峰值達十幾千安至上百千安。在試驗過程中，脈沖電容器儲存的能量瞬間釋放，大部分消耗在放電回路中的調波電阻上。這就要求調波電阻有較大的熱容量[7]，較好的散熱性能，以保證試驗過程中其溫升低，電阻值變化小，不至于造成較大的放電電流波形變化。第三，要求調波電阻需具有較強的通流能力，有足夠的機械強度，能承受較大電動力的連續沖擊。

為此設計了一種電阻值可以靈活調節、熱穩定性好、絕緣強度和機械強度高、使用壽命長的調波電阻。

1 調波電阻的設計

1.1 調波電阻的材料選擇

電阻材料選用鎳鉻合金線材。第一，鎳鉻合金具有較高的電阻率，其電阻率為1.10Ω.mm2/m，在一定的直徑和一定的長度下可得到較大的電阻值調節范圍。第二，鎳鉻合金具有很小的電阻溫度系數，其電阻溫度系數為7.0×10-5（1/℃）[8]。在長時間的充放電試驗過程中，電阻線溫度升高時，其電阻值變化很小，對放電電流波形的影響很小，可保證試驗結果的準確性。第三，鎳鉻合金具有較高的機械強度，在較大電動力的連續沖擊下不容易產生嚴重變形。第四，鎳鉻合金線材常用于工業電爐作為發熱器件，在高溫下具有較好的抗氧化性能，有較長的使用壽命。

綜合考慮電阻值及通流能力等因素，決定采用φ8鎳鉻合金線作為電阻材料，其米電阻為22mΩ/m。

調波電阻的絕緣支架采用環氧樹脂板材，具有絕緣性能好，機械強度高的優點。

1.2 調波電阻的結構設計

1.2.1 首先制作好基本電阻單元，見圖1。在兩段等長鎳鉻電阻線兩頭各焊接一個U 形黃銅連接片，使兩段鎳鉻電阻線并聯連接，構成基本電阻單元。由于基本電阻單元為垂直安裝，考慮到適當的阻值以及接線、拆線操作方便，鎳鉻電阻線的長度取1 米較為合適。U 形黃銅連接片的頂部及側面均開有安裝孔，用于安裝固定及電連接。

圖1 基本電阻單元

1.2.2 圖2 為調波電阻的結構示意圖。調波電阻的底板上對稱樹立兩個支架（圖中只畫出其中一個），每個支架包括兩根立柱、兩塊上固定板、兩塊下固定板和七塊絕緣隔離板。兩根立柱的底部與底板之間，既有榫卯結構連接，又有緊固件通過螺栓連接。兩根立柱的頂部之間固定有水平設置的上固定板，兩根立柱的底部之間固定有水平設置的下固定板。在上固定板和下固定板之間的垂直方向上，等距離分布七塊水平設置的絕緣隔離板，隔離板的兩端分別通過緊固件固定在兩端的立柱上。包括底板、立柱、上固定板、下固定板和絕緣隔離板等，全部為厚度不等的環氧樹脂板材切割而成。

圖2 調波電阻結構示意圖

1.2.3 多個基本電阻單元在水平方向上等距離垂直排列安裝于上固定板和下固定板上，各基本電阻單元之間通過銅連接片連接，相鄰基本電阻單元的鎳鉻電阻線之間用開有卡槽的絕緣隔離板進行絕緣隔離。

1.2.4 每個絕緣支架安裝20 個基本電阻單元，每臺調波電阻共有40 個基本電阻單元。考慮到足夠的爬電距離，相鄰基本電阻單元的間距取80mm，調波電阻的總長度約1800mm。基本電阻單元的高度為1200mm，加上下固定板與底板之間留出200mm 的絕緣距離，以及為了方便移動而安裝于底板四角上的輪子（圖中未畫出）的高度100mm，調波電阻的總高度約為1550mm。這個高度比較方便于試驗人員進行電氣連接等操作。

1.2.5 每個基本電阻單元的電阻值為11mΩ，所以整臺調波電阻的電阻值調節范圍在0.275 mΩ（全部基本電阻單元并聯）至440 mΩ（全部基本電阻單元串聯）之間。依據主要高壓大容量脈沖電容器的放電電流波形要求，使用仿真軟件對放電回路的參數進行仿真，大多數試品對放電回路的電阻值要求在50mΩ～500 mΩ 之間，使用1 臺或2 臺調波電阻進行調節，基本可滿足要求。對于極個別要求放電回路電阻值較大的脈沖電容器試品，其放電電流峰值相對較小，則可以用常規的固定電阻和調波電阻配合，調配出所需電阻值，調試出所需的放電電流波形。

1.2.6 調波電阻的結構設計有很多優點。第一，在試驗準備階段，多個基本電阻單元的布置方式，可使各基本電阻單元很靈活方便地進行串聯、并聯連接，組合成所需的電阻值，極大地提高工作效率。第二，在試驗過程中，基本電阻單元的雙線構成方式，既可以擴大通流截面積，增強承受脈沖大電流的能力，又可以利用U 形銅連接片的彈性，緩沖鎳鉻電阻線通過脈沖大電流時所產生電動力的沖擊，避免焊接點松脫和鎳鉻電阻線發生變形。第三，相鄰基本電阻單元的鎳鉻電阻線之間的隔離方式，可以限制基本電阻單元的鎳鉻電阻線由于電動力作用產生振蕩的幅度，避免相鄰鎳鉻電阻線相互觸碰產生短路故障、造成設備損壞。第四，鎳鉻電阻線暴露于空氣中，有利于改善散熱條件，降低溫升，保持放電回路電阻參數的相對穩定。

2 調波電阻的驗證試驗

2.1 驗證調波電阻的調試效率

以MKMJ24-320 型自愈式脈沖電容器為例。其額定電壓為24kV，額定電容為320μF。根據其技術條件，耐久性試驗要求充電至24 kV 直流電壓進行放電，放電電流峰值不小于70kA，反峰率不小于70%。利用仿真軟件進行仿真，要求放電回路的電阻為67mΩ，電感為26 μH。經調試，實際接入放電回路的電阻為調波電阻2 組各12 個基本電阻單元串聯，然后這2 組再互相并聯。再配合調波電感，調試出實際的放電電流波形如圖3 所示，放電電流峰值為70.8 kA，反峰為50.0 kA，反峰率為70.6%，完全符合相關技術要求。

圖3 MKMJ24-320 放電電流波形

因為調波電阻和調波電感都可以很小的值進行微調，所以得到的電流波形可以很接近技術要求，提高了試驗結果的準確性。而且調波電阻的接線方式，可以方便快捷地微調接入放電回路的電阻值，獲得所需的放電電流波形。而且放電電流的調試，包含了調波電阻和調波電感的調節，只需兩三個小時，極大地提高了試驗工作的效率。

2.2 驗證調波電阻的耐久性能

在對試品電容器進行耐久性試驗的同時，也是對試驗線路設備做壽命試驗[9-10]。試驗線路設備的損耗也是較大的，特別是放電回路的調波電阻等設備。

調波電阻投入試驗后經歷試驗時間最長，充放電次數最多的是MKMJ35-217 型自愈式脈沖電容器的耐久性試驗。其技術條件要求在35kV 的直流試驗電壓下，放電電流峰值不小于35.2kA，反峰率不小于10%。實際的放電電流波形見圖4，放電電流峰值為35.6kA，反峰率為10.7%。MKMJ35-217 共進行了3 臺試品80000 多次的充放電試驗，最多的一臺進行了40000 次充放電試驗。

圖4 MKMJ35-217 放電電流波形

調波電阻設計制作完成后，隨即承擔了公司高壓大容量脈沖電容器（主要是金屬化膜脈沖電容器）的耐久性試驗，還承擔了其它產品如直流支撐電容器、隔直電容器等電容器產品的耐久性試驗（1000 次充放電試驗）。其中ZZMJ2.8-7500 型直流支撐電容器和ZZMJ2.8-7500型直流支撐電容器的放電電流波形分別見圖5、圖6。在一年多的時間里，累計進行了18 萬多次的充放電試驗，最高試驗電壓60kV，最大峰值電流74.4kA，最大試品電容量11000μF，最大放電能量161.3kJ。調波電阻可靠、耐用，完全滿足現有產品的相關試驗要求，沒有發生過溫升過高、嚴重變形、或者損壞等情況。

圖5 ZZMJ2.8-7500 放電電流波形

圖6 ZZMJ2.8-8000 放電電流波形

3 結論

3.1 選擇鎳鉻合金作為調波電阻的電阻材料，可使調波電阻在充放電試驗過程中保持電阻值的相對穩定，減小放電電流波形的變化；而選擇環氧樹脂板材做絕緣支架，可使調波電阻具備足夠的絕緣強度和機械強度，以滿足高壓大容量脈沖電容器耐久性試驗高試驗電壓、大沖擊電流的需要。

3.2 調波電阻的結構設計，使接入放電回路的電阻可以很方便靈活地進行微調，可以很快捷地獲得所需的放電電流波形，極大地提高放電電流波形調試階段的工作效率。

3.3 調波電阻的材料選型及結構設計，可以有效地減少試驗過程中試驗設備的損耗，延長試驗設備的壽命，降低試驗成本，經濟效益較好。