100kV單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的研制

張煥強(qiáng)，張曉虹，唐力則，黃樹強(qiáng)，黃培新

(1.廣東電網(wǎng)公司潮州供電局，潮州521000;2.哈爾濱理工大學(xué)電介質(zhì)工程及應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040)

在電力系統(tǒng)中，許多高壓電器都受到?jīng)_擊電壓的影響，如電纜附件中用于改善接頭和終端電場(chǎng)分布的非線性電介質(zhì)［1－2］。沖擊電壓發(fā)生器用于模擬高壓設(shè)備需承受的雷電過電壓和操作過電壓［3－4］。在進(jìn)行沖擊擊穿測(cè)試時(shí)，被測(cè)試樣處于沖擊發(fā)生器與測(cè)量電流的電子測(cè)量設(shè)備之間，隔離了試驗(yàn)區(qū)的高壓側(cè)與低壓側(cè)，以防止設(shè)備損壞。沖擊電壓試驗(yàn)系統(tǒng)是研究納米復(fù)合材料脈沖擊穿性能的前提［5－10］。但是，多級(jí)超高壓沖擊電壓發(fā)生器的放電電壓在1 000 kV以上，而納米復(fù)合材料擊穿電壓只有幾十千伏。同時(shí)，進(jìn)行局部放電的小型脈沖電壓發(fā)生器的放電電壓最高只有幾千伏，達(dá)不到試樣擊穿電壓等級(jí)。為滿足復(fù)合材料薄膜試樣沖擊電壓擊穿試驗(yàn)的要求，本文研制了100 kV低儲(chǔ)能單級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊電壓發(fā)生器。

1 基本原理

標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的電路如圖1所示［11］。高壓直流電源向儲(chǔ)能電容C1充電。待充電結(jié)束后，觸發(fā)火花開關(guān)G。電阻與電容之間的參數(shù)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(fù)載。納米復(fù)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(fù)載C2，保證了試樣對(duì)輸出波形的影響可忽略不計(jì)［12－14］。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器電路圖

2 主回路參數(shù)計(jì)算及仿真

經(jīng)計(jì)算，波前電阻為520 Ω，波尾電阻為715 Ω。確定了元件參數(shù)后，采用Tina Pro軟件對(duì)放電回路進(jìn)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(dāng)t=2 μs時(shí)，波形達(dá)到峰值Um=97.5 kV;當(dāng)電壓上升至 0.9 Um=87.75 kV時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間恰好為1.2 μs。在電壓下降至0.5Um=48.75 kV 時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)間為 51.54 μs。

3 系統(tǒng)構(gòu)成與元件選取

沖擊電壓發(fā)生裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

1)保護(hù)電阻?？紤]到，充電時(shí)間T充=15 RC，其中R是充電保護(hù)電阻，C1是主電容。現(xiàn)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(hù)電阻阻值后，還需計(jì)算出所選電阻的功率，計(jì)算方法如下:

設(shè)變壓器輸出電壓為

圖4 沖擊電壓發(fā)生器的系統(tǒng)構(gòu)成

其中，ω為交流電壓角頻率。設(shè)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(duì)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(hù)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(jí)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(shí)間，充電變壓器經(jīng)常提高10%的電壓，因此硅堆的反峰值電壓

由于充電保護(hù)電阻阻值較大，故通過高壓硅堆的電流相當(dāng)小，因此當(dāng)整流高壓硅堆由兩只型號(hào)為2CL 120 kV－0.1 A的高壓硅堆串聯(lián)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(yàn)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(jì)算，當(dāng)沖擊發(fā)生器放電電壓達(dá)到100 kV時(shí)，電容C1存儲(chǔ)能量?jī)H為500 J，這部分能量不會(huì)引起電阻絲過熱，所以選用普通規(guī)格康銅絲繞制即可達(dá)到本設(shè)計(jì)要求。此外，為調(diào)節(jié)波前時(shí)間，考慮到雜散電容和回路電感對(duì)波形產(chǎn)生的影響，將波前電阻設(shè)計(jì)為在370～520 Ω之間可調(diào)。

4)主電容與負(fù)載電容－分壓器的選取。選取MMJ 100－0.1的脈沖電容器作為儲(chǔ)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(fù)載電容C2，該分壓器電容值為1 000 pF，耐壓100 kV，經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓器校對(duì)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(fā)生器的負(fù)載部分，而且還將沖擊電壓信號(hào)衰減通過同軸電纜傳遞給示波器，起到充當(dāng)負(fù)載和分壓器的雙重作用。

4 點(diǎn)火裝置

高壓放電試驗(yàn)電路中，一般使用的觸發(fā)裝置是球隙開關(guān)［15］。球隙開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)給點(diǎn)火電極施加與對(duì)面球電極極性相反的點(diǎn)火脈沖時(shí)，點(diǎn)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(duì)面球電極之間的電場(chǎng)分布的畸變，從而使球間隙擊穿。

圖5 球隙開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的單脈沖點(diǎn)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(diǎn)火變壓器得到合適的電壓，輸出脈沖電壓峰值可達(dá)15 kV。利用一款單片機(jī)組成的簡(jiǎn)單電路來控制點(diǎn)火脈沖的觸發(fā)信號(hào)，在程序中不停地檢測(cè)按鈕狀態(tài)，一旦檢測(cè)到可靠的按鈕按下，在按鈕抬起時(shí)提供一個(gè)觸發(fā)脈沖以產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)火火花，同時(shí)發(fā)光二極管閃亮一次以指示。

圖6 單脈沖點(diǎn)火器實(shí)物圖

5 結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)完成了100 kV低儲(chǔ)能沖擊電壓發(fā)生器，通過理論計(jì)算與仿真相結(jié)合確定了沖擊低壓發(fā)生器的主要參數(shù)。經(jīng)實(shí)測(cè)后，所搭建的沖擊電壓發(fā)生器的波頭及波尾時(shí)間復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)雷電波的要求，滿足了薄膜試樣沖擊擊穿試驗(yàn)的需要。

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