1200 kV沖擊電壓發(fā)生器雷電沖擊全波調(diào)節(jié)方法

張自勤，項(xiàng)恩新，龍劍,3，程虹，張教偉，段生江

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局，德宏678400；3.昆明電器科學(xué)研究所，昆明650221；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，曲靖655000）

0前言

沖擊電壓發(fā)生器是用來檢驗(yàn)各種高壓電氣設(shè)備在雷電過電壓、操作過電壓下絕緣性能的試驗(yàn)裝置，應(yīng)用場景廣泛。試驗(yàn)中，通過波頭時(shí)間和波尾時(shí)間是否滿足要求來判定試品是否通過試驗(yàn)[1-5]。根據(jù)長期的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在不同的試驗(yàn)樣品之間進(jìn)行雷電沖擊全波試驗(yàn)時(shí)，試品電容差異較大，試驗(yàn)人員需要在裝置上來回反復(fù)地調(diào)節(jié)波頭電阻或波尾電阻，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[6-10]。該方法工作效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，成為困擾試驗(yàn)人員的一個(gè)難題。

1原理分析

1.1標(biāo)準(zhǔn)雷電全波定義

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓全波波形如圖1所示，波頭時(shí)間為（1.2±30%）μs，波尾時(shí)間為（50±20%）μs。其中：

視在原點(diǎn)G：定義為試驗(yàn)電壓曲線峰值30%到90%的兩點(diǎn)延長線與時(shí)間軸的交點(diǎn)。

波前時(shí)間（波頭時(shí)間）T1：定義為試驗(yàn)電壓曲線峰值30%到90%之間時(shí)間間隔T的1.67倍。

半峰值時(shí)間（波尾時(shí)間）T2：定義為從視在原點(diǎn)G 到試驗(yàn)電壓曲線下降到試驗(yàn)電壓值一半時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。

1.2波頭時(shí)間和波尾時(shí)間近似計(jì)算

沖擊電壓波形可由電容、電阻構(gòu)成的二階電路的充放電實(shí)現(xiàn)。如圖2和圖3分別為沖擊發(fā)生器的波前近似等效電路圖和半峰值時(shí)間的近似等效電路示意圖。

圖1沖擊全波電壓時(shí)間參數(shù)

圖2波前時(shí)間的近似等效電路

圖3半峰值時(shí)間的近似等效電路

圖2和圖3中C1為裝置的總沖擊電容，C2為負(fù)荷電容，負(fù)荷電容主要包括線路雜散電容、球隙間電容、電容分壓器電容和試品電容。試驗(yàn)開始時(shí)將C1充好電，當(dāng)K 動(dòng)作后，由C1向C2充電，則試品兩端電壓：

根據(jù)雷電沖擊全波波頭時(shí)間和波尾時(shí)間定義，推導(dǎo)波頭波尾時(shí)間公式：1.2.1波頭時(shí)間T1已知，

根據(jù)根據(jù)公式（3）（4）（5）（6）解方程組，得出波頭時(shí)間T1：

1.2.2波尾時(shí)間T2

已知，根據(jù)根據(jù)公式（8）（9）解方程組，得出波尾時(shí)間T2：

上述各公式中，U0為全波峰值電壓，t1和t2分別是0.3U0和0.9U0時(shí)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)上的時(shí)間，τ1為波頭時(shí)間常數(shù)、τ2為波尾時(shí)間常數(shù)、C1為沖擊電容、C2為總負(fù)荷電容（包括分壓器電容、線路雜散電容、球隙電容和試品電容）、Rf 為波頭電阻、Rt 為波尾電阻。

根據(jù)公式（7）（10），當(dāng)知道任意三個(gè)變量的值即可求出另一未知變量的值。

2方案設(shè)計(jì)

2.1沖擊電壓發(fā)生器介紹

該沖擊電壓發(fā)生器的標(biāo)稱值為1200 kV，共8級(jí)，每級(jí)2個(gè)沖擊電容，共16個(gè)，每個(gè)沖擊電容電壓為75 kV，電容量為0.992 uF。標(biāo)配的波頭電阻規(guī)格分別為40Ω×8只、60Ω×8只、80Ω×8只、100Ω×8只，波尾電阻規(guī)格為141Ω×8只。

2.2沖擊電壓發(fā)生器每級(jí)可帶負(fù)荷電容值

由于波頭時(shí)間T1取值范圍、波尾時(shí)間T2取值范圍、沖擊電容C1已知，通過公式（7）可得沖擊電壓發(fā)生器每級(jí)所帶的總負(fù)荷電容C2在波頭時(shí)間T1和波頭電阻T2為上下限值時(shí)的取值范圍，再減去分壓器電容C21、雜散電容及球隙電容C22即可推出每級(jí)可帶試品電容C23范圍。沖擊電容C1和可帶試品電容C23隨著裝置級(jí)數(shù)N的減小而增大；每級(jí)波頭時(shí)間和波尾時(shí)間范圍均落在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，分壓器電容C21值固定不變；同時(shí)雜散電容和球隙電容C22值隨著裝置級(jí)數(shù)N的減少逐級(jí)遞增；5～8級(jí)可帶試品電容差別不大，從4級(jí)到1級(jí)每級(jí)可帶試品電容成倍增加，可測試品電容最大范圍位于第1級(jí)。

2.3試品電容估算

如現(xiàn)有一試品將在該裝置上進(jìn)行雷電沖擊全波試驗(yàn)，保持原有裝置沖擊級(jí)數(shù)N、波頭電阻Rf、波尾電阻Rt 不變，對(duì)試品進(jìn)行第一次預(yù)加壓試驗(yàn)，得到第一次波頭時(shí)間T1-1。由于已知第一次波頭時(shí)間T1、沖擊電容C1、波頭電阻Rf 三個(gè)變量，可由公式（7）求得總負(fù)荷電容C2值；再根據(jù)表1中分壓器電容C21、每級(jí)雜散電容和球隙間電容C22求得試品電容C23第一次估算值。將C23估算值和表1中每級(jí)可帶電容范圍進(jìn)行比較，確定裝置級(jí)數(shù)并進(jìn)行調(diào)整。

級(jí)數(shù)調(diào)整后，保持裝置原有波頭電阻Rf 和波尾電阻Rt 不變，對(duì)試品進(jìn)行第二次預(yù)加壓試驗(yàn)，得到第二次波頭時(shí)間T1-2。同理可由公式（7）求得調(diào)整后的總負(fù)荷電容C2-2值，根據(jù)分壓器電容C21、該級(jí)對(duì)應(yīng)雜散電容和球隙間電容C22已知，可求得試品電容第二次估算值C23-2，此時(shí)的估算值將更加精確。

2.4波頭電阻計(jì)算

將調(diào)整后的沖擊電容C1、總負(fù)荷電容C2-2和標(biāo)準(zhǔn)波頭時(shí)間（T1=1.2μs）帶入公式（7），可求出滿足標(biāo)準(zhǔn)波頭時(shí)間的總波頭電阻Rf，從而得出每一級(jí)需放置的波頭電阻阻值。實(shí)際工作中，因波尾時(shí)間T2變化不大，每級(jí)波尾電阻可不作調(diào)整，只調(diào)整波頭電阻即可。

3與傳統(tǒng)方案比較

3.1傳統(tǒng)試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)試驗(yàn)流程需先對(duì)試品進(jìn)行一次低于試驗(yàn)電壓的正或負(fù)極性的沖擊試驗(yàn)，再根據(jù)后臺(tái)軟件上顯示的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間跟標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則需多次進(jìn)行預(yù)加壓試驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整波頭波尾電阻。該方案通常依賴經(jīng)驗(yàn)，耗時(shí)費(fèi)力。

3.2新試驗(yàn)方案

新試驗(yàn)流程只需進(jìn)行兩次預(yù)加壓試驗(yàn)、兩次負(fù)荷電容計(jì)算，即可完成試品電容估算、裝置級(jí)數(shù)確定，并且精確反推出總波頭電阻值和每一級(jí)需要配置的波頭電阻。新試驗(yàn)方案相比傳統(tǒng)試驗(yàn)方案，具有快速準(zhǔn)確、便捷高效的優(yōu)點(diǎn)。

4結(jié)束語

在沖擊試驗(yàn)中，由于回路電感和雜散電容的存在，要得到符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波形較為困難。本文提供了一種全新的試驗(yàn)思路，即先確定負(fù)荷電容、再調(diào)整級(jí)數(shù)的方法，能夠快速調(diào)試出符合標(biāo)準(zhǔn)的波形，從而解決傳統(tǒng)試驗(yàn)方案純靠經(jīng)驗(yàn)、效率低下的問題，同時(shí)降低試驗(yàn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。