冲击电压发生器仿真设计.pdf

冲击电压发生器仿真设计 一、设计目的1.理解冲击电压发生器的工作原理和绝缘冲击试验的内容；2.掌握冲击电压发生器的设计方法和 matlab 仿真软件的使用；3.学习分析冲击电压发生器充电回路的效率及波形参数。二、设计要求1.设计一台冲击电压发生器，产生冲击电压波。冲击波形的参数：波前时间为2.0us，半峰值时间为 36us；试品电压等级 110kV。2.参考高电压试验技术（清华大学版）。三、设计任务1.1.画出电路设计原理图画出电路设计原理图选用高效率双边对称充电回路，如图 3、4 所示图 3 发生器的充电回路图 4 发生器的放电回路2.2.确定各元件参数确定各元件参数2.1 额定电压的选择：额定电压的选择：110kV 产品的雷电冲击试验电压如表所示（按 GB311.1-1997）表 1 110kV 产品的雷电冲击耐受电压额定雷电冲击（内 外绝缘）耐受电压（峰值）/kV截断雷电冲击耐受电压（峰值）/kV变压器，并联电抗器，互感器高压电力电缆高压电器母线支柱绝缘子，穿墙套管变压器类设备的内绝缘450850450450530550550450450530上表所示的都是耐受电压。击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数 1.3;长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数 1.1；假定冲击电压发生器的效率为 85%，故冲击电压发生器的标称电压应不低于U1=5501.3 1.1/0.85kV=925.3kV2.2 冲击电容的选择：冲击电容的选择：如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验和互感器试验，就绝缘子的电容按 100pF 冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容如估计为 500pF,电容分压器的电容估计为 600pF，则总的负荷电容为C2=100+500+600=1200pF如按冲击电容为负荷电容的 10 倍来估计，约需冲击电容为C1=10C2=12000pF2.3 电容量的选择：电容量的选择：从国产脉冲电容器的产品规格中找到 MY220-0.1 瓷壳高压脉冲电容器比较合适，电容器规格如下表 2表 2型号工作电压试验电压电容外型尺寸重量外壳MY220-0.1220kV264kV0.1 F635845361瓷壳用此电容器 5 级串联，标称电压可达到 1100 kV，基本上满足前述需要。每级由两个电容器串联，使冲击电容C1=0.1/5=0.02F此值10C2 可使（电压）效率不致很低。2.42.4 冲击电压发生器主要参数：冲击电压发生器主要参数：标称电压 1=220 51100Uk冲击电容 10.02CF标称能量 2211/20.02(1100)/212.1nWCUFkVkJ2.42.4 波前电阻和放电电阻的计算波前电阻和放电电阻的计算 当试品电容为 100pF，负荷总电容 1200pF 时，波前时间 12122.03.24/()3.240.020.0012/(0.0212)fffTsRC CCCRFFF求得，每级电阻545.26fR/5109.1ffrR考虑回路电感影响时，12122.33/()ffTRC CCC求得，每级电阻。758.22fR/5151.6ffrR半峰值时间 t120.693()tTR CC 360.6930.0212tsRF求得，每级2451tR/5490ttrR2.52.5 充电电阻与保护电阻的选择充电电阻与保护电阻的选择 要求，得()(10 20)ftC RrCr 20 490 151.69648R 取充电电阻，每根充电电阻应能耐受 110kV。如取保护电阻 r 为充电电阻10Rk的 50 倍，则保护电阻 r 为 500。k充电时间的估算：充电时间的估算：由于采用了倍压充电回路，难以精确分析。仍按简单整流充电的计算法充电至 0.9 倍电压时 015 r/2)TrnRnC充（设，计算得。考虑到倍压电路充电时间会长一些，故取充电时间0rr8sT充为 10s。2.62.6 变压器的选择变压器的选择 加大安全系数到 3.0，以考虑倍压充电回路所需的容量 变压器容量=3.0 2/nWT 充 =3.0 2 12.1/10kJs =7.26kVA 变压器电压=1.1 55/242.8kVkV故选择国产试验变压器，型号为 YD-10/100，其额定电压为 100kV，额定容量为 10kVA。2.72.7 硅堆选择硅堆选择 考虑到缩短充电时间，充电变压器通常提高 10%的电压，因此硅堆的反峰电压=。551.1 55115.5kVkVkV 硅堆的额定电流以平均电流计算，而电流的有效值是大于平均值的。7.26/(55/2)0.187nIkVAkVA因此选择硅堆的额定电流为 0.2A，选择一支 2DL-150/0.2 构成每一个整流器。2.82.8 球隙直径的选择球隙直径的选择250mm 球隙在间隙距离为 40mm 时的放电电压为 112kV，故选250mm铜球 6 对。3.3.MatlabMatlab 仿真实验仿真实验（1 1）完整仿真电路图）完整仿真电路图。如下图 5 搭建双边充电高效回路的冲击电压发生器电路图，按照上述选好的参数来设置各元件，其中电源采用 220V 交流电源，球隙用触发开关来模拟，触发信号由阶跃信号源发出，采用 ode45 算法计算。理论上应该是可以出仿真波形的，但实际情况是仿真耗时长且并没有得到预期的波形。后又改为 ode23tb 算法，出现一个发散的振荡正弦波，显然不符合要求。可能是开关触发设计的有问题。图 5 冲击电压发生器 simulink 初始仿真电路图（2 2）简化电路图仿真）简化电路图仿真 如下图 6 所示采用简化的等效充电回路，图 9 所示为等效放电回路，进行仿真。其中 C1 的初始电压设置为 5 级串联的总电压 1100kV，C2 的初始电压为0.采用 ode45 算法，得到的冲击波形如下图 7 所示。充电过程仿真：图 6 等效充电回路图 7 第一级电容的充电波形图 8 第五级电容的充电波形 从最后一级的充电波形可以看出，冲击电压发生器的充电时间大约 10s 左右，这与理论分析的充电时间一致。图 9 等效放电回路12345678x 10-5123456789x 105t/sUc2/V 图 10 冲击电压仿真波形3.3.冲击电压发生器仿真波形参数的计算。冲击电压发生器仿真波形参数的计算。实际冲击电压发生器的效率 983=89.4%1100理论效率 112/()0.02/0.021294.3%CCC比原估计的效率 85%高，所以所选电容是合适的。4.4.分析各元件参数对冲击波形的影响分析各元件参数对冲击波形的影响