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1000kV冲击电压发生器及测量系统的设计

摘要：本文介绍了1000kV冲击电压发生器及测量系统的基本工作原理，分析了设计过程中的主要问题，结合冲击电压发生器的主要技术指标，对设计过程进行了详细讨论，给出了电路原理图及实物结构图，并对主要元器件进行了选择，最后利用仿真软件ATP对输出波形进行了仿真，以验证选择参数的正确性，同时对某些电路参数对冲击电压波形的影响作出了分析。
关键词：冲击电压发生器；电路设计；结构图；ATP仿真
电力系统的高压电气设备在运行时不仅要经常承受正常的工作电压作用,而且还有可能遭受短时雷电过电压和内部过电压的侵袭,所以高压电气设备在安装前要进行必要的过电压的绝缘耐受试验,比如模拟雷电过电压和操作过电压作用。冲击高压实验是耐压实验的一种，进行冲击高压实验是为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能[1]。
冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，它是一种产生脉冲波的高电压发生装置。由于绝缘耐受冲击电压的能力与施加电压的波形有关，而实际冲击电压波形具有分散性，因此必须对于冲击电压波形参数做统一规定，以保证多次试验的重复性和不同试验条件下的结果的可比较性。我国采用国际电工委员会（IEC）标准规定标准冲击电压波形。即规定冲击电压波形为双指数型，波头时间为1.2uS，波尾时间为50us，冲击电压峰值一般为几十千伏到几兆伏。
1设计要求
1.1设计指标
设计一台1000kV的冲击电压发生器及测量系统，可以对2000pF的试品电容做冲击试验。
1.2基本要求
冲击电压发生器应该满足以下几个要求：
1) 能产生1.2/50μs的标准雷电波。
2) 能给2000pF以内的试品作冲击电压试验。
3) 要求画出结构简图。
4) 要求设计出各种元器件的参数（如电容、电阻器参数和型号等，球隙间 距等）。
5) 给出仿真波形并进行分析。
2冲击电压发生器的设计原理
如图1所示，为标准冲击电压波形。在经过时间T1时，电压从零上升到最大值，然后经过时间T2-T1，电压下降到最大值的一半。规定电压从零上升到最大值所用的时间T1称为波头时间（或称波前时间）；电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T2称为波尾时间（或称半峰值时间）。

图1 标准冲击电压波形
由该图可知，非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加合成，如图2所示，则其表达式为：
（2-1）
该式中，为波尾时间常数，为波头时间常数，通常情况下有>>，A为单指数波幅值。IEC中规定标准冲击电压波形参数为：
波头时间：1.2us±30%
半峰值时间：50us±20%
幅值误差：±3%

图2 冲击电压波形的合成
由公式（2-1），冲击电压波形可由电容、电阻构成的二阶电路的充放电实现。如图3所示，为标准雷电波冲击电压发生器原理电路示意图。

图3 冲击电压发生器电路原理示意图
整流电路将电网中的交流变换为直流为电容充电，C0在被球隙G隔离的状态下由整流电路充电到稳态电压U0，放电球隙G被点火击穿后，电容C0上的电荷经电阻Rt放电，同时经Rf对Cf充电，在被试品上形成上升的电压波头。当Cf上的电压被充到最大值后，反过来经Rf和C0一起对Rt放电，在被试品上形成下降的电压波尾，从而产生雷电冲击电压全波波形。图中C0为主电容，G为放电球隙，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻，Cf为波头电容，Cx为被试品的等效电容。被试品的电容可以等效并入电容Cf中[2]。
由于受到高压硅堆参数等因素的限制，单级冲击电压发生器输出的冲击电压幅值一般不超过200~300kV，所以实际中要获得更高的冲击电压，幅值，需采用多级冲击电压发生器。图4为多级冲击电压发生器的电路原理图。

图4 多级冲击电压发生器电路原理图
多级冲击电压发生器的基本原理为：并联充电，串联放电。如图4，首先调整各个球隙的距离，使G1的放电电压为U0，G2~G4的放电电压在U0~2U0范围内，然后开始对各个电容器同时充电到U0。这时G1首先被击穿，导致G2~G4依次击穿，各个电容器串联起来对C2和R2放电，从而在输出端获得幅值很高的冲击电压。
3 冲击电压发生器的设计
3.1主回路的结构设计
要求设计的冲击电压发生器的标称值为1000kV，则应采用多级冲击电压发生器结构。采用双边充电的高效回路，每级两个电容器，分5级。每一级级电压为200kV，每一个电容通过变压器充电100kV。则冲击电压发生器可产生的电压约为5×200=1000kV，满足题设要求。冲击电压发生器原理图如图5所示。

图5 1000kV冲击电压发生器电路结构图
图5中K是电源开关，D是高压硅堆，T1是单相调压器，T2是试验变压器，V是交流电压表，R0是保护电阻，R是充电电阻，rf是波前电阻，rt是波尾电阻，C是各级电容，C2是试品电容，G0是点火球隙，G是中间球隙，G’是隔离球隙，C11 、C12 、C13是电容分压器的高压臂电容，C20是电容分压器的低压臂电容，Z是测量电缆的波阻抗，R1是匹配电阻（R1=Z），CRO是高压脉冲示波器。
由T1、T2，两个反接的D向C充以U0的电压，这样所有电容器C上都充以U0的电压。点火球隙G0的放电电压设置为2U0，5个中间球隙的放电电压设置为2U0-3U0之间，此时各个球隙都不能放电。串联放电的过程开始后，在G0的接地球内部点火电极上施加一个脉冲电压，使点火电极与接地极放电，从而使G0放电。之后1点电压强制为零，由于电容电压不能突变，迫使2点电压为-2U0，加在第一个中间球隙上的电压变为4U0，球隙击穿。之后过程依次类推，到10点处电压为-10U0，隔离间隙G’击穿，在试品上就获得了10U0的冲击电压。图中试品C2右侧为测量系统。
3.2冲击电容值的选取
试品电容最高为2000pF，估计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约为500pF，估计电容分压器的电容约为600pF，则总的最大负荷电容为：

为保证电压效率，冲击电容应大于等于负荷电容的10倍，则冲击电容约为：

3.3冲击电容型号的选取
由于回路中的电感会影响到冲击电压波形，故选用主电容时应选择固有电感小的电容器，在本设计中主电容采用脉冲电容器。用于冲击电压发生器的脉冲电容器主要型式可分为：胶纸筒型、瓷套型和金属壳型等。
胶纸筒型电容器体型细长，机械强度差，不便于采用柱式发生器结构，需要另立绝缘支架，而且这种电容器的容量不能做很大，在使用中容易受潮，故很少用于大型冲击电压发生器。
瓷套电容器具有很高的机械强度和良好的绝缘性能，适合于柱式发生器结构，但其能量亦不能做得很大，故该种电容器多用于2000kV以下的中型冲击电压发生器。
金属壳电容器电压和容量可以做得很大，而且机械强度高，适用于多种冲击电压发生器结构，故使用广泛。
综合考虑电压等级、电容器规格与电容量的影响，在某电容器生产商脉冲电容器产品列表中选择额定电压为100kV，标称容量为0.2μF的铁壳式脉冲电容器。该电容器的技术参数如表1所示。
表1 MY100—0.5 高压脉冲电容器技术参数
型号
额定电压（kV）
标称电容
（μF）
外型尺寸（mm）
重量（kg）
MY100—0.5
100
0.5
640×300×1450铁壳
335
用此种电容器5级串联，标称电压可达1000kV，基本满足前述要求。每级由2个电容器串联，使冲击电容为：

3.4冲击电压发生器主要参数的选取
3.4.1冲击电压发生器的主要参数
标称电压：
冲击电容：
标称能量：
3.4.2波头电阻和波尾电阻的选取
最大试品电容约2000pF，则负荷总电容最大为3100pF。
(1)波头电阻计算
如图6所示，为计算波头电阻时的等效电路图，由该图有：
(3-1)
（3-2）

图6 波头波形产生等效电路
结合式（3-1）和（3-2），可得
（3-3）
计算得，，则电阻取127，每级。
(2)波尾电阻计算
如图7所示，为计算波尾电阻等效电路图，利用已充电的电容C2与C1共同经电阻R2放电，形成冲击波的波尾。
图7 波尾波形产生等效电路
则由该图可计算出半峰值时间，即
（3-4）
计算得，，则电阻取1359，每级

3.3.3放电回路的计算
(1) 波尾时间常数T1的近似计算

其中，是C2开路，C1单独放电的时间常数，是C1开路，C2单独放电的时间常数,故有：

(2) 波头时间常数T2的近似计算

故，
(3) 波头时间的近似计算

(4) 波尾时间的近似计算

3.4.4冲击电压发生器的效率
电压利用系数由波形系数和回路系数K两部分组成，对于1.5/50us的标准雷电波，=0.965。则效率
=
3.4.5充电电阻和保护电阻的选取
当充电电阻放电的时间常数为主回路放电时间常数的10~20倍时，充电电阻不影响主回路的放电效率。
根据的要求，故取，得，取
R=5.5kΩ。每根充电电阻的结构长度应耐受U=100kV。取保护电阻为充电电阻的20倍，则R0=110kΩ。
3.4.6充电时间的估算
在保护电阻R0远大于充电电阻的情况下，充电时间为：

考虑到其他因素影响充电时间，取充电时间为10s。
3.4.7变压器的选取
单相调压器T1：可调电压范围为0~250V。
试验变压器T2：按冲击电压发生器的输出及其标称能量估算，取一定的安全系数为3，则
变压器容量 ：
变压器电压 ：
综合考虑电压等级、变压器规格与容量的影响，在江苏海昌高科电气有限责任公司的试验变压器产品列表中选择高压电压为100kV，标称容量为20kVA的变压器。这种变压器的技术参数如表2所示。
表2 TQSB-20/100型试验变压器的技术参数
规格型号
容量（KVA）
低压输入
高压输出电压（KV）
高压输出电流
（mA）
测量变比
电压（V）
电流（A）
TQSB-20/100
20
400
28
100
200
1000
3.4.8硅堆的选取
考虑到实际应用中为缩短充电时间，充电变压器经常提高10%的电压，因此硅堆上承受的反峰电压U=100kV×1.1+100kV=210kV。
硅堆的额定平均整流电流有效值为，考虑一定的裕度后，取硅堆的额定电流为1.0A。
因此，选取鞍山雷盛电子有限责任公司生产的型号为2CL300KV/1.0A高压硅堆作为本设计的整流硅堆。
3.4.9球隙直径的选取
Φ75mm的球隙在间隙距离为70mm时的放电电压为190kV，可作为第一级点火球隙G0；在间隙距离为140mm时的放电电压为363kV，可选择作为中间球隙；Φ200mm的球隙在间隙距离为400mm时的放电电压为975kV，可作为测量球隙G’。

图8 三电极球隙
其中，G0采用三电极球隙，其触发条件为：
A．主间隙G静态击穿电压UG稍大于球隙充电电压U，即UG>U。
B．触发脉冲电压Up稍小于间隙g的击穿电压Ug,即Up
C．触发脉冲电压Up的极性与充电电压U的极性相反，即U+Up>UG。
3测量系统的设计
电压值不是很高的冲击电压，如峰值为几千伏到50kV，则可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字存储示波器直接进行测量。但当北侧的冲击电压的峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统来进行峰值及波形的测量[3]。图9为冲击高压测试回路的布置概况。图中，1为冲击电压发生器；2为被试品的引线；3为试品；4为接分压器的引线；5为分压器；6为同轴电缆；7为测量仪器；8为接地回路。

图9 测量电路图
连接线的原则是，发生器应先连线到试品，然后从试品接线到分压器。避免在后者的连线上流过较大的电流，否则会造成测量误差。分压器与试品间为避免相互的电场及电磁场的干扰影响，两者必须相距一定的距离。然而中间的连线既然是测量系统的一个构成部分，它必然会对分压器的电压测量产生影响。在测量陡冲击波或波前截断波时，常在引线的首端加一阻尼电阻，其阻值选300—400欧姆，以与长引线形成的阻抗匹配，此引线始端的阻尼电阻，可为以改善测量系统的转换特性。
3.1分压器的设计时应注意的问题
在本设计中采用电容分压器作为一次分压器，采用电阻分压器作为二次分压器。设计时应注意一下方面：
1) 在分压器顶端加一屏蔽环，用于补偿对地杂散电容电流，从而改善分压器上的电压分布，使分压器轴线上的电位分布接近于均匀。
2) 采用首端匹配的方式消除折反射波。首端匹配电阻R1等于电缆波阻抗Z。
3) 测量电缆选用高频同轴电缆，以保证较好的波形传输性能，选用双屏蔽同轴电缆还可提高抗干扰性能，外层屏蔽与屏蔽室相连，内层屏蔽与测量一起的接地端连接。
4) 高压引线最好采用无电晕的大直径引线，以免电晕影响系统的性能。
3.2一次分压器设计
电容分压器的分压比为选取500：1，同轴电缆输出端电压设为2kV。高压臂电容选国产MY500—0.00012脉冲电容器较合适，其参数如表3所示。

表3 MY500—0.00012脉冲电容器的规格
型号
额定电压 / kV
标称电容 / µF
外形尺寸 / mm
重量 / kg
外壳
MY500—0.00012
500
0.00012
Φ182×1155
28.2
胶纸壳

采用4个电容器并联，使高压臂

由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV，故分压比 K=1000/2=500。

则。用MWF300-0.22脉冲电容器组成低压臂，其参数如表4所示：
表4 MWF300-0.22脉冲电容器的规格
型号
额定电压Un/kV
额定电容Cn/uF
外形尺寸/mm
L1xWxH1
L2xWxH2(φxH)
MWF300-0.22
300
0.22
xx
φ635x1277
用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达（500＋300×2）kV＝1100kV，可用于测量冲击电压。使低压臂电容

故分压器的实际分压比为

即同轴电缆输出端电压
3.3二次分压器设计
高压臂电阻取，低压臂，则分压比：

则输入示波器的电压幅值为2174/101V＝21.52V。
4结构图
冲击电压发生器的结构，大致可分为：①阶梯式，②塔式，③柱式及④圆筒式四种。本设计中选择塔式结构，其实物示意图结构如图10所示。
塔式冲击电压发生器的结构是竖立的多层绝缘台，逐层放上电容器,把电容器分布在各柱上，盘旋上升，使在一根垂线上的电容器个数减少，从而降低结构高度。这种结构占地小高度适中，拆装检修方便。本设计中采用5层塔式结构，每层绝缘距离按200kV乘以两倍裕度进行选择。每层高度选为0.7m，装置总高3.5m。连接导线选用矩形导电铜排。各级电阻两端加入金属屏蔽环以均衡空间场强。

图10 5级塔式冲击电压发生器结构图
5仿真与分析
为了验证所选电路参数的正确性，以及评估装置技术指标，应对电路进行仿真。本设计采用ATP软件对设计出的冲击电压发生器进行仿真计算，在ATP中设置的仿真回路如下：

图11 仿真电路图
各参数设置如下:
C1:0.05, Rt:1359 Rf：127
可改变电路参数作如下分析。
5.1 分析试品电容大小对冲击电压波形影响
（1） 当C2=0.0021时，即试品电容为1000pF时，仿真得到C2上电压波形如图12所示:

图12 C2=0.0021uF时冲击电压仿真波形
测得电压峰值为：940kV，波头时间为1.43μs，波尾时间为50.2μs，仿真的结果与设计预期的结果基本吻合。
（2） 当C2=0.0031时，即试品电容为2000pF时，仿真得到C2上电压波形如图13所示:

图13 C2=0.0031uF时冲击电压仿真波形
测得电压峰值为：916kV，波头时间为1.92μs，波尾时间为52.4μs。
结论：比较上述两个波形可知，当试品电容增大时，冲击电压峰值会下降，波头时间和波尾时间均变长。

5.2 分析回路分布电感对冲击电压波形影响
在仿真回路中串入一个小电感L，以模拟线路分布电感对冲击电压波形的影响。仿真电路如图14所示：

图14 考虑回路电感后的仿真电路
各参数设置如下:
C1:0.05, Rt:1359 ，Rf：127 ，C2：0.0031，L取估算值约为0.05uH，仿真所得的波形如图15所示：

图15 考虑回路电感后的冲击电压仿真波形
结论：由仿真波形可知，引入电感后出现超调，即冲击电压峰值大大超过1000kV，而且波头处出现振荡，冲击电压波形发生畸变。因此，应当采取适当措施减小回路分布电感，如尽量减小导线长度或采用无感电阻等，以保证冲击电压波形符合标准要求。
6、参考文献：
[1] 林福昌. 高电压工程. 武汉: 华中科技大学出版社, 2006
[2] 李惜玉, 郭小清. 400kV冲击电压发生器的设计[J]. 中山大学学报论丛, 2001,(05)
[3] 张仁豫, 陈昌渔, 王昌长. 高电压试验技术. 北京: 清华大学出版社, 2003