单级冲击电压发生器的设计与实现范文

《电力科学与工程杂志》2016年第9期

摘要:

电力变压器在运行过程中可能遭到雷电过电压和操作过电压的作用，由于其自身电压等级、额定功率和设计布局等差异，导致入侵的电压波形通常和IEC标准有很大不同，评估其绝缘强度时有必要开展不同波形参数冲击电压下典型绝缘击穿特性试验研究。为此设计并搭建了一套基于固态开关的冲击电压发生器，通过调节回路中电容和电阻参数，可产生包括标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压等7种不同波形参数的冲击电压。实验测试与回路仿真所得波形近似，冲击电压的波头时间和波尾时间满足标准规定允许的偏差范围。

关键词:

固态开关;冲击电压发生器;波形参数

0引言

电力变压器在运行过程中除了要承受长期的工作电压外，还可能承受短时的雷电过电压和操作过电压等不同波形参数过电压的作用。对于大型电力变压器的冲击试验，通常采用标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压来评估其绝缘强度［1－3］。然而，由于电压等级、额定功率和设计布局的差异都会改变变压器回路参数，导致入侵的雷电冲击电压和操作冲击电压的波头时间和波尾时间通常和IEC标准有较大不同，所以有必要开展不同波形参数冲击电压下变压器典型绝缘击穿特性试验研究［4－5］。本文针对不同波形参数冲击电压发生器进行设计，为后续的变压器典型绝缘冲击击穿特性试验研究奠定基础。冲击电压源一般采用Marx回路，通过球隙的绝缘和击穿来控制主电容的充放电，进而获得需要的冲击电压输出。文献［6］对某冲击电压发生器的标准雷电冲击电压、标准操作冲击电压、500μs和1000μs长波头操作冲击电压的输出特性进行了试验研究。通过对冲击电压放电等值回路的数学分析，给出了调波电阻的计算方法。文献［7］研制了一种可产生IEC60060-1中规定的雷电全波的冲击电压标准波源，计算分析了回路中元件对输出冲击电压波形参数的影响。该文采用半导体开关MOS-FET作为冲击电压标准波源的开关，保证了冲击源的稳定性。文献［8］设计并实现了一种基于固态开关的冲击电压源，较大抑制传统依靠球隙电弧开关的冲击源导通瞬间引起的强烈干扰，可实现对冲击电压波头时间段内的局部放电检测。本文基于文献［8］2327方案，采用固态开关代替球隙，通过对回路中主电容、负载电容、波前电阻和波尾电阻的参数设计，搭建了一套可以产生包括标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压的多波形参数冲击电压发生器，为后续的变压器典型绝缘冲击击穿特性试验研究奠定基础。

1冲击电压发生器原理

图1为传统冲击电压发生器原理图，直流电压源通过保护电阻Rd对主电容C1进行充电，充电完成后触发开关S导通，主电容对波头电阻Rt和波尾电阻Rf放电，同时经波头电阻对负载电容C2充电，形成上升的电压波前，负载电容上的电压被充到最大值后，反过来经波头电阻和主电容回路一起对波尾电阻放电，形成下降的电压波尾，从而产生冲击电压全波波形。通过调节波前、波尾阻值，实现不同波形参数的冲击电压输出。国际电工委员会和国家标准对雷电冲击电压和操作冲击电压两种波形的参数做出了明确的规定，为搭建冲击电压发生装置提供了理论基础和标准依据，其参数要求如表1所示。本文设计的冲击电压发生器采用图1所示回路。其中回路开关选用高压MOSFET组成的固态开关，参数指标为耐压90kV，耐受电流100A，开通延迟时间为250ns，导通时间约为50ns，导通电阻为32Ω。为了产生标准雷电、标准操作等多种波形参数冲击电压，需要对回路各电容、电阻等元件参数进行设计。

2冲击电压发生器参数设计

2.1标准雷电冲击电压

本文选用的固态开关耐受电流为100A，为防止放电电流过大损坏开关，同时考虑到标准雷电冲击电压所用波前电阻和波尾电阻可能较小，因此电容选择不宜过大，选用主电容为22nF，电容分压器兼做负载电容，为0.3nF。根据图1所示回路，忽略回路电感的影响，采用公式(1)和(2)来对回路的波前电阻和波尾电阻进行估算［9］。Tf=3.24•Rf•C1C2/(C1+C2)(1)Tt=0.693•Rt•(C1+C2)(2)式中:Tf为冲击电压的波头时间;Tt为冲击电压的波尾时间;Rf与Rt分别为波头与波尾电阻;C1与C2分别为主电容与负载电容的电容值。为了更准确获得不同元件参数下冲击源输出的冲击电压波形参数，以及回路效率和回路最大电流，在对回路元件参数估算的基础上，利用Matlab的电力系统元件模块库建立冲击电压发生器放电回路的仿真模型，如图2所示，最终确定标准雷电冲击电压发生器参数如表2所示。当主电容充电电压设置为50kV时，仿真冲击源输出电压和电流波形如图3所示，冲击电压波形参数结果如表3所示。冲击电压波形满足标准雷电冲击电压要求，通过图3(b)可以看出，50kV下回路中最大电流Ic为51.2A，未超过固态开关对回路电流的要求，通过进一步计算，当主电容充电电压90kV时，达到固态开关最大电流限值。

2.2其他不同波形参数冲击电压

冲击电压发生器产生其他波形参数的冲击电压在原理上是相同的，只是波前时间和半峰值时间均较雷电冲击电压要长，这就要求冲击电压发生器的放电时间常数增加，即要求放电回路中的电容和电阻的大小增加［10］。考虑到开关有最大电流的限制，而且波头和波尾电阻阻值的大幅度增加要保证使其具有很高的绝缘强度和热容量，这在制作电阻的过程中难度很大［11］。综合以上因素，考虑将主电容和负载电容适当增大，以获得相对较小的波头和波尾电阻阻值。设计中将主电容增大到200nF，负载电容在已有的电容分压器上并联一个0.85nF的耦合电容，则总负载电容增大到1.15nF。在产生波前时间和半峰值时间较长的冲击电压波形时，由于波头电阻和波尾电阻的电阻值远大于临界阻尼电阻，此时电阻的电感对操作冲击电压波形的影响不大，因此回路中忽略电感的影响［11］。通过冲击电压发生器简化回路的估算公式和电路仿真，最终确定6组不同波形参数的冲击电压发生器参数。当主电容充电电压设置为50kV时，仿真冲击源输出冲击电压和电流等参数如表4所示。其中对于波形1，当主电容充电电压为63kV时，达到固态开关最大电流限值。对于波形2，当主电容充电电压为85kV时，达到固态开关最大电流限值。其他波形情况下主电容充电电压小于100kV时，均能满足固态开关最大电流限值要求。

3回路搭建和实验测试

3.1回路搭建

依据确定的元件参数，在实验室搭建冲击电压发生器，对不同元件参数下的输出冲击电压波形进行测试。为了尽量抑制冲击电压发生器所带来的干扰，采取了以下措施:

(1)冲击电压发生器回路接地线全部采用铜皮接地，保证接地良好。

(2)冲击电压发生器高压引线采用直径6mm的光滑铜管，长度尽量缩短，且将接头处进行打磨处理，防止高压引线发生局部放电混入测量系统。

(3)测量示波器通过隔离变压器连接电源，保护示波器并隔离部分干扰。

3.2实验测试

依次对上述7组不同波形参数的冲击电压回路进行实验测试，主电容充电电压5kV逐级加压到40kV，经过电容分压器输出到示波器对电压波形进行纪录，每种波形参数每个电压等级下分别进行5次试验，取偏差最大情况。试验中通过示波器采集的冲击波形包含微小振荡，导致选取具体电压和时间坐标时会出现偏差。本文处理方式是当选取某个电压及其时间坐标时，依据首次出现该电压的对应时刻作为其时间坐标。图4为试验中获得的30kV下标准雷电和标准操作冲击电压实测波形与仿真冲击电压波形的对比，通过对比可发现实测波形与仿真波形基本相同，波前时间和半峰值时间均满足要求。经统计分析7组不同波形参数冲击电压回路在各电压等级下的输出波形，得到各组实际输出电压与主电容充电电压的关系，经计算获得7组不同波形参数冲击电压的回路效率如图5所示。各组不同波形参数冲击电压的回路效率为88.1%～97%，且随着波头时间和波尾时间的增大有下降趋势，回路效率与仿真结果近似，满足实验要求。对实验波形进行分析可以得到各组不同参数冲击电压的波头时间和波尾时间，同仿真的结果相对比，可得到波头时间和波尾时间的偏差百分比如图6所示，偏差计算如式(3)所示。其中，波头时间的偏差范围为－15%～25%，最大偏差25%出现在1.2/50μs波形10kV电压下。波尾时间的偏差范围为－8%～14%，最大偏差25%出现在1.2/50μs波形10kV电压下。由图5可知，对于波前时间，随着电压等级的升高，各冲击电压波形偏差逐渐由正偏差(波前时间偏小)趋向于负偏差(波前时间偏大);对于波尾时间，各冲击电压波形偏差比较稳定，基本不随电压等级的变化而变化。实验测试结果与仿真结果存在一定误差，该误差产生的原因主要为回路中调波电阻的寄生电感导致。回路中各电阻设计时采用康铜丝无感反向绕法制作尽量减小电感，并同时考虑足够的绝缘强度和热容量。但实际为产生不同的波形参数并满足固态开关电流要求，电阻阻值选择较大，因此存在微小寄生电感，导致误差产生。同时冲击电压放电的不确定性，也会对误差的产生有一定影响。通过实测数据可知，各误差均在允许范围内，满足实验要求。η=(T*－T)/T*(3)式中:η为波头时间或波尾时间的偏差百分比;T*为各组冲击电压参数仿真计算获得的理论波头时间或波尾时间;T为冲击电压实验测试获得的实际波头时间或波尾时间。

4结论

本文搭建了一套基于固态开关的冲击电压源，通过调节各电容和电阻的阻值参数，可以实现产生包括标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压等7种波形参数冲击电压。实验测试与回路仿真所得波形近似，其中标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压的波头时间和波尾时间满足标准规定允许的偏差范围。本文所设计冲击电压源可为后续的变压器典型绝缘冲击击穿特性试验研究奠定基础。

参考文献:

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［9］张仁豫．高电压试验技术［M］．北京:清华大学出版社，1982．

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［11］陈文鍼，黄镜明．用冲击电压发生器产生操作冲击电压波的若干问题［J］．高电压技术，1985，11(3):18－24．

作者:赵涛 杨津鸣 王资博 郭沁 郁利超 高丽 单位:华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室