100kV单级冲击电压发生器的研制

张焕强，张晓虹，唐力则，黄树强，黄培新

(1.广东电网公司潮州供电局，潮州521000;2.哈尔滨理工大学电介质工程及应用省部共建教育部重点实验室，哈尔滨150040)

在电力系统中，许多高压电器都受到冲击电压的影响，如电缆附件中用于改善接头和终端电场分布的非线性电介质［1－2］。冲击电压发生器用于模拟高压设备需承受的雷电过电压和操作过电压［3－4］。在进行冲击击穿测试时，被测试样处于冲击发生器与测量电流的电子测量设备之间，隔离了试验区的高压侧与低压侧，以防止设备损坏。冲击电压试验系统是研究纳米复合材料脉冲击穿性能的前提［5－10］。但是，多级超高压冲击电压发生器的放电电压在1 000 kV以上，而纳米复合材料击穿电压只有几十千伏。同时，进行局部放电的小型脉冲电压发生器的放电电压最高只有几千伏，达不到试样击穿电压等级。为满足复合材料薄膜试样冲击电压击穿试验的要求，本文研制了100 kV低储能单级标准雷电波冲击电压发生器。

1 基本原理

标准单级冲击电压发生器的电路如图1所示［11］。高压直流电源向储能电容C1充电。待充电结束后，触发火花开关G。电阻与电容之间的参数决定了输出端的波形。为保证输出波形不受到试样电容的影响，通常选用电容值较大的负载。纳米复合材料试样的电容值约为10～20 pF，本文选用容量为1 000 pF电容分压器作为负载C2，保证了试样对输出波形的影响可忽略不计［12－14］。

图1 标准单级冲击电压发生器电路图

2 主回路参数计算及仿真

经计算，波前电阻为520 Ω，波尾电阻为715 Ω。确定了元件参数后，采用Tina Pro软件对放电回路进行仿真，仿真原理如图2所示，其中C1是带电电容，两端电压100 kV，C2两端输出仿真波形如图3所示。

图2 Tina Pro仿真模型

图3 仿真输出波形

从图3可以看到，当t=2 μs时，波形达到峰值Um=97.5 kV;当电压上升至 0.9 Um=87.75 kV时，所对应的时间恰好为1.2 μs。在电压下降至0.5Um=48.75 kV 时，对应时间为 51.54 μs。

3 系统构成与元件选取

冲击电压发生装置系统构成如图4所示。

1)保护电阻。考虑到，充电时间T充=15 RC，其中R是充电保护电阻，C1是主电容。现要求15 s主电容充电完毕，由 C1=10 000 pF，可知 R =10 MΩ。在确定充电保护电阻阻值后，还需计算出所选电阻的功率，计算方法如下:

设变压器输出电压为

图4 冲击电压发生器的系统构成

其中，ω为交流电压角频率。设电压有效值为100 kV。高压硅堆视为二极管半波整流，则整流后电压有效值U约为45 kV。

对于RC充电回路而言，取R=107Ω，C1=0.1 μF，ω =2πf=314 rad/s，可求得流过保护电阻电流的有效值为

从而可求得电阻功率为

故可选择电压等级100 kV，阻值为10 MΩ，功率350 W的大功率高压电阻。

2)高压硅堆。考虑到缩短充电时间，充电变压器经常提高10%的电压，因此硅堆的反峰值电压

由于充电保护电阻阻值较大，故通过高压硅堆的电流相当小，因此当整流高压硅堆由两只型号为2CL 120 kV－0.1 A的高压硅堆串联组成，两端可承受120 kV交流电压，可通过最大电流为0.1 A，完全可以满足试验要求。

3)波前电阻和波尾电阻。波前/波尾电阻按无感绕法绕制而成，按照W=0.5 CU2计算，当冲击发生器放电电压达到100 kV时，电容C1存储能量仅为500 J，这部分能量不会引起电阻丝过热，所以选用普通规格康铜丝绕制即可达到本设计要求。此外，为调节波前时间，考虑到杂散电容和回路电感对波形产生的影响，将波前电阻设计为在370～520 Ω之间可调。

4)主电容与负载电容－分压器的选取。选取MMJ 100－0.1的脉冲电容器作为储能电容C1，电容器耐压100 kV，电容量为0.1 μF。我们选用PDC－100弱阻尼电容分压器负载电容C2，该分压器电容值为1 000 pF，耐压100 kV，经由标准电阻分压器校对后，确定该电容分压器的分压比为505.2∶1。该分压器不仅作为冲击发生器的负载部分，而且还将冲击电压信号衰减通过同轴电缆传递给示波器，起到充当负载和分压器的双重作用。

4 点火装置

高压放电试验电路中，一般使用的触发装置是球隙开关［15］。球隙开关的结构如图5所示。当给点火电极施加与对面球电极极性相反的点火脉冲时，点火电极和接地球之间先引起沿绝缘管表面的沿面放电，然后引起与对面球电极之间的电场分布的畸变，从而使球间隙击穿。

图5 球隙开关结构图

本文设计的单脉冲点火装置，如图6所示。利用升压电路将12 V直流电压提升到140 V左右的直流电压，以使点火变压器得到合适的电压，输出脉冲电压峰值可达15 kV。利用一款单片机组成的简单电路来控制点火脉冲的触发信号，在程序中不停地检测按钮状态，一旦检测到可靠的按钮按下，在按钮抬起时提供一个触发脉冲以产生一个点火火花，同时发光二极管闪亮一次以指示。

图6 单脉冲点火器实物图

5 结束语

综上所述，本文设计完成了100 kV低储能冲击电压发生器，通过理论计算与仿真相结合确定了冲击低压发生器的主要参数。经实测后，所搭建的冲击电压发生器的波头及波尾时间复合标准雷电波的要求，满足了薄膜试样冲击击穿试验的需要。

［1］BOGGS S A，ZHOE J Y.Dielectric property measurement of nonlinear grading materials［C］//IEEE Conf.Elect.Insul.Dielectr.Phenomena，2000:764 －767.

［2］H Y J，ROBERT R C，NELSON J K.Some mechanistic understanding of the impulse strength of nanocomposites［C］//Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric.New York，USA，2006:31 －34.

［3］李光范，廖薇明，李庆峰，等.7200kV/4800kJ冲击电压发生器的输出电压特性［J］.中国电机工程学报，2008，28(25):1 －7.

［4］GOERZ D，FERRIRRA T，NELSON D，et al.An ultra－compact Marx－type high－coltage generator［C］//13th IEEE Pulse Power Conf.Las Vegas.Nevada，USA，2001:628 －631.

［5］马宾，丁卫东，李峰，等.基于磁开关的重复频率冲击电压发生器［J］.强激光与粒子束，2010，22(3):469 －473.

［6］GRAHAM J D，GALE D G，SOMMARS W E，et al.Compact 400kV marx generator with common Switch housing［C］//11th IEEE International Pulse Power Conference.Baltimore，MD，USA，1997:1519－1523.

［7］CHEN Y －j，NEUBER A A，MANKOWSKI J，et al.Design and optimization of a compact，repetitive，high－power microwave system［J］.Review of Scientific Instruments，2005，76(10):4703－4708.

［8］秦卫东，李洪涛，顾元朝，等.200 kV快脉冲Marx发生器［J］.高电压技术，2002，28(11):40 －51.

［9］王燕.冲击发生器脉冲点火及延时装置的改进［J］.实验室研究与探索，2001，20(4):55 －56.

［10］刘宏伟，谢卫平，李洪涛，等.紧凑型电感隔离快Marx发生器［J］.高电压技术，2008，34(7):1436 －1439.

［11］张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压试验技术［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［12］刘轩东，李登云，孙凤举，等.用于纳秒脉冲高压测量的同轴型电容分压器［J］.高压电器，2008，44(1):32 －33，36.

［13］张永辉，常安碧，甘延青，等.一种同轴高压电容分压器的设计［J］.高电压技术，2003，29(1):37 －38，41.

［14］王红星，张国庆，蔡兴国，等.光学电压互感器精密电容分压器的研制［J］.电力系统自动化，2009，33(8):72 －76，80.

［15］KUFFEL E，ZAENGL W S.Oxford，Oxfordshire［M］.New York:Pergamon Press，1984:59 －61.