基于固態開關的單級沖擊電壓發生器設計與實現

趙　濤，楊津鳴，王資博，郭　沁，郁利超，高　麗

(華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室,河北保定071003)

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基于固態開關的單級沖擊電壓發生器設計與實現

趙濤，楊津鳴，王資博，郭沁，郁利超，高麗

(華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室,河北保定071003)

電力變壓器在運行過程中可能遭到雷電過電壓和操作過電壓的作用，由于其自身電壓等級、額定功率和設計布局等差異，導致入侵的電壓波形通常和IEC標準有很大不同，評估其絕緣強度時有必要開展不同波形參數沖擊電壓下典型絕緣擊穿特性試驗研究。為此設計并搭建了一套基于固態開關的沖擊電壓發生器，通過調節回路中電容和電阻參數，可產生包括標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓等7種不同波形參數的沖擊電壓。實驗測試與回路仿真所得波形近似，沖擊電壓的波頭時間和波尾時間滿足標準規定允許的偏差范圍。

固態開關；沖擊電壓發生器；波形參數

0　引言

電力變壓器在運行過程中除了要承受長期的工作電壓外，還可能承受短時的雷電過電壓和操作過電壓等不同波形參數過電壓的作用。對于大型電力變壓器的沖擊試驗，通常采用標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓來評估其絕緣強度[1-3]。然而，由于電壓等級、額定功率和設計布局的差異都會改變變壓器回路參數，導致入侵的雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的波頭時間和波尾時間通常和IEC標準有較大不同，所以有必要開展不同波形參數沖擊電壓下變壓器典型絕緣擊穿特性試驗研究[4-5]。本文針對不同波形參數沖擊電壓發生器進行設計，為后續的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗研究奠定基礎。

沖擊電壓源一般采用Marx回路，通過球隙的絕緣和擊穿來控制主電容的充放電，進而獲得需要的沖擊電壓輸出。文獻[6]對某沖擊電壓發生器的標準雷電沖擊電壓、標準操作沖擊電壓、500 μs和1 000 μs長波頭操作沖擊電壓的輸出特性進行了試驗研究。通過對沖擊電壓放電等值回路的數學分析，給出了調波電阻的計算方法。文獻[7]研制了一種可產生IEC60060-1中規定的雷電全波的沖擊電壓標準波源，計算分析了回路中元件對輸出沖擊電壓波形參數的影響。該文采用半導體開關MOSFET作為沖擊電壓標準波源的開關，保證了沖擊源的穩定性。文獻[8]設計并實現了一種基于固態開關的沖擊電壓源，較大抑制傳統依靠球隙電弧開關的沖擊源導通瞬間引起的強烈干擾，可實現對沖擊電壓波頭時間段內的局部放電檢測。

本文基于文獻[8]2327方案，采用固態開關代替球隙，通過對回路中主電容、負載電容、波前電阻和波尾電阻的參數設計，搭建了一套可以產生包括標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓的多波形參數沖擊電壓發生器，為后續的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗研究奠定基礎。

1　沖擊電壓發生器原理

圖1為傳統沖擊電壓發生器原理圖，直流電壓源通過保護電阻Rd對主電容C1進行充電，充電完成后觸發開關S導通，主電容對波頭電阻Rt和波尾電阻Rf放電，同時經波頭電阻對負載電容C2充電，形成上升的電壓波前，負載電容上的電壓被充到最大值后，反過來經波頭電阻和主電容回路一起對波尾電阻放電，形成下降的電壓波尾，從而產生沖擊電壓全波波形。通過調節波前、波尾阻值，實現不同波形參數的沖擊電壓輸出。

圖1　沖擊電壓發生器原理圖

國際電工委員會和國家標準對雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓兩種波形的參數做出了明確的規定，為搭建沖擊電壓發生裝置提供了理論基礎和標準依據，其參數要求如表1所示。

表1　標準沖擊波形參數

本文設計的沖擊電壓發生器采用圖1所示回路。其中回路開關選用高壓MOSFET組成的固態開關，參數指標為耐壓90 kV，耐受電流100 A，開通延遲時間為250 ns，導通時間約為50 ns，導通電阻為32 Ω。為了產生標準雷電、標準操作等多種波形參數沖擊電壓，需要對回路各電容、電阻等元件參數進行設計。

2　沖擊電壓發生器參數設計

2.1標準雷電沖擊電壓

本文選用的固態開關耐受電流為100 A，為防止放電電流過大損壞開關，同時考慮到標準雷電沖擊電壓所用波前電阻和波尾電阻可能較小，因此電容選擇不宜過大，選用主電容為22 nF，電容分壓器兼做負載電容，為0.3 nF。

根據圖1所示回路，忽略回路電感的影響，采用公式(1)和(2)來對回路的波前電阻和波尾電阻進行估算[9]。

(1)

(2)

式中：Tf為沖擊電壓的波頭時間；Tt為沖擊電壓的波尾時間；Rf與Rt分別為波頭與波尾電阻；C1與C2分別為主電容與負載電容的電容值。

為了更準確獲得不同元件參數下沖擊源輸出的沖擊電壓波形參數，以及回路效率和回路最大電流，在對回路元件參數估算的基礎上，利用Matlab的電力系統元件模塊庫建立沖擊電壓發生器放電回路的仿真模型，如圖2所示，最終確定標準雷電沖擊電壓發生器參數如表2所示。

圖2　沖擊源仿真電路模型

主電容/nF波頭電阻/kΩ波尾電阻/kΩ分壓器電容/nF221.43.10.3

圖3　仿真電壓和電流波形

當主電容充電電壓設置為50 kV時，仿真沖擊源輸出電壓和電流波形如圖3所示，沖擊電壓波形參數結果如表3所示。沖擊電壓波形滿足標準雷電沖擊電壓要求，通過圖3(b)可以看出，50 kV下回路中最大電流Ic為51.2 A，未超過固態開關對回路電流的要求，通過進一步計算，當主電容充電電壓90 kV時，達到固態開關最大電流限值。

表3　標準雷電沖擊電壓仿真結果

2.2其他不同波形參數沖擊電壓

沖擊電壓發生器產生其他波形參數的沖擊電壓在原理上是相同的，只是波前時間和半峰值時間均較雷電沖擊電壓要長，這就要求沖擊電壓發生器的放電時間常數增加，即要求放電回路中的電容和電阻的大小增加[10]。

考慮到開關有最大電流的限制，而且波頭和波尾電阻阻值的大幅度增加要保證使其具有很高的絕緣強度和熱容量，這在制作電阻的過程中難度很大[11]。綜合以上因素，考慮將主電容和負載電容適當增大，以獲得相對較小的波頭和波尾電阻阻值。設計中將主電容增大到200 nF，負載電容在已有的電容分壓器上并聯一個0.85 nF的耦合電容，則總負載電容增大到1.15 nF。

在產生波前時間和半峰值時間較長的沖擊電壓波形時,由于波頭電阻和波尾電阻的電阻值遠大于臨界阻尼電阻，此時電阻的電感對操作沖擊電壓波形的影響不大，因此回路中忽略電感的影響[11]。

通過沖擊電壓發生器簡化回路的估算公式和電路仿真，最終確定6組不同波形參數的沖擊電壓發生器參數。當主電容充電電壓設置為50 kV時，仿真沖擊源輸出沖擊電壓和電流等參數如表4所示。其中對于波形1，當主電容充電電壓為63 kV時，達到固態開關最大電流限值。對于波形2，當主電容充電電壓為85 kV時，達到固態開關最大電流限值。其他波形情況下主電容充電電壓小于100 kV時，均能滿足固態開關最大電流限值要求。

表4　其他波形參數沖擊電壓仿真結果

3　回路搭建和實驗測試

3.1回路搭建

依據確定的元件參數，在實驗室搭建沖擊電壓發生器，對不同元件參數下的輸出沖擊電壓波形進行測試。為了盡量抑制沖擊電壓發生器所帶來的干擾，采取了以下措施：

(1)沖擊電壓發生器回路接地線全部采用銅皮接地，保證接地良好。

(2)沖擊電壓發生器高壓引線采用直徑6 mm的光滑銅管，長度盡量縮短，且將接頭處進行打磨處理，防止高壓引線發生局部放電混入測量系統。

(3)測量示波器通過隔離變壓器連接電源，保護示波器并隔離部分干擾。

3.2實驗測試

依次對上述7組不同波形參數的沖擊電壓回路進行實驗測試，主電容充電電壓5 kV逐級加壓到40 kV，經過電容分壓器輸出到示波器對電壓波形進行紀錄，每種波形參數每個電壓等級下分別進行5次試驗，取偏差最大情況。

試驗中通過示波器采集的沖擊波形包含微小振蕩，導致選取具體電壓和時間坐標時會出現偏差。本文處理方式是當選取某個電壓及其時間坐標時，依據首次出現該電壓的對應時刻作為其時間坐標。

圖4為試驗中獲得的30 kV下標準雷電和標準操作沖擊電壓實測波形與仿真沖擊電壓波形的對比，通過對比可發現實測波形與仿真波形基本相同，波前時間和半峰值時間均滿足要求。

圖4　波形仿真與實測對比

經統計分析7組不同波形參數沖擊電壓回路在各電壓等級下的輸出波形，得到各組實際輸出電壓與主電容充電電壓的關系，經計算獲得7組不同波形參數沖擊電壓的回路效率如圖5所示。各組不同波形參數沖擊電壓的回路效率為88.1%～97%，且隨著波頭時間和波尾時間的增大有下降趨勢，回路效率與仿真結果近似，滿足實驗要求。

圖5　回路效率

對實驗波形進行分析可以得到各組不同參數沖擊電壓的波頭時間和波尾時間，同仿真的結果相對比，可得到波頭時間和波尾時間的偏差百分比如圖6所示，偏差計算如式(3)所示。其中，波頭時間的偏差范圍為-15%～25%，最大偏差25%出現在1.2/50 μs波形10 kV電壓下。波尾時間的偏差范圍為-8%～14%,最大偏差25%出現在1.2/50 μs波形10 kV電壓下。由圖5可知，對于波前時間，隨著電壓等級的升高，各沖擊電壓波形偏差逐漸由正偏差(波前時間偏小)趨向于負偏差(波前時間偏大)；對于波尾時間，各沖擊電壓波形偏差比較穩定，基本不隨電壓等級的變化而變化。實驗測試結果與仿真結果存在一定誤差，該誤差產生的原因主要為回路中調波電阻的寄生電感導致。回路中各電阻設計時采用康銅絲無感反向繞法制作盡量減小電感，并同時考慮足夠的絕緣強度和熱容量。但實際為產生不同的波形參數并滿足固態開關電流要求，電阻阻值選擇較大，因此存在微小寄生電感，導致誤差產生。同時沖擊電壓放電的不確定性，也會對誤差的產生有一定影響。通過實測數據可知，各誤差均在允許范圍內，滿足實驗要求。

(3)

圖6　7組沖擊電壓波形參數偏差對比

式中：η為波頭時間或波尾時間的偏差百分比；T*為各組沖擊電壓參數仿真計算獲得的理論波頭時間或波尾時間；T為沖擊電壓實驗測試獲得的實際波頭時間或波尾時間。

4　結論

本文搭建了一套基于固態開關的沖擊電壓源，通過調節各電容和電阻的阻值參數，可以實現產生包括標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓等7種波形參數沖擊電壓。實驗測試與回路仿真所得波形近似，其中標準雷電沖擊電壓和標準操作沖擊電壓的波頭時間和波尾時間滿足標準規定允許的偏差范圍。本文所設計沖擊電壓源可為后續的變壓器典型絕緣沖擊擊穿特性試驗研究奠定基礎。

[1]周易龍，趙憲，童年，等. 全絕緣變壓器中性點雷擊事故分析與防雷研究[J].電力科學與工程，2014，30(2)：62-66.

[2]張重遠，楊彬，趙秀生，等. 一種VFTO作用下變壓器繞組的高頻無源電路模型[J]. 華北電力大學學報(自然科學版)，2010，37(5)：6-10.

[3]梁利輝，董華英，梁貴書，等. VFTO下變壓器繞組電位分布的計算[J]. 華北電力大學學報(自然科學版)，2009，36(2)：13-17.

[4]GAMACHO F，PEREZ J，ARO M，et al. Evaluation procedures for lightning impulse parameters in case of waveforms with oscillations and/or an overshoot[J]. IEEE Transaction on Power Delivery，1997，12(2)：640-649.

[5]VENKATESAN S，USA S. Impulse strength of transformer insulation with nonstandard waveshapes[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(4)：2214-2221.

[6]宣耀偉，樂彥杰，張娜飛，等. 雷電沖擊試驗沖擊電壓發生器調波電阻的確定[J]. 機電工程，2014，31(3)：388-392.

[7]劉少波，龍兆芝，魯非，等. 沖擊電壓標準波源的研制[J]. 高壓電器，2015，51(9)：140-145.

[8]趙濤，王劍，劉云鵬，等. 基于固態開關的沖擊電壓下油紙絕緣局部放電檢測系統設計[J]. 高電壓技術，2015，41(7)：2327-2334.

[9]張仁豫. 高電壓試驗技術[M].北京：清華大學出版社，1982.

[10]周澤存，沈其工，方瑜，等. 高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[11]陳文鍼，黃鏡明. 用沖擊電壓發生器產生操作沖擊電壓波的若干問題[J]. 高電壓技術，1985，11(3)：18-24.

Design and Implementation of a Single-stage Impulse Voltage Generator Based on Solid-state Switch

ZHAO Tao, YANG Jinming, WANG Zibo, GUO Qin, YU Lichao, GAO Li

(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The power transformer in operation may be subjected to lightning overvoltage and switching overvoltage. Due to the difference of the voltage, rated power and design layout of the transformer, the overvoltage waveforms are usually very different with those in the IEC standards. So it is necessary to carry out the investigation about the typical dielectric breakdown characteristic test under different wave parameters of impulse voltage. Therefore in this paper, an impulse voltage generator is built based on the solid state switch and it can produce different kinds of impulse voltage by adjusting the parameters of the capacitor and resistor, including standard lightning impulse voltage and switching impulse voltage of 7 kinds of impulse waveforms. Experimental tests show that the impulse waveforms between test and circuit simulation are very close, and the errors of the front and the tail time of the impulse waveforms satisfy the standard deviation range.

solid-state switch; impulse voltage generator; waveform parameters

2016-06-03。

趙濤(1982-)，男，博士研究生，講師，研究方向為電氣設備絕緣在線監測，E-mail：alibabazhao@163.com。

TM83

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.001