1200 kV沖擊電壓發生器雷電沖擊全波調節方法

張自勤，項恩新，龍劍,3，程虹，張教偉，段生江

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；2.云南電網有限責任公司德宏供電局，德宏678400；3.昆明電器科學研究所，昆明650221；4.云南電網有限責任公司曲靖供電局，曲靖655000）

0前言

沖擊電壓發生器是用來檢驗各種高壓電氣設備在雷電過電壓、操作過電壓下絕緣性能的試驗裝置，應用場景廣泛。試驗中，通過波頭時間和波尾時間是否滿足要求來判定試品是否通過試驗[1-5]。根據長期的試驗經驗，在不同的試驗樣品之間進行雷電沖擊全波試驗時，試品電容差異較大，試驗人員需要在裝置上來回反復地調節波頭電阻或波尾電阻，直到滿足標準要求[6-10]。該方法工作效率低，費時費力，且存在一定的安全風險，成為困擾試驗人員的一個難題。

1原理分析

1.1標準雷電全波定義

標準雷電沖擊電壓全波波形如圖1所示，波頭時間為（1.2±30%）μs，波尾時間為（50±20%）μs。其中：

視在原點G：定義為試驗電壓曲線峰值30%到90%的兩點延長線與時間軸的交點。

波前時間（波頭時間）T1：定義為試驗電壓曲線峰值30%到90%之間時間間隔T的1.67倍。

半峰值時間（波尾時間）T2：定義為從視在原點G 到試驗電壓曲線下降到試驗電壓值一半時刻之間的時間間隔。

1.2波頭時間和波尾時間近似計算

沖擊電壓波形可由電容、電阻構成的二階電路的充放電實現。如圖2和圖3分別為沖擊發生器的波前近似等效電路圖和半峰值時間的近似等效電路示意圖。

圖1沖擊全波電壓時間參數

圖2波前時間的近似等效電路

圖3半峰值時間的近似等效電路

圖2和圖3中C1為裝置的總沖擊電容，C2為負荷電容，負荷電容主要包括線路雜散電容、球隙間電容、電容分壓器電容和試品電容。試驗開始時將C1充好電，當K 動作后，由C1向C2充電，則試品兩端電壓：

根據雷電沖擊全波波頭時間和波尾時間定義，推導波頭波尾時間公式：1.2.1波頭時間T1已知，

根據根據公式（3）（4）（5）（6）解方程組，得出波頭時間T1：

1.2.2波尾時間T2

已知，根據根據公式（8）（9）解方程組，得出波尾時間T2：

上述各公式中，U0為全波峰值電壓，t1和t2分別是0.3U0和0.9U0時對應橫坐標上的時間，τ1為波頭時間常數、τ2為波尾時間常數、C1為沖擊電容、C2為總負荷電容（包括分壓器電容、線路雜散電容、球隙電容和試品電容）、Rf 為波頭電阻、Rt 為波尾電阻。

根據公式（7）（10），當知道任意三個變量的值即可求出另一未知變量的值。

2方案設計

2.1沖擊電壓發生器介紹

該沖擊電壓發生器的標稱值為1200 kV，共8級，每級2個沖擊電容，共16個，每個沖擊電容電壓為75 kV，電容量為0.992 uF。標配的波頭電阻規格分別為40Ω×8只、60Ω×8只、80Ω×8只、100Ω×8只，波尾電阻規格為141Ω×8只。

2.2沖擊電壓發生器每級可帶負荷電容值

由于波頭時間T1取值范圍、波尾時間T2取值范圍、沖擊電容C1已知，通過公式（7）可得沖擊電壓發生器每級所帶的總負荷電容C2在波頭時間T1和波頭電阻T2為上下限值時的取值范圍，再減去分壓器電容C21、雜散電容及球隙電容C22即可推出每級可帶試品電容C23范圍。沖擊電容C1和可帶試品電容C23隨著裝置級數N的減小而增大；每級波頭時間和波尾時間范圍均落在標準范圍內，分壓器電容C21值固定不變；同時雜散電容和球隙電容C22值隨著裝置級數N的減少逐級遞增；5～8級可帶試品電容差別不大，從4級到1級每級可帶試品電容成倍增加，可測試品電容最大范圍位于第1級。

2.3試品電容估算

如現有一試品將在該裝置上進行雷電沖擊全波試驗，保持原有裝置沖擊級數N、波頭電阻Rf、波尾電阻Rt 不變，對試品進行第一次預加壓試驗，得到第一次波頭時間T1-1。由于已知第一次波頭時間T1、沖擊電容C1、波頭電阻Rf 三個變量，可由公式（7）求得總負荷電容C2值；再根據表1中分壓器電容C21、每級雜散電容和球隙間電容C22求得試品電容C23第一次估算值。將C23估算值和表1中每級可帶電容范圍進行比較，確定裝置級數并進行調整。

級數調整后，保持裝置原有波頭電阻Rf 和波尾電阻Rt 不變，對試品進行第二次預加壓試驗，得到第二次波頭時間T1-2。同理可由公式（7）求得調整后的總負荷電容C2-2值，根據分壓器電容C21、該級對應雜散電容和球隙間電容C22已知，可求得試品電容第二次估算值C23-2，此時的估算值將更加精確。

2.4波頭電阻計算

將調整后的沖擊電容C1、總負荷電容C2-2和標準波頭時間（T1=1.2μs）帶入公式（7），可求出滿足標準波頭時間的總波頭電阻Rf，從而得出每一級需放置的波頭電阻阻值。實際工作中，因波尾時間T2變化不大，每級波尾電阻可不作調整，只調整波頭電阻即可。

3與傳統方案比較

3.1傳統試驗方案

傳統試驗流程需先對試品進行一次低于試驗電壓的正或負極性的沖擊試驗，再根據后臺軟件上顯示的波頭時間和波尾時間跟標準值進行對比，若不滿足標準要求，則需多次進行預加壓試驗、反復調整波頭波尾電阻。該方案通常依賴經驗，耗時費力。

3.2新試驗方案

新試驗流程只需進行兩次預加壓試驗、兩次負荷電容計算，即可完成試品電容估算、裝置級數確定，并且精確反推出總波頭電阻值和每一級需要配置的波頭電阻。新試驗方案相比傳統試驗方案，具有快速準確、便捷高效的優點。

4結束語

在沖擊試驗中，由于回路電感和雜散電容的存在，要得到符合標準規定的波形較為困難。本文提供了一種全新的試驗思路，即先確定負荷電容、再調整級數的方法，能夠快速調試出符合標準的波形，從而解決傳統試驗方案純靠經驗、效率低下的問題，同時降低試驗中的安全風險。