一种高压大功率调波电阻的设计及验证试验

罗锐

（桂林电力电容器有限责任公司，广西 桂林 541004）

高压大容量脉冲电容器主要用于冲击电压发生器、冲击电流发生器、或连续脉冲装置中，与其它电器元件连接在一起，产生用户需要的放电波形。高压大容量脉冲电容器的型式试验中规定了耐久性试验。该试验的特点：第一，需在规定的电流波形或电路参数下作连续充放电试验[1-2]。第二，试验时间长。一般要进行一万次到四、五万次的连续充放电[3-5]，历时几天至三四十天。第三，试验电压高、存储能量大、放电电流大。

调波电阻用于充放电装置的放电回路中，对放电电流起阻尼作用，调节放电电流峰值和反峰率[6]。对调波电阻的主要要求在于，第一，由于不同型号高压大容量脉冲电容器对放电电流波形的要求不同，对放电回路中调波电阻的阻值要求也不同，这就要求调波电阻的阻值可以在一定范围内进行微调，以适应不同试品对放电回路参数的要求。第二，高压大容量脉冲电容器在进行连续充放电试验时，试验电压高、容量大，脉冲电容器储存的能量也非常大，达几十千焦至近二百千焦，脉冲放电电流也非常大，峰值达十几千安至上百千安。在试验过程中，脉冲电容器储存的能量瞬间释放，大部分消耗在放电回路中的调波电阻上。这就要求调波电阻有较大的热容量[7]，较好的散热性能，以保证试验过程中其温升低，电阻值变化小，不至于造成较大的放电电流波形变化。第三，要求调波电阻需具有较强的通流能力，有足够的机械强度，能承受较大电动力的连续冲击。

为此设计了一种电阻值可以灵活调节、热稳定性好、绝缘强度和机械强度高、使用寿命长的调波电阻。

1 调波电阻的设计

1.1 调波电阻的材料选择

电阻材料选用镍铬合金线材。第一，镍铬合金具有较高的电阻率，其电阻率为1.10Ω.mm2/m，在一定的直径和一定的长度下可得到较大的电阻值调节范围。第二，镍铬合金具有很小的电阻温度系数，其电阻温度系数为7.0×10-5（1/℃）[8]。在长时间的充放电试验过程中，电阻线温度升高时，其电阻值变化很小，对放电电流波形的影响很小，可保证试验结果的准确性。第三，镍铬合金具有较高的机械强度，在较大电动力的连续冲击下不容易产生严重变形。第四，镍铬合金线材常用于工业电炉作为发热器件，在高温下具有较好的抗氧化性能，有较长的使用寿命。

综合考虑电阻值及通流能力等因素，决定采用φ8镍铬合金线作为电阻材料，其米电阻为22mΩ/m。

调波电阻的绝缘支架采用环氧树脂板材，具有绝缘性能好，机械强度高的优点。

1.2 调波电阻的结构设计

1.2.1 首先制作好基本电阻单元，见图1。在两段等长镍铬电阻线两头各焊接一个U 形黄铜连接片，使两段镍铬电阻线并联连接，构成基本电阻单元。由于基本电阻单元为垂直安装，考虑到适当的阻值以及接线、拆线操作方便，镍铬电阻线的长度取1 米较为合适。U 形黄铜连接片的顶部及侧面均开有安装孔，用于安装固定及电连接。

图1 基本电阻单元

1.2.2 图2 为调波电阻的结构示意图。调波电阻的底板上对称树立两个支架（图中只画出其中一个），每个支架包括两根立柱、两块上固定板、两块下固定板和七块绝缘隔离板。两根立柱的底部与底板之间，既有榫卯结构连接，又有紧固件通过螺栓连接。两根立柱的顶部之间固定有水平设置的上固定板，两根立柱的底部之间固定有水平设置的下固定板。在上固定板和下固定板之间的垂直方向上，等距离分布七块水平设置的绝缘隔离板，隔离板的两端分别通过紧固件固定在两端的立柱上。包括底板、立柱、上固定板、下固定板和绝缘隔离板等，全部为厚度不等的环氧树脂板材切割而成。

图2 调波电阻结构示意图

1.2.3 多个基本电阻单元在水平方向上等距离垂直排列安装于上固定板和下固定板上，各基本电阻单元之间通过铜连接片连接，相邻基本电阻单元的镍铬电阻线之间用开有卡槽的绝缘隔离板进行绝缘隔离。

1.2.4 每个绝缘支架安装20 个基本电阻单元，每台调波电阻共有40 个基本电阻单元。考虑到足够的爬电距离，相邻基本电阻单元的间距取80mm，调波电阻的总长度约1800mm。基本电阻单元的高度为1200mm，加上下固定板与底板之间留出200mm 的绝缘距离，以及为了方便移动而安装于底板四角上的轮子（图中未画出）的高度100mm，调波电阻的总高度约为1550mm。这个高度比较方便于试验人员进行电气连接等操作。

1.2.5 每个基本电阻单元的电阻值为11mΩ，所以整台调波电阻的电阻值调节范围在0.275 mΩ（全部基本电阻单元并联）至440 mΩ（全部基本电阻单元串联）之间。依据主要高压大容量脉冲电容器的放电电流波形要求，使用仿真软件对放电回路的参数进行仿真，大多数试品对放电回路的电阻值要求在50mΩ～500 mΩ 之间，使用1 台或2 台调波电阻进行调节，基本可满足要求。对于极个别要求放电回路电阻值较大的脉冲电容器试品，其放电电流峰值相对较小，则可以用常规的固定电阻和调波电阻配合，调配出所需电阻值，调试出所需的放电电流波形。

1.2.6 调波电阻的结构设计有很多优点。第一，在试验准备阶段，多个基本电阻单元的布置方式，可使各基本电阻单元很灵活方便地进行串联、并联连接，组合成所需的电阻值，极大地提高工作效率。第二，在试验过程中，基本电阻单元的双线构成方式，既可以扩大通流截面积，增强承受脉冲大电流的能力，又可以利用U 形铜连接片的弹性，缓冲镍铬电阻线通过脉冲大电流时所产生电动力的冲击，避免焊接点松脱和镍铬电阻线发生变形。第三，相邻基本电阻单元的镍铬电阻线之间的隔离方式，可以限制基本电阻单元的镍铬电阻线由于电动力作用产生振荡的幅度，避免相邻镍铬电阻线相互触碰产生短路故障、造成设备损坏。第四，镍铬电阻线暴露于空气中，有利于改善散热条件，降低温升，保持放电回路电阻参数的相对稳定。

2 调波电阻的验证试验

2.1 验证调波电阻的调试效率

以MKMJ24-320 型自愈式脉冲电容器为例。其额定电压为24kV，额定电容为320μF。根据其技术条件，耐久性试验要求充电至24 kV 直流电压进行放电，放电电流峰值不小于70kA，反峰率不小于70%。利用仿真软件进行仿真，要求放电回路的电阻为67mΩ，电感为26 μH。经调试，实际接入放电回路的电阻为调波电阻2 组各12 个基本电阻单元串联，然后这2 组再互相并联。再配合调波电感，调试出实际的放电电流波形如图3 所示，放电电流峰值为70.8 kA，反峰为50.0 kA，反峰率为70.6%，完全符合相关技术要求。

图3 MKMJ24-320 放电电流波形

因为调波电阻和调波电感都可以很小的值进行微调，所以得到的电流波形可以很接近技术要求，提高了试验结果的准确性。而且调波电阻的接线方式，可以方便快捷地微调接入放电回路的电阻值，获得所需的放电电流波形。而且放电电流的调试，包含了调波电阻和调波电感的调节，只需两三个小时，极大地提高了试验工作的效率。

2.2 验证调波电阻的耐久性能

在对试品电容器进行耐久性试验的同时，也是对试验线路设备做寿命试验[9-10]。试验线路设备的损耗也是较大的，特别是放电回路的调波电阻等设备。

调波电阻投入试验后经历试验时间最长，充放电次数最多的是MKMJ35-217 型自愈式脉冲电容器的耐久性试验。其技术条件要求在35kV 的直流试验电压下，放电电流峰值不小于35.2kA，反峰率不小于10%。实际的放电电流波形见图4，放电电流峰值为35.6kA，反峰率为10.7%。MKMJ35-217 共进行了3 台试品80000 多次的充放电试验，最多的一台进行了40000 次充放电试验。

图4 MKMJ35-217 放电电流波形

调波电阻设计制作完成后，随即承担了公司高压大容量脉冲电容器（主要是金属化膜脉冲电容器）的耐久性试验，还承担了其它产品如直流支撑电容器、隔直电容器等电容器产品的耐久性试验（1000 次充放电试验）。其中ZZMJ2.8-7500 型直流支撑电容器和ZZMJ2.8-7500型直流支撑电容器的放电电流波形分别见图5、图6。在一年多的时间里，累计进行了18 万多次的充放电试验，最高试验电压60kV，最大峰值电流74.4kA，最大试品电容量11000μF，最大放电能量161.3kJ。调波电阻可靠、耐用，完全满足现有产品的相关试验要求，没有发生过温升过高、严重变形、或者损坏等情况。

图5 ZZMJ2.8-7500 放电电流波形

图6 ZZMJ2.8-8000 放电电流波形

3 结论

3.1 选择镍铬合金作为调波电阻的电阻材料，可使调波电阻在充放电试验过程中保持电阻值的相对稳定，减小放电电流波形的变化；而选择环氧树脂板材做绝缘支架，可使调波电阻具备足够的绝缘强度和机械强度，以满足高压大容量脉冲电容器耐久性试验高试验电压、大冲击电流的需要。

3.2 调波电阻的结构设计，使接入放电回路的电阻可以很方便灵活地进行微调，可以很快捷地获得所需的放电电流波形，极大地提高放电电流波形调试阶段的工作效率。

3.3 调波电阻的材料选型及结构设计，可以有效地减少试验过程中试验设备的损耗，延长试验设备的寿命，降低试验成本，经济效益较好。