冲击电压发生器的原理、试验及设计

冲击电压发生器的原理、试验及设计
摘要:电力系统内的发，供，用电设备除了长期在额定电压下运行之外，还必须具备在过电压下的绝缘强度。

过电压是指超过正常运行电压，它是电器设备或保护设备损坏的电压升高。

在电力系统各种事故中，很大一部分是由于过电压造成设备的绝缘损坏引起的。

当绝缘油缺陷时，若不及时排除，最终将导致设备损坏，而高电压试验的目的就是通过一定的手段，依靠仪器设备，采用模拟的方法检验电气设备绝缘性能的可靠程度。

而冲击电压试验是针对电力系统外部过电压而对绝缘材料进行的一项电气试验，所进行的雷电试验及操作波试验能有效的模拟电力系统的外部过电压，对电气绝缘设备在电力运行中的过压能力能够有效的得到预防和检验。

关键词：高电压试验冲击电压发生器
【ABSTRACT】：The electricity generation equipment, power supply equipment and consuming equipment of electrical system must base on the over-voltage insulating strength, as well as under long-time routine voltage service. Over-voltage is more than the normal operating voltage, which is damage to electrical equipment or protective equipment during increases the voltage. A variety of accidents in the power system, a large part was caused by the over-voltage insulation damage. If not immediately removed, the equipment will be damaged at last when the insulating oil appears defects. And that the purpose of high voltage testing will be using the simulation method to check the insulation reliability of electrical equipment.
The impulse voltage test is for external over-voltage power system while an electrical insulating material testing, which is for the service pressure of electric power equipment can be effectively prevented and testing
【KEY WORDS】High voltage test Impulse voltage generator
目录
1 绪论 (3)
1.1冲击电压发生器的发展历史和现状 (3)
1.2冲击电压发生器在电力系统中的应用 (3)
2 冲击电压发生器的原理及结构 (4)
2.1冲击电压波形 (4)
2.2冲击电压发生器的原理 (5)
2.3冲击电压发生器的结构 (6)
2.4冲击电压发生器的接线方式 (8)
2.5冲击电压试验系统的接线联线方式 (10)
3 冲击电压发生器的设计 (14)
3.1冲击电压发生器的标称电压的选择 (14)
3.2冲击电压发生器的脉冲电容的选择 (14)
3.3冲击电压发生器的容量的确定 (15)
3.4回路选择 (15)
4 冲击电压发生器在高电压试验中的应用 (16)
4.1绝缘材料的雷电过电压耐受性能试验 (16)
4.2绝缘材料的操作过电压耐受性能试验 (17)
4.3 绝缘材料的陡波冲击电压试验 (17)
参考文献 (17)
一绪论
1.1冲击电压发生器的发展历史和现状
冲击电压发生器通常都采用Marx充放电回路，马克思发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出。

目前国外拥有大型冲击电压发生器的高压研究机构主要有全俄直流高压研究院，美国电科院，加拿大魁北克省水电局，日本电力工业中央研究所，意大利CESI公司，瑞典输电研究院等。

这些试验研究机构拥有的冲击电压发生器的参数如下表
研究机构额定电压/kV 额定容量/kJ
中国电力科学研究院7200 480
美国电科院5200 260
加拿大魁北克省水电局6400 400
日本电力工业中央研究所1000 1750
意大利CESI公司4800 240
瑞典输电研究院3200 240
全俄直流高压研究院5000 800
1.2冲击电压发生器在电力系统中的应用
冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置，用于检验电力设备耐受大气过电压和操作过电压的绝缘性能，冲击电压发生器能产生标准雷电冲击电压波形，雷电冲击电压截波，标准操作冲击电压波形及非标冲击电压波包括陡波。

1.3冲击电压发生器的发展前景
二冲击电压发生器的原理及结构
2.1冲击电压波形
冲击电压发生器是一种产生脉冲的高电压发生装置。

原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，后来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。

所以对于冲击电压发生器，要求不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。

冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波前陡度有关，对某些设备还要采用截波来进行试验。

此外，冲击电压发生器还可以用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分，在打功率电子束和离子束发生器以及二氧化碳激光中，可作为电源装置。

冲击电压试验系统可发出各种形状的脉冲波形，但是根据试验研究的需要，按
照有关国际标准和国家标准的规定，主要产生以下几种冲击电压波形：
1、标准雷电冲击波形
2、标准操作冲击波形
3、其他特殊的冲击电压波形，如特种操作冲击波等。

对于冲击电压波形，主要规定了3个基本参数来描述波形的形状，即峰值电压、波头时间和波尾时间，波形的参数定义如图所示。

相关标准规定雷电全波峰值——±3% Tf=1.2μs±30% Tt=50μs±20%
标准操作冲击波形Tf=250μs±20% Tt=2500μs±60%
图2-1雷电冲击电压全波图2-2波峰附近有震荡的全波
图2-3在波尾截断的雷电冲击电压波图2-4 在波前截断的雷电冲击电压波
图2-5 操作冲击电压波形图2-6 试验变压器内绝缘的操作电压波形
2.2冲击电压发生器的原理
冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定波形。

它是用下列马克斯回路来达到这些目的的，如图2-7：
图2-7 冲击电压发生器的基本回路
T——试验变压器；D——高压硅堆；r——保护电阻；R——充电电阻；C1~C4——主电容器；
rd——阻尼电阻；C——对地杂散电容；g1——点火球隙；g2~g4——中间球隙；g0——隔离球隙；
Rt——放电电阻；Rf——波前电阻；C0——试品及测量设备等电容
试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容C1~C4充电，充电到U，出现在球隙g1~g4上的电位差也为U假若事先把球隙距离调到稍大于U，球隙就不会放电。

当需要使冲击动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板井g1接地，点1点位由地电位变为+U。

电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为+2U。

同理，g3,g4也跟着放电，电容器C1~C4串联起来了。

最后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1~C4上电压的总和，即+4U。

上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”；由并联变成串联是靠一组球隙来达到。

要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。

满足这个条件的，叫做球隙同步好，否则就叫做同步不好。

R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。

在球隙同步动作时，放电回路改变成如下图2-8的形式。

图2-8冲击电压发生器串联放电时的等效回路
上图中C1原有电压+4U，原来无电压，当g0放电，C2上将建立起电压，同时C1上电压降下降。

当C2上电压U2从零上升到U2MAX时，它与此时C1上电压U1相等，不可能在上升.由于二者将经R1放电，最后都将降到零。

U2的形状可表示为下图。

上升部分的快慢与RF有关，下降部分的快慢与RT有关。

RF小，上身快。

RT大，下降慢。

图中——Rr是防止回路内部发生振荡用的。

R一般比R大一数量级，不仅保护硅堆，还可使各级电容器的充电电压比较均匀。

图2-9 Ｃ２上电压Ｕ２的曲线
从以上分析可看出，要提高冲击电压发生器的输出电压有两种途径：一种是升高充电电源电压，但它受电容器额定电压的限制；另一种是增加级数，但级数多了会给同步带来困难。

图2-10电路采用了两个半波的整流倍压充电方式。

发生器的动作原理，基本上和图2-7回路一样。

和图2-7相比较，图2-10中中间球隙所跨接的电容器台数增加了一倍。

不过图2-10中球隙ｇ２在动作时过电压的倍数，要比图2-7中的ｇ２要低，这点需深入分析。

为克服这一缺点，直流充电部分可改为对地的倍压回路，此时在电容Ｃ２的下极板处直接接地。

图2-10 双边充电的冲击电压发生器回路
最后说明一下冲击电压发生器的几项技术指标
㈠发生器的标称电压发生器每级主电容的标称充电电压值与级数的乘积。

其值一半为几百千伏至几千千伏。

㈡发生器的标称能量发生器主电容在标称电压下的总储存能量。

其值一半为几十千焦至几百千焦。

㈢发生器的效率发生器输出电压U2峰值与各级实际充电电压的总和之比。

2.3冲击电压发生器的结构
2.3.1 冲击电压发生器本体及直流充电电源原理电路图
冲击电压发生器本体结构说明
电压发生器本体设计采用四根绝缘立柱支撑结构。

在发生器的每级将4根立柱联结可靠，并互相间组成一四方形框架。

为了方便操作，在发生器内每隔三级安装了一个操作平台。

在操作平台附近装有一个绝缘梯，由于平台的活动部分是可以折叠的，因此，沿着绝缘梯可以在发生器内安全地从底部攀登到部。

这种有着金属外壳和陶瓷套管的冲击电容是充油的，即使在额定工况下连续操作，它们也有足够的使用寿命。

发生器上采用了一个绝缘筒用来安装所有的点火球隙。

该绝缘筒将所有球隙封闭起来，并在绝缘筒底部安装了一个鼓风电机向筒内吹入过滤的空气，其内部产生的空气压力能够阻止灰尘进入绝缘筒内，避免球隙异常放电。

同时，绝缘筒也能隔离点火球隙放电产生的噪音。

绝缘筒在每级都开有观察孔并用有机玻璃封闭，通过该观察孔可以观察球隙的放电状况并调整所有的球隙距离。

发生器上使用的所有的电阻都是拔插式的线绕电阻。

雷电波的调波电阻采用无感绕制，具有很小的电感。

波头电阻和波尾电阻安装在发生器的两柱之间。

充电电阻则安装在点火绝缘筒的两侧。

不使用的波头电阻和波尾电阻可放在冲击电容旁边的搁架内。

这些电阻很容易在平台上取到。

直流充电电源（由高压变压器，高压硅堆构成）的两个套管输出正负对称的直流充电电压给发生器。

高压硅堆安装在直流充电电源内部，通过顶部的电机机构可改变高压硅堆的方向，。

充电电阻也被分成两部分，分别置于套管后，两个放电机构被安装在底座上。

发生器的启动是通过触发最下一级的球隙使之放电而完成的。

因此最下一级的球隙被设计成三间隙结构。

触发脉冲是由一个高电平，快速变化的脉冲电压。

它是由点火脉冲放大器产生
的。

两个用于测量充电电压的电阻分压器和一个用于检测所有产生的脉冲的耦合电容都被安装在底座上。

为了确保发生器的安全操作，系统提供了两个放电开关及两个短路接地机构。

一旦发生器发生异常，两个放电开关会在第一个充电电阻后自动接地，结果所有的冲击电容都将通过最下一级的两个电阻放电。

由电机驱动的接地绳可使所有的冲击电容短路接地。

2.4冲击发生器的接线方式
一般来说，冲击发生器主要有以下四种联线方式：
㈠串联联线
冲击发生器的所有n级在点火瞬间均被串联起来，在这种联线方式中，可以得到最大的输出电压。

电路联线如下所示。

㈡．减少级数的串联联线
冲击发生器的(n-x)级在点火瞬间被串联起来，x级被短接了。

这种联线方式可在串联联线和最少的并联联线间变化。

这种情况下，发生器的输出能量按比例x:n减小，输出电压可从使用的最高的一级上得到。

电路联线如下所示。

㈢．串并联联线
冲击发生器s 级以串联方式连接，p 级以并联方式连接，这种情况下，发生器
总的充电电压是级充电电压的s 倍。

电路联线如下所示。

㈣．多级并联联线
这种联线方式一般用在变压器和电抗器的冲击试验中，因为这种试验的波尾时间只由试品的阻抗决定。

在这种联线方式中，发生器可产生最大的输出能量。

2.5、冲击电压试验系统的接线
冲击电压试验系统的接线包括设备及被试品的定位布置、高压引线的连接、地线的连接、控制及测量电缆的连接。

由于冲击电压试验系统包含了多个设备部件，所接试品的类型和试验要求也各不相同，因此合理的试验布局是顺利进行冲击电压试验的关键。

不适当的布局和接线将会造成设备损坏。

㈠、变压器类感性负载冲击电压试验的设备布局及接线说明：
原理图如下：
适用试品：变压器、电抗器、电压互感器
注：1、高压引线可使用裸铜线，连接时应注意保留足够的绝缘距离；
2、接地线最好使用宽铜箔，宽度150mm。

3、测量电缆使用规定阻抗的射频同轴电缆。

㈡、绝缘子类容性负载冲击电压试验的设备布局及接线说明：适用试品：绝缘子串、合成绝缘类产品、开关、电容器、电力电缆等
注：1、高压引线可使用裸铜线，连接时应注意保留足够的绝缘距离；
2、接地线最好使用宽铜箔，宽度150mm。

㈢、测量电缆使用规定阻抗的射频同轴电缆。

接线原理图如下：
㈣、绝缘子陡波冲击电压试验的设备布局及接线说明：
适用试品：陶瓷单片绝缘子、玻璃单片绝缘子、复合悬式绝缘子
注：1、高压引线最好使用宽铜箔，宽度150mm。

连接时应注意保留足够的绝缘距离；
2、接地线最好使用宽铜箔，宽度150mm。

3、测量电缆使用规定阻抗的射频同轴电缆。

接线原理图如下：
2.5.1、冲击电压试验原理
冲击电压是单次瞬态过程，因此冲击电压试验对电压幅值、电压波形及电压次数三个试验量有不同的要求。

1、电压幅值：
对于不同的试品和不同的试验要求，应该施加相应的冲击电压幅值。

通过控制冲击电压发生器的充电电压可以调节冲击电压的幅值，这是容易理解的。

需要注意的是，冲击电压幅值与
充电电压之间的对应关系为：
UP = UC * n * η
UP ：冲击电压幅值
UC：冲击电压发生器充电电压（每级）
n ：冲击电压发生器使用的级数
η：冲击电压发生器的效率
2、电压波形：
冲击电压试验常用到的波形有标准雷电冲击波形、波尾截断的标准雷电冲击波形、标准操作冲击波形、陡波波形及其他特殊要求的波形。

对于波形参数的定义可参考GB/T16927《高电压试验技术》的规定。

这里需要特别提出的是，冲击电压试验回路的输出波形与试品、试验设备的部件接入及周围接地体的距离都有密切关系，因此冲击试验的难点及大部分工作也就是调波工作。

能否获得满足标准要求的冲击波形是冲击试验的关键。

通常指的波形调节就是调节冲击波形的波头时间和波尾时间，对于截波试验还
要求调节截断时间，对于陡波试验则要求调节波形的陡度。

以电容负载为例说明调波的步骤：
初选调波电阻值：
要得到所需的冲击波形，需调节波头、波尾电阻，因影响因素很多，其阻值难于事前确定，可用下式初定选取：
式中：R1—波头电阻阻值Ω
R2 —波尾电阻值Ω
C1—本体冲击电容μF
C2 —负荷电容μF，包括试品入口电容，冲击分压器电容、各寄生电容
t1—冲击波头时间μs
t2 —冲击波尾时间μs
调节冲击波形、确定效率：
接入初选的调波电阻、被试品、冲击分压器，用发生器产生约0.6倍试验电压值的冲击电压，调节电阻使冲击波形达到要求。

用示波器拍摄波形，求得效率，确定正式试验时的充电电压值。

实际上，对于不同的被试品，特别是小电感负载，发生器的调波非常复杂，可能需要改变发生器本体的连接方式，采用多级并联再串联等连线方式。

因此需要在实际使用中积累经验。

3、电压次数：
在确定了电压幅值和电压波形后，剩下的工作就是要根据需要确定施加电压的次数。

应该注意的是，冲击电压波形有正负极性，应该明确各极性下的加压次数。

还应该考虑每次施加电压的间隔时间。

三冲击电压发生器设计计算举例
任务：为某地区试验所设计一台冲击电压发生器，试品电压等级为220KV，不考虑电力变压器试验。

3.1额定电压的选择：
220kV产品的雷电冲击试验电压如表所示（按GB311.1-1997）
220kV产品的雷电冲击耐受电压
额定雷电冲击（内外绝缘）耐受电压（峰值）
/kV
截断雷电冲击耐受电压（峰值）/kV
变压器，并联电抗器，互感器高压电力
电缆
高压电器
母线支柱绝缘
子，穿墙套管
变压器类设备的
内绝缘
850 850 850 935 950
950 950/1050 950 950 1050 。

220kV产品的雷电冲击耐受电压（按GB311.1-1997）
额定雷电冲击（内外绝缘）耐受电压（峰值）
/kV
截断雷电冲击耐受电压（峰值）/kV
变压器，并联电抗器，互感器高压电力
电缆
高压电器
母线支柱绝缘
子，穿墙套管
变压器类设备的
内绝缘
850 850 850 935 950
950 950/1050 950 950 1050 上表所示的都是耐受电压。

击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数1.3;长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数1.1；假定冲击电压发生器的效率为85%，故冲击电压发生器的标称电压应不低于
U1=1050×1.3 ×1.1 /0.85kV=1766.5kV
3.2冲击电容的选择：
如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验和互感器试验，就绝缘子的电容按100pF冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容如估计为500pF ,电容分压器的电
容估计为600pF，则总的负荷电容为
C2=100+500+600=1200pF
如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为
C1=10C2=12000pF
3.3电容量的选择：
从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY220-0.1磁壳高压脉冲电容器比较合适，电容器规格如下表
型号工作电压试验电压电容外型尺寸重量外壳
MY220-0.1 220kV 264kV 0.1 μF φ635×ι845 361 磁壳
用此电容器4级串联，标称电压可达到1760 kV，基本上满足前述需要。

每级由两个电容器串联，使冲击电容
C1=0.1/8=0.0125μF
此值＞10C2 可使（电压）效率不致很低。

3.4 回路选择：选用高效率双边对称充电回路
发生器的充电回路
发生器的放电回路
3.5冲击电压发生器主要参数：
标称电压U1 =220×8=1760 kV
冲击电容C1 =0.0125μF
标称能量W n= C1 U12/2=0.0125μF×（1760 kV）2/2=19.36kJ
四冲击电压发生器在高电压试验中的应用
4.1绝缘材料的雷电过电压耐受性能试验
通过人工模拟雷电流波形和峰值以检验电工设备绝缘耐受雷电冲击电压的能力。

根据雷闪放电的实测结果，认为雷电波波形是波头长几微秒、波尾长几十微秒的单极性双指数曲线。

大多数雷为负极性。

世界各国的国家标准都把标准雷电冲击波标定为：视在波头时间T1=1.2μs，又称波头时间；视在半波峰值时间T2＝50μs，又称波尾时间（见下图）。

实际试验装置产生的电压峰值和波形与标准波之间的容许偏差为：峰值，±3％;波头时间，±30％；半波峰值时间，±20％；通常把标准雷电波形表示成1.2/50μs。

雷电冲击试验电压由冲击电压发生器产生。

冲击电压发生器的多个电容器由并联转串联是通过许多点火球隙实现的，即控制点火球隙使它放电时把多个电容器串联起来。

受试设备上的电压上升速度和经过峰值后电压下降的快慢，可以通过电容电路中的电阻值调节。

影响波头的电阻称为波头电阻，影响波尾的电阻称为波尾电阻。

试验时，通过改变波头电阻和波尾电阻的阻值，获得标准冲击电压波的预定波头时间和半波峰值时间。

改变整流电源输出电压的极性和幅值，就可以获得所需要的冲击电压波的极性和峰值。

由此可以实现从几十万伏到几百万伏，甚至千万伏的冲击电压发生器。

中国自己设计安装的冲击电压发生器的最高电压为6000kV。

雷电冲击电压试验内容包括4项。

① 击耐电压试验：通常用于非自恢复绝缘，如变压器、电抗器等的绝缘，目的是检验这
些设备能否耐受绝缘等级所规定的电压。

②50％冲击闪络试验：通常以自恢复绝缘如绝缘子、空气间隙等为对象,目的是要确定闪络概率为50％的电压值U。

有了这个电压值与闪络值间的标准偏差,还可确定其他闪络概率,如5％的闪络电压值, 一般把U作为耐受电压。

③击穿试验：目的是确定绝缘的实际强度。

主要在电工设备制造厂进行。

④电压时间曲线试验（伏秒曲线试验）：电压时间曲线是表示施加电压到绝缘破坏（或瓷绝缘闪络）与时间之间的关系。

伏秒曲线(V-t曲线) 可为考虑变压器等被保护设备与避雷器等保护设备间的绝缘配合提供依据。

4.2绝缘材料的操作过电压耐受性能试验
操作冲击过电压试验通过人工模拟电力系统操作冲击过电压波形，检验电工设备绝缘耐受操作冲击电压的能力。

电力系统中存在的操作过电压的波形和峰值类型很多，与线路参数和系统状态有关。

一般情况下是个衰减振荡波，频率从几十赫到几千赫，其幅值与系统电压有关，通常以相电压的若干倍来表示，最高可达最大相电压的3～4倍。

操作冲击波比雷电冲击波作用时间长，对电力系统绝缘的影响也有所不同。

220kV及以下的电力系统，可近似地用短时工频耐压试验来等效地检验设备绝缘在操作过电压下的情况。

330kV及以上的超高压、特高压系统和设备，操作过电压对绝缘的影响更大，不能再用短时工频电压试验来近似代替操作冲击电压试验。

从试验数据看出，对2m以上的空气间隙，操作放电电压的非线性显著,即间隙距离加大时耐受电压增加缓慢,甚至还低于短时工频放电电压。

所以必须模拟操作冲击电压对绝缘进行试验。

操作冲击过电压试验的内容包括5项:①操作冲击耐电压试验;②50％操作冲击闪络试验；③击穿试验;④电压时间曲线试验（伏-秒曲线试验）;⑤操作冲击电压波头曲线试验。

前4项试验与雷电冲击电压试验中的相应试验要求相同。

第5项试验是操作冲击放电特性所要求的，因为长空气间隙在操作冲击波作用下的放电电压会随冲击波头而改变。

在某一波头长度,如150μs 时，放电电压最低，此波头叫做临界波头。

临界波头长度随间隙长度的增长而稍有增长。

4.3 绝缘材料的陡波冲击电压试验
参考文献
[1] 林福昌.高电压工程.. 北京：中国电力出版社，2006
[2]李建明，朱康.高压电气设备试验方法（第二版）.北京：中国电力出版社，2009
[3]张仁豫.陈昌渔.王昌长.高电压技术.北京：清华大学出版社，2006
[4]李景禄.高压电气设备试验与状态诊断.北京：中国水利水电出版社，2008
[5] 刘振亚.特高压直流外绝缘技术.北京：中国电力出版社，2009.
[6]李光范等.7200kV/3600kJ冲击电压发生器的输出电压特性.北京：中国电机工程学报，2008.
[7]单文培等.电气设备试验及故障处理实例.中国水利水电出版社，2006.。