多级冲击电压发生器的设计
多级冲击电压发生器的设计
高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院指导老师：戴玲2010年3月1日一、设计任务：设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压波形（即50us），电压等级为330kv- 800kv, 级数为3 级以上。
二、额定电压的选择：为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压等级的关系（见下表）1．试品电压等级的确定：表 1. 冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间的关系试品额定电压 /35110220330500kV冲击电压发生器标～～～～～称电压 / MV根据设计要求的输出电压为 300-800kV，根据上表，可以假定试品的电压等级为66kv。
2.额定电压的确定：根据 66kV 设备雷电冲击耐受电压 ( 峰值 ) 表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为385kV，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；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数取；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额定电压应不低于：由此确定冲击电压发生器的为 660kv。
三、冲击电容的选择：将试品电容估算为900pF，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估算为500pF，电容分压器的电容估算为 600pF，则总的负荷电容：C2≈900+500+600=2000（pF）按冲击电容为负荷电容的 10 倍估算，则冲击电容 10000pF=5C2<C1<10C2=20000（pF）从国产脉冲电容器的产品规格中找到型高压脉冲电容器比较合适，具体参数和规格如下表：表二：型号额定电压 kv标称电容uF外形尺寸mm重量kg110kvΦ635×495瓷壳235 选用此种型号电容器时，可以将所要设计的冲击电压发生器做成110kv 一级，共6 级（其中每级电容用两个电容串联组成，这样即可同时满足此冲击电压发生器额定电压和冲击电容的要求）。
多级冲击发生器的原理
多级冲击发生器的原理
多级冲击发生器是一种用于产生高压冲击波的装置，常被用于科学研究、材料试验等领域。
其原理基于以下几个关键要素：
1. 高压气体储存器：多级冲击发生器通常使用一个大容量的高压气体储存器，如气瓶或气体压缩机。
这个储存器中储存着高压气体，为产生冲击波提供压力源。
2. 阻抗转换器：冲击发生器中的阻抗转换器用于将储存器中的高压气体释放到试验样品上。
它通常由一个可控的阀门组成，能够在短时间内突然打开以释放气体。
3. 冲击波传播介质：在实际应用中，冲击波需要通过一个介质传播到试验样品中。
这个介质可以是气体、液体或固体，具体取决于实际需求。
4. 多级设计：多级冲击发生器通常采用多个阶段来产生更高的冲击波压力。
每个阶段都有自己的储存器和阻抗转换器，通过连续触发各个阶段，可以实现脉冲波形和更高的能量输出。
冲击发生器的运作过程如下：
1. 首先，将气体储存器充满高压气体。
这可以通过将气体压缩到储存器中或连接气瓶来实现。
2. 当需要产生冲击波时，控制阀门打开，释放储存器中的高压气体。
阀门的开启时间非常短暂，以确保冲击波的产生。
3. 高压气体通过阻抗转换器进入冲击波传播介质中。
转换器可能通过各种方式将气体释放到介质中，例如冲击杆、冲击座等。
4. 气体在传播介质中迅速膨胀，形成冲击波。
冲击波以超音速传播，并在与试验样品相交时产生冲击效应。
通过以上原理和设计，多级冲击发生器能够产生高压、高温和高速的冲击波，被广泛应用于材料强度测试、爆炸动力学研究、冲击物理学等领域。
冲击电压发生器的设计
冲击电压发生器的设计一、工作原理冲击电压发生器通常都采用Marx 回路，如图1所示。
图中C 为级电容,它们由充电电阻R 并联起来,通过整流回路T-D-r 充电到V 。
此时,因保护电阻r 一般比R 约大10倍,它不仅保护了整流设备,而且还能保证各级电容充电比较均匀。
在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动；其他各级中g 为中间球隙,它们调整在g0起动后逐个动作。
这些球隙在回路中起控制开关的作用,当它们都动作后,所有级电容C 就通过各级的波头电阻Rf 串联起来,并向负荷电容C0充电。
此时,串联后的总电容为C/n ，总电压为nV 。
n 为发生器回路的级数。
由于C0较小，很快就充满电,随后它将与级电容C 一起通过各级的波尾电阻Rt 放电。
这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压的短暂脉冲波形的冲击电压。
在此短暂的期间内,因充电电阻R 远大于Rf 和Rt, 因而它们起着各级之间隔离电阻的作用。
冲击电压发生器利用多级电容器并联充电、串联放电来产生所需的电压，其波形可由改变Rf 和Rt 的阻值进行调整, 幅值由充电电压V 来调节，极性可通过倒换硅堆D 两极来改变。
图 1 冲击电压发生器回路（Marx回路）二、Simulink 设计1、各参数的选取额定电压的选取：取试品电压为110 kV ，由附录表A10和A3可得，耐受电压为550 kV ，型号MY 110-0.2的标称电容为0.2μF ，故冲击电压发生器的标称电压应不低于U1=550*1.3*1.1/0.85=925.3 kV冲击电容的选取：如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，约1000pF ，冲击电容发生器的对地电容和高压引线及球隙等的电容估计为500pF ，电容分压器的电容估计为600pF ，则总的负荷电容为：C2=1000+500+600=2100pF电容器选择：从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY 110—0.2瓷壳高压脉冲电容器比较合适，其电容值为0.2μF ，用此种电容器8级串联，标称电压可达880kV ，基本可以满足前述要求。
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。
马克思发生器(Marx发生器、多级冲击电压发生器)的原理简介与制作教程
在第1级中g0为点火间隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间间隙，它们调整在g0起动后逐个动作。
这些间隙在回路中起控制开关的作用，当它们都动作后，所有级电容C 就通过各级的波头电阻Rf串联起来，并向负荷电容C0充电。
此时，串联后的总电容为C/n，总电压为nV。n为发生器回路的级数。平龙认工作室·天狼晓月
通常情况下，Marx发生器的输出电压取决于电源电压（高压电源的电压）、点火间隙的极间距离、级数（即电容个数）。
制作Marx发生器的元件选择
天狼晓月自注：由于本文是天狼晓月誊写的文章，以下选材的说明为客观说明，但所选择的元件为平龙认工作室有售的最合适元件，并不是说您必须选择我们工作室的元件，您也可以按照元件的要求，在本地市场就近购买或在网络上选择您认为更合适的元件。
马克思发生器（Marx发生器、多级冲击电压发生器）的原理简介与制作教程
天狼晓月
平龙认工作室
2011年7月2日 1.0版（点击察看是否有更新）
欢迎转载，转载请注明作者和出处，且勿修改文章内容。
本文章部分原理资料参考中国电力出版社出版的《高电压技术》（第二版）。
平龙认工作室淘宝站地址：/
需要注意的一点是，不要把大红袍电阻（即表面涂红色油漆的电阻）作为高压电阻来使用，大红袍电阻为计划经济时代不惜工本的精品之作，请注意此类电阻的颜色并不是鲜红的而是很黯淡的红色，这并不是长期存放造成的，而是大红袍电阻的工艺所决定的，此类电阻生产出来后要在指定温度的烘箱内老化烘烤数天待参数稳定后方可出厂，红色的黯淡即此老化工艺所致。大红袍是国内早期的产品，90年代之后即已经不再生产（因新的国标已经制定）。而现在有不少厂家为了傍上大红袍的口碑，做出来的电阻刷上红油漆然后就卖很高的价格，这样的电阻仅仅是红色好看而已，并没有大红袍所具备的特性和优点。大红袍电阻中有高压电阻，这类高压电阻电阻体上标有耐压数值，例如3KV/5KV/8KV等字样。电阻体上未标明耐压的大红袍，只是普通大红袍电阻，并非高压电阻。另外一定要注意有新产品傍大红袍这个名字制作徒有其表的电阻，这类新产品建议不要选用。
高电压课设设计冲击电压发生器
目录课程设计要求.。
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.3设计原理.......。
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.4冲击电压发生器本体输出波形与高效回路输出电压与级数充电放电回路冲击电容器充电电阻保护电阻球间隙放电回路数学分析充电回路数学分析点火装置整流充电电源系统原理整流回路变压器容量高压硅整流器冲击电压测量系统原理冲击分压器与引线高压臂低压臂同轴电缆的接入及对分压比的影响电缆损耗的影响与末端的匹配衰减波阻的变化对分压比和匹配的影响高压引线的影响示波器抗干扰措施参数计算.。
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.11参考资料....。
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(15)一、课程设计要求：画出冲击电压发生器的总体结构布置图 (含接地系统设计），各主要部件或器件的型号、参数，绝缘距离与净空（空间布置），各参数之间的匹配关系,波形测量系统等。
对冲击电压发生器设计的要求为：（1）高效回路（2）最大输出电压 300～800kV（3）级数 3级以上（4）电阻(含线径和材料)（5）球隙大小和距离（6）输出波形 1。
2/50波形（7）测量装置（充电、放电)（8）测量装置抗干扰措施（9）充电电源（各器件参数)（10）本体、分压器、电源、测量系统（11）绝缘材料、绝缘距离选取（12）触发器（13）容性试品二、设计原理：一、冲击电压发生器本体冲击电压发生器是产生冲击电压和操作冲击电压的一种发生装置。
多级冲击电压发生器的设计
多级冲击电压发生器的设计设计多级冲击电压发生器的基本原理是将输入电压经过多级升压电路逐级升高。
每一级都会增加电压的幅值，最终得到所需的冲击电压。
1.电源选择：为了提供足够的电能，需要选择适当的电源。
通常使用交流电源输入，通过整流电路将交流电转换为直流电。
另外，还需要选择适当的容量的电容来存储能量。
2.多级升压电路：多级升压电路由多个电感和电容组成，每个级别的升压电路都是串联连接的。
每个级别包括一个电容和一个电感，电容存储电能，电感产生电磁感应。
当电容充电到一定电压时，电感将会释放能量，使电压进一步升高。
3.控制开关：为了控制能量的传输，需要使用控制开关对电感和电容进行开关操作。
一般可以使用晶体管或IGBT作为开关，通过控制开关的导通和断开可以控制电能的传输和存储。
4.驱动电路：为了实现开关的操作，需要设计适当的驱动电路。
驱动电路可以使用脉宽调制（PWM）控制来实现开关的周期性开启和关闭。
5.反馈电路：为了确保每个级别输出的电压能够稳定和准确地升压，需要设计反馈电路来监测并调节输出电压。
一般可以使用比较器和误差放大器来实现反馈控制。
在设计多级冲击电压发生器时，需要考虑以下几个要点：1.选择适当的电感和电容：根据所需的升压倍数和输出功率要求，选择合适的电感和电容。
电感的选取要考虑电流的承载能力和能量的转换效率，电容的选取要满足储能的容量要求。
2.控制开关的选取：选择能够承受高电压和高电流的开关器件，确保开关操作的可靠性。
3.驱动电路的设计：设计合适的驱动电路来控制开关的导通和断开，实现升压电路的控制。
4.反馈电路的设计：设计稳定的反馈电路来监测输出电压，通过调节控制开关的工作周期实现输出电压的稳定调节。
5.安全性考虑：在设计过程中要考虑安全因素，采取适当的过压保护、过流保护等措施，以确保使用过程中的安全性。
总结：设计多级冲击电压发生器需要综合考虑电源选择、升压电路设计、控制开关、驱动电路和反馈电路等方面。
华科——高电压测试研究生课程大作业(冲击电压发生器设计)
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名**考生学号****系、年级*************类别硕士考试科目高电压测试技术考试日期2012年12 月15 日目录一、设计要求................................................................................. - 1 -二、冲击电压发生器的设计 .......................................................... - 1 -2.1原理分析 (1)2.2、设计回路图 (3)2.3、参数计算 (4)2.3.1、负荷电容，冲击电容的选取以及效率的估算 ....................................- 4 -2.3.2、波头电阻，波尾电阻，充电电阻，保护电阻的选取 ........................- 6 -2.3.3、试验变压器的选择 ................................................................................- 7 -2.3.4、硅堆选择 ................................................................................................- 9 -2.3.5、球隙的选择 ......................................................................................... - 10 -2.3.6、绝缘支撑件的选择 ............................................................................. - 11 -2.3.7、固有电感的估算 ................................................................................. - 11 -三、仿真实验及结果 ................................................................... - 13 -3.1、不考虑杂散参数的仿真 ........................................................................ - 13 -3.2、考虑杂散参数的仿真 ............................................................................ - 14 -3.3、对参数进行改进 .................................................................................... - 17 -四、测量系统设计 ....................................................................... - 18 -4.1分压器选型、参数与结构设计，电缆以及匹配阻抗的选择 (18)4.2考虑高压引线的影响 (21)4.3测量仪器的选择 (21)五、冲击电压发生器以及测量系统的总体结构.......................... - 22 -六、设计小结............................................................................... - 22 -一、设计要求设计一个标称电压为1500KV的冲击电压发生器及其测量系统，并且满足以下要求：1.产生1.2/50us的标准雷电冲击波；2.冲击电压发生器中计算所用元器件的参数，进行结构设计及杂散参数分析；测量系统中的结构设计、参数、分压器选型选取；3.考虑杂散参数的仿真分析及参数改进；二、冲击电压发生器的设计2.1 原理分析电力系统中的电力设备除了要承受正常情况下的工作电压以外，还要考虑在雷电冲击波作用下的承受能力，以应对环境变化所带来的影响。
800kV冲击电压发生器设计
本课程设计的目的在于通过课程设计，掌握有关设计的基本步骤与规
1
范；掌握冲击电压发生器的工作原理、波形形成过程、波形参数描述与计
算方法等，巩固高电压的知识，增强感性认识。掌握冲击电压发生器的参
数设计、总体结构、器件选型和绝缘设计。
6. 适用学科和专业
电气工程及其自动化专业，本科三年级学生
7. 课设方式和条件（软件或硬件方面的内容和条
（6） 波头、波尾电阻设计（含阻值、线径和材料）
；
（7） 冲击电容参数设计与选型；
2
（8） 分析回路电感对冲击波形产生的影响：基于 Matlab/EMTP 等仿真
工具建立电路模型进行仿真；
（9） 冲击电压测量装置设计：分压比的确定，分析测量电缆长度和阻抗
匹配对冲击波形测量准确度的影响，抗干扰设计；
3. 学时与学分
2 周 / 2 学分。
4. 先修课程
电气工程基础、高电压与绝缘技术
5. 基本内容及教学目标
雷击是造成电力系统故障的重要原因，防雷保护是电力系统的一项重
要工作。在进行雷电放电机理研究和防雷保护措施研究中，常采用多级冲
击电压发生器产生雷电冲击电压。我国标准规定标准雷电冲击电压为
1.2/50μs 的双指数脉冲电压波形，波前时间为 1.2μs±30%，波尾时间为
1.1 基本回路与高效率回路 ......................................................... 4
1.2 高效率回路放电等效电路数学分析 ..................................... 6
1.3 充电回路（恒压） ................................................................. 8
冲击电压发生器的设计电气0705 杨军
电气学科大类《高电压》目录一·冲击电压发生器的功用及原理。
3 二·设计目标。
4 三·设计步骤。
4 四·设计总结。
13 五·参考资料。
14 六·附录。
15一·冲击电压发生器的功用及原理冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。
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，近年来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。
所以对冲击电压发生器的要求，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，还与波形陡度有关，对某些设备要采用截断波来进行试验。
冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定的波形。
它的原理图如下：实验变压器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向主电容器C1 —C4 充电，充电到U，出现在球隙g1—g4上的电位差也为U，若事先把球间隙距离调到稍大于U，球隙不会放电。
当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮只见产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为-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，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为+U，中间球隙g2上的电位差突然升到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”二.设计目标：输出波形为1.2/50μs标准波形，回路采用高效率回路，输出电压为300～800kV，发生器级数为4～8级。
三.设计过程：1．试品电压等级的确定表1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间关系要求的输出电压为300~800kV，根据上表，可以暂定试品的电压等级为66kV。
冲击电压发生器课程设计
冲击电压发生器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解冲击电压发生器的基本原理，掌握其组成部分及功能。
2. 学生能够描述冲击电压发生器在工作过程中的电压变化规律。
3. 学生能够解释冲击电压发生器在电力系统中的应用及其重要性。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析冲击电压发生器电路图，并进行简单故障排查。
2. 学生能够设计简单的冲击电压发生器实验方案，进行实验操作，并处理实验数据。
3. 学生能够通过团队合作，完成冲击电压发生器的组装与调试。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到冲击电压发生器在电力系统中的重要作用，增强对电力工程领域的兴趣。
2. 学生在团队合作中，培养沟通、协作和解决问题的能力，提高自信心。
3. 学生能够关注冲击电压发生器的安全使用，增强安全意识，养成严谨的科学态度。
课程性质：本课程为电力工程领域的一门实践性较强的课程，旨在让学生掌握冲击电压发生器的基本原理和实际应用。
学生特点：学生具备一定的电路基础知识，但对冲击电压发生器的了解较少，需要通过实践操作加深理解。
教学要求：教师应注重理论与实践相结合，引导学生通过实验、组装和调试等环节，提高学生的动手能力和实际问题解决能力。
同时，关注学生的情感态度价值观的培养，使学生在学习过程中形成良好的科学素养。
二、教学内容1. 冲击电压发生器原理- 电压发生器的基本概念- 冲击电压发生器的分类及工作原理- 冲击电压发生器在电力系统中的应用2. 冲击电压发生器电路分析- 电路图的识别与分析- 电压变化规律及其影响因素- 故障排查与解决方法3. 冲击电压发生器实验操作- 实验设备的使用与注意事项- 实验方案的设计与实施- 实验数据的处理与分析4. 冲击电压发生器组装与调试- 组装步骤及注意事项- 调试方法与技巧- 故障排除及优化5. 安全与规范- 冲击电压发生器使用中的安全防护措施- 操作规范及注意事项- 事故案例分析及预防教学内容安排与进度：第一周：冲击电压发生器原理学习第二周：冲击电压发生器电路分析第三周：冲击电压发生器实验操作第四周：冲击电压发生器组装与调试第五周：总结与评价，安全与规范教育本教学内容依据课程目标，注重理论与实践相结合，以课本为基础，拓展相关知识点，使学生全面掌握冲击电压发生器的相关知识。
李智威400KV冲击电压发生器设计
《高电压技术》课程设计冲击电压发生器的设计冲击电压发生器的设计非著名非著名准研究生准研究生准研究生李智威李智威李智威2010年盛大发布盛大发布大纲课程：高电压技术题目：冲击电压发生器设计内容简介：高压冲击电压的产生常采用多级冲击电压发生器实现。
冲击发生器的器件类型和杂散参数对电压波形均有影响。
本项设计的目的在于设计一套冲击电压发生器及其测量系统。
通过课程设计，掌握有关设计的基本步骤与规范；掌握冲击电压发生器的工作原理、波形形成过程、波形参数描述与计算方法等，巩固高电压的知识，增强感性认识。
掌握冲击电压发生器的参数设计、总体结构、器件选型和绝缘设计。
课设方式（软件或硬件方面的内容和条件）：对冲击电压发生器及其测量系统进行回路设计、波形仿真分析、器件选型和结构设计。
通过查阅高电压技术参考教材、产品手册和计算机仿真，获得比较符合工程实际的设计。
课程设计要求：画出冲击电压发生器的总体结构布置图 (含接地系统设计)，各主要部件或器件的型号、参数，绝缘距离与净空 (空间布置)，各参数之间的匹配关系，波形测量系统等。
对冲击电压发生器设计的要求为：（1） 高效回路（2） 最大输出电压300～800kV（3） 级数3级以上（4） 电阻（含线径和材料）（5） 球隙大小和距离（6） 输出波形 1.2/50波形（7） 测量装置（充电、放电）（8） 测量装置抗干扰措施（9） 充电电源（各器件参数）（10）本体、分压器、电源、测量系统（11）绝缘材料、绝缘距离选取（12）触发器（13）容性试品目录一、冲击电压发生器基本原理 (1)1.1、标准雷电冲击波波形 (1)1.2、冲击电压发生器基本原理 (2)1.3、多级冲击电压发生器 (2)二、冲击电压发生器基本设计 (3)2.1、设计目标 (3)2.2、冲击电压发生器组成 (4)三、各部分具体设计 (4)3.1、充电回路的选取 (4)3.2、主电容（冲击）、负荷电容计算 (5)3.3、电阻的计算 (5)3.4、变压器的选择 (7)3.5、高压硅堆的选择 (8)3.6、球隙直径的选择 (8)3.7、充电装置 (8)3.8、测量部分设计 (9)3.9、屏蔽罩，移动装置，绝缘支柱 (10)3.10、冲击电压发生器的控制系统 (11)3.11、matlab仿真 (12)四、设计总结 (13)五、参考资料 (14)冲击电压发生器的设计一、冲击电压发生器基本原理电力系统中的高压电气设备，除了承受长时期的工作电压外，在运行过程中，还可能会承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。
一种可连续运行多参数冲击电压电源的设计
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ３ ０ ｋ Ｖ ｔ ｏ １ ５ ０ ｋ Ｖ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｐ ．Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ
ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｉ ｅ ｒ ．Ａ ｔ ｈｒ ｅ ｅ —ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｏｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐａ ｒ ｋ ｇ ａ ｐ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｕｌ ｓ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ，
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模 型 在一 定 时 间 间隔 的连 续 冲击 电压 作 用 下 的 雷
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一
种可连续运行多参数冲击电压电源的设计
刘 平， 胥 玺， 杨德敏， 刘烈峰， 任 先文
（ 中 国工程 物理研 究 院 ，四川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘
要： 介 绍 了一种 可连 续 运行 多参 数 冲 击 电压 电源 。其 充 电电 源采 用智 能晶 闸管模 块 、 高频 串联
ｂｒ ｉｄ ｇ ｅ ｍｏ ｄ ｕｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｈｉ ｇ ｈ ｒｅ ｆ ｑｕ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎａ ｎｃ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｓ ｅ ｉａ ｒ ｌ ＬＣ．ａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｒｅ ｆ ｑ ｕｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｒ ａ ｎ ｄ ａ
冲击电压发生器仿真设计 (2)
冲击电压发生器的设计杨垄2010302540039一、工作原理冲击电压发生器通常都采用Marx回路，如图1所示。
图中C为级电容,它们由充电电阻R 并联起来,通过整流回路T-D-r充电到V。
此时,因保护电阻r 一般比R 约大10倍,它不仅保护了整流设备,而且还能保证各级电容充电比较均匀。
在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间球隙,它们调整在g0起动后逐个动作。
这些球隙在回路中起控制开关的作用,当它们都动作后,所有级电容C 就通过各级的波头电阻Rf串联起来,并向负荷电容C0充电。
此时,串联后的总电容为C/n，总电压为nV。
n为发生器回路的级数。
由于C0较小，很快就充满电,随后它将与级电容C一起通过各级的波尾电阻Rt放电。
这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压的短暂脉冲波形的冲击电压。
在此短暂的期间内,因充电电阻R 远大于Rf和Rt,因而它们起着各级之间隔离电阻的作用。
冲击电压发生器利用多级电容器并联充电、串联放电来产生所需的电压，其波形可由改变Rf和Rt的阻值进行调整, 幅值由充电电压V 来调节，极性可通过倒换硅堆D两极来改变。
图1 冲击电压发生器回路（Marx回路）二、Simulink设计1、冲击电压发生器主要参数标称电压：U1=100*8=800 kV冲击电容：C1=0.025 μF负荷总电容：C2=0.0021μF2、等效电路图如下图2 简化等效图图3 C2电压波形图图3是C2的电压波形图三、程序设计1、Rd=15; Rf=184.14; Rt=2035; C1=2.5e-2; C2=2.1e-3; U1=800000;A=1/(C2*C1*(Rd*Rf+Rd*Rt+Rf*Rt)) ; A1=A*(C1*(Rd+Rt)+C2*(Rf+Rt)); A2=A; B=A*Rt*C1; num=[B*U1]; den=[1 A1 A2]; U2=tf(num,den); impulse(num,den);2、图形如下图表 4 C2电压波形图四、冲击电压发生器的效率根据公式，η=C1/(C1+C2)=0.025/0.0271=0.923 此值比原估计的效率高，所以所选电容是合适的。
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多级冲击电压发生器的设计Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院指导老师：戴玲2010年3月1日一、设计任务：设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压波形（即50u s），电压等级为330k v-800k v,级数为3级以上。
二、额定电压的选择：为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压等级的关系（见下表）1．试品电压等级的确定：表1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间的关系根据设计要求的输出电压为300-800kV，根据上表，可以假定试品的电压等级为66kv。
2.额定电压的确定：根据66kV设备雷电冲击耐受电压(峰值)表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为385kV，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；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数取；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额定电压应不低于：由此确定冲击电压发生器的为660k v。
三、冲击电容的选择：将试品电容估算为900p F，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估算为500p F，电容分压器的电容估算为600p F，则总的负荷电容：C2≈900+500+600=2000（p F）按冲击电容为负荷电容的10倍估算，则冲击电容10000p F=5C2<C1<10C2=20000（p F）从国产脉冲电容器的产品规格中找到型高压脉冲电容器比较合适，具体参数和规格如下表：表二：型号额定电压kv标称电容uF外形尺寸mm重量kg110kvΦ635×495 瓷壳235选用此种型号电容器时，可以将所要设计的冲击电压发生器做成110k v一级，共6级（其中每级电容用两个电容串联组成，这样即可同时满足此冲击电压发生器额定电压和冲击电容的要求）。
用此种电容器可装成柱式结构，总高约为3m，高度适中。
四、回路选择：根据设计要求要选择高效回路，利用并联充电、串联放电的基本原理，得到合乎设计要求冲击试验电压。
回路图如下所示：五、冲击电压发生器的主要参数计算：额定电压： U 1=110×6=660k v冲击电容：C 1=C /5=2)×(1/6)×610=能量: 22n 11/20.1666660/2 3.63W C U kJ kJ ==⨯=六、波头电阻和波尾电阻的计算：试品电容约900pF ，负荷总电容为2000pF ，波前等效回路所以波前时间 12121.2 3.24/()ff T s R C C C C μ==⨯+ 求出207.6f R =Ω，每级/634.6f f r R ==Ω。
半峰值是等效回路故半峰值时间求出3866.6t R =Ω，每级/6644.4t t r R ==Ω七、冲击电压发生器的效率计算：由公式 ()112C 20000pF 91%C C 200002000pF η==≈++若考虑波形系数为，则0.910.94586%η=⨯=，可见该冲击电压发生器具有较高的效率，即所选参数是合适的。
八、充电电阻和保护电阻的选择：要求()(10~20)f t C R r Cr +≥ ，得：取R ＝15k Ω。
每个充电电阻值15k Ω,结构长度应能耐受110kv 的电压（此处充电电阻的阻值过大或者过小都是不恰当的。
过大会延长充电时间，增加各级电容器的充电的不均匀性；过小则过小则各级球隙动作不可靠，冲击电压波长时间减小，放电回路利用系数降低）。
在此基础上取保护电阻r 充电电阻R 的40倍，则保护电阻r 为600k Ω，结构长度应能耐受×55kv=的高压（保护电阻不仅可以起到保护整流装置的作用，还可以起到均压作用）。
九、充电时间的估算：因为采用了倍压充电回路，由式但考虑到电容C 的另一侧为t r 及fr ，它们远小于充电电阻R 。
此外还应考虑倍压回路第一个回路中的保护电阻r 的作用。
充电至倍电压时，设0r r =，则计算得11.2T s ≈充。
实际上还存在充电回路中0C 的影响，它可使充电时间增加一些，可估计T 充为15s 。
十、变压器选择：考虑倍压充电回路所需的容量，加大安全系数到。
变压器容量 3.02/ 3.02 3.63/15 1.452n W T kVA kVA =⨯⨯=⨯⨯=充变压器电压＝1.155/42.78kV kV ⨯=所以，可选择国产试验变压器，型号为YD—3/50，其参数如下表。
表—3/50试验变压器的参数十一、高压硅堆选择：为了缩短充电时间，充电变压器应该提高10％的电压，因此硅堆的反峰电压＝55kV×＋55kV＝。
硅堆的额定电流以平均电流计算，实际充电电流是脉动的，充电之初平均电流较大，选择硅堆用的平均电流难以计算。
现只有根据充电变压器输出的电流（有效值）来选择硅堆额定电流。
电流的有效值是大于平均值的。
因此选用硅堆应满足：1.反峰电压>2.额定整流电流>在此种条件要求下可以选用型号为2D L 150/的高压硅堆。
（参数见下表）表4.号 型号 反峰电压kv 反向电流uA +25 正向压降 平均整流电流 外形尺寸mm 40度100 长 宽 高 1 2D L 150/150 <=10 <=120 50 20 400 30 22 十二、球隙直径的选择：由资料可知，Φ10cm 球隙在间隙距离为时的放电电压为115kv ，因此选择Φ10cm 铜球五对作为后五级的放电球隙，而第一级球隙采用相同放电电压等级的三电极球隙代替。
十三、波头电阻和波尾电阻丝材料的选择计算：已知34.6f r =Ω，644.4t r =Ω，一级电容器储能为：2632/20.50.110(11010)0.605CU kJ kJ -=⨯⨯⨯⨯=。
假定试品不放电时能量全部消耗在tr 中，试品短路放电时能量的+，即消耗在fr 中。
如采用双股相反绕的无感电阻结构，则波前电阻的每股阻值为2×Ω即Ω。
每股电阻丝消耗的能量为2kJ 即。
同样情况，波尾电阻每股阻丝的阻值为2×=Ω，每股电阻丝消耗的能量为2kJ 即。
冲击放电的过程很快，电阻丝消耗的能量可按绝热过程考虑，所消耗的能量全部转变为电阻丝温度的升高。
如所采用的电阻丝为康铜丝，康铜丝的密度ν为38.9/g cm ，电阻率ρ为20.48/cm m Ω⋅，比热容m C 为0.417/()J g C ⋅︒，电阻允许最高温升θ为150℃。
令电阻丝长度为l/m ，直径为d/mm ，则可得204()R l d ρπ= (1)而消耗的能量2/4m W l d C νπθ=⨯⨯ (2)将式（1）和式（2）消去l ，得电阻丝的直径为[]1/40(2//()m d W R C ρνθ= (3)首先令02234.669.2f R r ==⨯=Ω，287W J =，最后，由式（3）得实际选Φ的电阻丝两根，并按相反方向并绕。
由式（1）得其中一根阻丝的长度为实际温升可由式（2）得再次令022644.41288.8 tR r==⨯=Ω，302.5W J=代入式（3）得电阻丝的直径为实际选Φ电阻丝按相反方向并绕。
可算得一根电阻丝的长度实际温升用所选康铜丝两根,并联反绕到绝缘管上即可做成波头电阻和波尾电阻。
要求匝间距离尽可能小。
电阻棒的长度应使两端间能耐受110kV的电压。
十四、测量环节冲击分压器系统的设计：因为所设计的多级冲击电压发生器输出电压较高，同时为得到较高的降压比例和好的瞬变响应特性，可以采用两级分压系统；同时为减小寄生参数的影响，此处构成电阻分压器的电阻丝要采用无感电阻，主要由锰铜、康铜和镍镉等金属用无感绕法在绝缘板或者绝缘筒上绕制而成。
得到精确地测量结果，还要配合性能良好的低压测试回路。
由于冲击电压持续时间短，波形变化快，在测量回路中要考虑行波的折反射过程。
为防止波在电缆上来回反射，需加装匹配电阻（见下图）。
1.一次分压器的设计：采用电容分压器分压，使用如图3示测量回路。
同轴电缆输出端电压设为2kV，然后经电阻分压器二次分压，把信号电压输入示波器。
考虑二次分压用的电阻分压器阻值很大，其阻抗效应可忽略。
高压臂电容选国产MY500—脉冲电容器（可承受电压最高）较合适，其参数如表5。
表5. MY500—脉冲电容器的规格用此种电容器三个并联，使高压臂由于设同轴电缆输出端电压幅值为2kV ，故分压比K=660/2=330。
求出20.06104C F μ=。
用MY80—脉冲电容器组成低压臂，其参数如表6。
表6. MY80—脉冲电容器的规格用此种电容器两级串联，使分压器额定电压可达（500＋80×2）kV ＝660kV ，可用于测量冲击电压。
每级由4个电容器并联，使低压臂电容故分压器的实际分压比为即同轴电缆输出端电压21/(660/335.3) 1.968U U K kV kV===2.二次电阻分压器（为简单的双电阻串联分压系统，如下图所示）：普通双电阻分压器高压臂取110000R=Ω，低压臂2100R=Ω，则分压比最终输入示波器的电压幅值为（1968/101）V＝.另需注意的是，测量时，为防止干扰，低压回路和测量仪器必须进行良好的屏蔽，同时，测量仪器的电源要通过滤波器以及带静电屏蔽的隔离变压器供给。
另外传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接。
设计小结冲击电压发生器的设计可分为两个部分，第一是冲击电压发生器本身的设计，包括冲击电容的选定，波前电阻和波尾电阻的计算，充电电阻和保护电阻的选定，波前电阻和波尾电阻阻丝选择，高压试验变压器选择，高压硅堆的选择，球隙直径的选择等。
第二是冲击电压测量回路的设计，在本设计中冲击分压器采用两级结构，包括一次分压器的选择和二次分压器的选择。
在设计过程中做了较多的近似，因此不可避免地会带来设计误差，原因有以下几方面：一方面是忽略了各个环节寄生电感的影响；其次是冲击分压器的设计，两级分压结构虽然有较高的分压比和较好的响应特性，但也不可避免的引入了计算误差；另外是是元器件的选取，因参考资料有限，对于一些元器件，特别是分压器中的电容、电阻和电缆，只能在很小的范围内选择，不可能做到完全匹配和恰当，实际设计时应该进行更多的参考。
在本次设计过程涉及到很多高电压工程方面的知识和标准，通过此次设计本人对冲击电压发生器的工作原理有了更为深刻的了解。
本次设计的顺利完成当然离不开老师的悉心指导和同学们的热情帮助。
冲击电压发生器设计说明书一、高效雷电冲击电压发生器由六级组成，额电压为660kv，输出标准雷电冲击电压波形。