4冲击电压发生器详解

2 冲击电压发生器的基本原理
2.4 冲击电压发生器的技术特征指标
发生器的标称电压
主电容额定电压与级数乘积，非最大输出电压；
发生器的标称能量
额定电压下的总存储能量；
发生器的效率
输出电压与各级充电电压总和之比。
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.1 基本分析
放电等效电路
拉普拉斯运算电路
特点：与单边的回路比，倍数不增加，充电时间不增长， 输出电压增加一倍，放电时，多数R上承受2U电压。
4 冲击电压发生器的充电回路
4.1 几种充电回路介绍
5、双边充电的高效率回路 (e) 变压器T为双套管，输出电压较高，效率较高。 6、多路充电回路 (f) 充电均匀性好（输出电压越高，级数越多，充电不均匀更突 出），但结构比较复杂。 7、带旁接电阻的双边充电回路 (g) 特点：由于R的存在，使得末端电容充电时间减小。充电更均 匀；但效电时，在隔离球隙末动作前，R上承受很高的电压。 8、带气动开关的操作冲击高效回路 (h)
试标称电压 （kV） 冲击发生器 额定电压 （MV）
35
110
220
330
500
750
0.4~0.6 0.8~1.5 1.5~2.7 2.4~3.6 2.7~4.2 3.6~6.0
2 冲击电压发生器的基本原理
冲击电压发生器的两个基本要求
① 输出高电压
几十万～几百万伏的电压； ② 电压具有一定波形。 可产生雷电或操作冲击电压 由Marx发明的冲击电压发生器是一种非常适用、 得到广泛推广的冲击发生器。
2 冲击电压发生器的基本原理
等效电路
原理可概述为：电容并联充电，串联 放电，而串联放电的实现是靠一组球 隙击穿来达到的。 Rf与波头时间有关，称波头电阻； Rt与波尾时间有关，称波尾电阻；
2 冲击电压发生器的基本原理
在球隙放电时，g1不放电其它球隙都不放 电，一旦g1放电，则其它球隙顺序逐个放电， 满足此条件，称球隙同步好，否则同步不好。 在串联放电时，输出电压波形大致如下
μ A 表串大电阻 RD 测充电电压 mA 表串于变压器地端测充电电流 两表均接保护间隙，以防仪表 损坏时控制桌上出现高电压
特点： ①放电时每个充电电阻止的电压不超过电容器上的充电电压， 结构简单； ②首、末电容器充电时间不一样； ③保护电阻r=10R。 ④只利用了T的半个周波（未充分利用T）
4 冲击电压发生器的充电回路
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.2 简化回路的近似分析（波尾时间计算、回路效率）
e
s2t
在半峰处几乎衰减为零。
U 2m / 2 U 2m exp(s1Tt )
Tt T1 ln 2 0.693 T1 T1 ( Rd Rt )(C1 C2 )
Tt 0.693( Rd Rt )(C1 C2 )
回路效率
[C1 /(C1 C2 )][Rt /( Rt Rd )]
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.3 考虑电感的简化回路分析
在前述分析中，波尾的简 化公式与实际相符，而波头与 实测波前值差异较大，是由于 回路电感所致。 为获得非振荡波
Rd R f 2 L C1C2 C C 2 1
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
1.2 冲击电压的波形
雷电冲击电压全波参数定义（波前时间、半峰值时间）
全波波形
波峰附近振荡的全波
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
1.2 冲击电压的波形
雷电冲击电压截波参数定义（波前时间、截断时间、电压跌落时间）
波尾截断雷电波形
波头截断雷电波形
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
0.3U 2m U 2m [1 exp(s2t1 )] 0.9U 2m U 2m [1 exp(s2t2 )] exp(s2t1 ) 0.7 exp(s2t2 ) 0.1
Tf (t2 t1 ) /(0.9 0.3) T2 ln 7 / 0.6 3.24T2 T2 (Rd R f )C1C2 /(C1 C2 ) Tf 3.24(Rd R f )C1C2 /(C1 C2 )
1.2 冲击电压的波形
操作冲击电压参数定义（波前时间，半峰值时间，90%峰值时间）
操作冲击电压波形
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
1.3冲击电压发生器额定电压与被试品标准电压关系
操作过电压波幅直接与系统有关，为标准电压的若干倍， 雷电过电压的波幅与系统电压无直接关系，但由于线路的绝缘水 平、地电阻、保护设备的性能等原因，可能出现的雷电波幅值随 系统电压的升高而上升。
2 冲击电压发生器的基本原理
2.1.1 并联充电
通过硅堆D，使C1～C4均充电到U；
g1～g4球隙上电位差也为U，g0上无电压；
调节g1～g4球隙距离，使其放电电压大于U；
这是一个稳定的并联充电状态。
2 冲击电压发生器的基本原理
2.1.2 串联放电
1. 当给点火球隙的针级送去脉冲电压，引起点火球隙放 电，于是C1的上极板经g1接地；点1电位由0变为-U ；
s1t
在峰值处几乎不变
U 2 U1 (1 es2t ) U 2m (1 es2t )
0.3U 2m U 2m [1 exp(s2t1 )] 0.9U 2m U 2m [1 exp(s2t2 )]
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.2 简化回路的近似分析（波头时间计算）
基本Marx回路及高效回路均有相同的等值回路， 只是各自的Rd、Rf、Rt取值不同，对高效回路Rd=0。
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.1 基本分析
由电路理论：
U 2 (s) U1d /(s as b)
2
b 1/[C1C2 ( Rd R f Rd Rt R f Rt )]
2 1/ 2
d /(s1 s2 ) Rt C1s1s2 /(s1 s2 )
回路系数ξ与电路的形式和参数有关。
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.1 基本分析
由 峰值时刻 峰值
du2 / dt 0
Tm ln( s2 / s1 )
得
s1 (1 s2 / s1 )
U2m U1 (e
4.1 几种充电回路介绍 2、 高效回路 (b)
rf+rt构成充电电阻 对雷电冲击波，rf+rt<<R，所以充电时间比基本回路短。 该回路效率高，但调波麻烦（所有rf、rt均改变）。
3、倍压充电的基本回路 (c)
特点：变压器输出电压为电容器C额定电压的一半。 硅堆耐压、电流均减小（实际中有使用）。
4、双边充电回路 (d)
4 冲击电压发生器的充电回路
4.1 几种充电回路介绍
任何回路放电时，当中间球隙动作后，主电容C是经过充电 电阻放电的，（C与R并联）；为使这种放电不影响主回路放电 效率，要求这种放电时间常数为10～20倍主回路放电时间常数。 对雷电冲击Tf 较短，一般R在104级时，就能满足要求；但操作 冲击，Tf 较长，为满足这种需求，势必R↑，充电时间很长， 充电很不均匀，效率很低。要求内部放电时间常数为外部放电 时间常数的10～20倍。 从上述几个回路分析看，充电时间是比较重要的，下面对 其进行简要分析。
2 冲击电压发生器的基本原理
2.1 基本Marx冲击回路原理
R：充电电阻； C1~C4主电容； g1:点火球隙； Rf：波头电阻；
r：硅堆保护电阻，r=(10~20)R； rd—阻尼电阻（阻尼波形振）几~几十Ω； g2~g4：中间球隙； g0：隔离球隙； Rt：波尾电阻；C0：被试及测量设备的电容
2 冲击电压发生器的基本原理
2.2 双边充电的冲击电压发生器
要提高冲击电压发生器的输出电压有两种途径： 1、提高充电电压，但受电容器额定电压的限制； 2、增加级数，但级数多了会给同步带来困难。
双边充电回路在不增加级数，在相同充电电压下， 输出电压增加一倍。
2 冲击电压发生器的基本原理
2.3 冲击电压发生器的高效回路
s1Tm
e
s2Tm
) U10
波形系数
0
发生器放电电压效率
U 2m / U1 0
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.1 基本分析（回路参数的查值计算）
exp[lns0 /(1 s0 )] exp[s0 ln s0 /(1 s0 )]
由
2 exp[( Tt / Tm ) ln s0 (1 s0 )]
2. C1、C2有电阻R隔离，R较大，在g1放电瞬间，点2点3 电位不可能突然改变，点3仍为+U 。 3. g2上的电位差实上升为2U，g2放电，点2电位为-2U 。
4. 同理，g3、g4也跟着放电；隔离球隙g0也放电，这时 输出电压为C1～C4上电压的总和，即-4U。 通过一组球隙逐次顺利完成串联放电过程。
第二篇 冲击电压的试验设备和测量
第4章 冲击电压发生器
主要内容
1. 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形 2. 冲击电压发生器的基本原理 3. 冲击电压发生器放电回路的数字分析 4. 冲击电压发生器的充电回路 5. 冲击电压发生器的同步
6. 冲击电压发生器的结构
7. 冲击电压发生器设计计算举例 8. 产生截断波的方法 9. 产生操作波的方法 10.陡波前冲击电压的产生
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
1.1 冲击电压发生器的功用
冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生 装置，用于研究电力设备遭受大气过电压和操作过电 压时的绝缘性能，同时，冲击电压的破坏作用不仅决 定于幅值，还与波形陡度有关，所以也用于研究某些 电力设备的陡截断波绝缘性能。
其它作用：
用于纳秒脉冲功率;
其中：
a b /[C1 ( Rd Rt ) C2 ( Rt R f )]
d Rt C1b
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.1 基本分析
反变换得： 方程的根为：
U 2 U1 (es1t es2t )
s1, s2 (a / 2) 来自百度文库[(a / 2) b]
Tm ln( s2 / s1 ) s1 (1 s2 / s1 )
s0 s2 / s1
的关系曲线
得
Tt / Tm
和
s2 / s1
通过Tt/Tm可求回路参数。
3 冲击电压发生器放电回路的数学分析
3.2 简化回路的近似分析
U 2 U1 (e e )
s1t s 2t
| s2 | 》 | s1 | e
4 冲击电压发生器的充电回路
4.2 充电时间分析
1、稳态直流时的多段R、C充电
把冲击发生器的充电回路看成均匀线分析
nR' nC R1 , C1 l l
离充电变压器最远一个电容器上的电压，即x=0时的U（t）
u (t ) | x 0 U [1
4

e
t / T
]
T
4 R 'Cn 2
只有一边有R，另一边由rf、rt兼作充电电阻，rf、 rt分散在各级内，无专门的rd，也无g0（隔离球隙）， 其充电原理与前述相同，串联放电后的回路不同。
2 冲击电压发生器的基本原理
2.3 冲击电压发生器的高效回路
没有了专门阻尼电 阻rd，C1上电压全部加到 rt上，（不象前述有分 压）所以输出电压较高， 称为高效率回路（同时 rf也同样阻尼了振荡）。
2
1 ' nR nC 2
4 冲击电压发生器的充电回路
4.2 充电时间分析 2、考虑整流充电时的情况
整流充电：随着电容器上电压的升高，硅堆每半周导通的时 间将越来越短，与稳态直流充电情况完全不一样。 若稳态充电：Uc/Um=0.9，t充=2.3RC；整流充电：t充=15RC。 普通充电回路的充电时间为
用于大功率电子束和离子束、激光器的电源。
1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形
1.2 冲击电压的波形
雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计 性。它的波前时间（0～幅值时间）为0.5～10μs。 半峰时间（0→幅值后又降到1/2幅值所需时间）约 20～90μs。 IEC研究表明累积频率为50%的波头和波 长分别为1.0～1.5μs和40～50μs。
1/ 2
，取临界值，得
Tf 2.327 T2 2.33T2 2.33(Rd R f )C1C2 /(C1 C2 )
临界阻尼波头时间：
Tf 4.66(LC)1/ 2
4 冲击电压发生器的充电回路
4.1 几种充电回路介绍
4 冲击电压发生器的充电回路
4.1 几种充电回路介绍
1 基本充电回路 (a)