冲击电压的产生

u2max
f
f
f
f
Tt=t2（2）
由式（1，2），波头和波尾时间决定于，
f
t
f
f t
t
f f
t
f t
高效回路：
t f
低效回路：
1 (C1 C2 )(Rt Rd )
C1 C2 ( R f Rd )C1C2
二、冲击电压波形的近似计算
根据雷电波的定义
令T1
1

T2
Rs
L
C
R0
双边高效
二、充电效率
充电回路特点：多段RC串接电路 充电电源为整流电压
R1x R1x
C1x
R1x
C1x
R1x
C1x
U0
C1x
l
x
u (t ) x 0
4 t T1 U 0 1 e
1 T1 nR nC 2
二、充电电压不均匀 RC电路，串接级数越多，越不均匀 硅堆整流
du2 u 2 R f C2 du1 du2 dt C1 i2 i3 C2 dt dt Rt
边界条件：t=0, u2=0, u1=U0
负载上电压为： 2 (t ) U 0 K1K 2 (et e t ) u
K1 1 C2 R f K2 1
电压达到峰值时：du2/dt=0，则： Tf=t1（1）
rd R f
2
L
C
C1C 2 C1 C 2
R
C’
R
R
2. 杂散电容 g-C-C’-C’-g放电回路振荡
L 基波不振荡条件： R C L 三次谐波不振荡条件： 3 R C
L总杂散电感 C总对地电容
二、求杂散电感和杂散电容
C
1. 短路法求杂散电感
C
f1 1 1 [2 ( LC / n) 2 ]
C
2. 开路法求杂散电容
C C’
f2
1 C (C 'Cd ) n 2 L C C 'Cd n
C
Cd
C
5-7 冲击电压发生器的结构 要求：
绝缘可靠，无闪络和击穿 机械强度可靠 高度、占地面积尽可能小 回路尽可能短，电感尽可能小 试验时灵活，方便调电压、波形
利用球隙自放电 球隙放电时， 放电发生在冲击电压的波峰或波前 对于： （1.2/50)s 改进： Tc1.2 s
冲击电压发生器产生非标准波形，Tf=3 s
利用棒间隙的自放电 棒隙放电时， 放电发生在冲击电压的波尾 对于： （1.2/50)s 缺点：放电分散性太大 Tc:2~5 s
可控球隙放电
第五章 冲击电压发生器
5-1 概述
一、用途
模拟产生雷电冲击和操作冲击
二、冲击电压波形
1. 实际波形 LI: 非周期性脉冲 波头: 0.5~10s 波尾： 20~90s SI: 形状复杂 持续时间：几百~几千s 2. 标准波形 保证试验结果的重复性和可比性
二、冲击电压的标准波形定义 1. 雷电全波
振荡频率>0.5MHz，过冲持续时间s 冲击电压的幅值取平均值
振荡频率<0.5MHz，过冲持续时间>s 冲击电压的幅值取最大值
5-2 冲击电压发生器的基本回路
一、发生器基本回路
C' D AT T g1 C1 g2 C2 g3 g4 C3 g5 C4 Rt Co r 2 R 4 C' R 6 C' R 8 C' Rf
rf
r1 r3
r2
等效电路
rt
nR
r1
nrf nrt nrf nrt nR
nrf nR nrf nrt nR
r2
nrt nR r3 nrf nrt nR
低效回路
r C
R
R
C R
R C
C R C
Rd
Rf
Rt
nR/3
C r
R
R
r1 nrd ,
决定于C1, C2向波尾电阻放电的时间常数
三、计算机仿真
PISPICE仿真
仿真波形
考虑杂散电容时的仿真
四、回路中存在电感时
U0
_
rd
Rt
L
Rf
+
C/4
C0
u2
L Rd R f 2 R-L-C回路不发生振荡时 C1C2 C1 C2 C1C2 T f 2.33T2 2.33( R f Rd ) C1 C2
T1 T2 C1 (r1 r3 ) C2 (r2 r3 ) T1 T2 C1C2 (r1r2 r1r3 r2 r3 )
一般充电电阻、主电容和负载电容给定
可计算rf, rt
冲击电压发生回路如图所示，C=0.05[F], Rs=370。 如要产生标准雷电冲击电压波形，如何选择回路参数， 并求出此时的回路效率。
t
1

T1
u2 (t ) U 2 max (e
波头时间计算
e
t
T2
)
标准雷电冲击电压： 波尾时间常数T1远大于波头时间Tf
当t T f ,
则：e
t
T1
1
t T2

u2 (t ) U 2 max (1 e
)
0.3U 2 max U 2 max (1 e t1 0.9U 2 max U 2 max (1 e t2
D T r R R R
单边高效
D
r
R
R
R
T
rR
R
R
R
双边低效
D
r r
R
R
R
r
R C
R
R
D T D R
R C C
C R C
C R C
双边高效
5-3 冲击电压发生器放电回路分析
一、数学分析
Rd
Rf
i2
i3
i1
U1
C1
C2
u2
回路方程：
du2 du1 u1 u2 R f C2 Rd C1 dt dt
D R C
充电时间 0.9U M )： ( t 15RC
t 2.3RC
UM
(整流)
(直流)
Uc/UM，
0.8
UC
充电电阻取为 10~20波尾电阻
0.4
0
10
t/RC 20
5-5 冲击电压发生器的同步
同步好：
触发球隙g1触发击穿后，后面球隙g2~gn逐个击穿
影响因素： 充电电压不均匀 充电电阻的影响 波头、波尾电阻
r2 R f
nR Rt r3 3 nR Rt 3
二、操作波回路参数计算 根据图解法求回路参数
t Tt u2 t U 2 max e 1 e T2
du2 dt
0 T f tm
t t m tt T2
0.5U 2 max U 2 maxe
Rt C1 回路效率： Rt Rd C1 C2
波尾时间计算
标准雷电冲击电压： 波尾时间Tt远大于波头时间常数T2
t
当t Tt ,
则：e
T2
0
T1

u2 (t ) U 2 maxe
t
1 U 2 max U 2 maxe Tt 2
T1
Tt 0.69T1 0.69( Rt Rd )(C1 C2 )
截断波的波长决定于： 延时装置当时延 触发点火装置的时延 球间隙的时延 分散性决定于： 主间隙的分散性
Uc 85% U 50%
冲 击 电 压 发 生 器
+
+U
去试品 +E
G
C r R
闸流管
d 40% D
时延电缆
多重球隙放电
r
r
5-9 操作波的产生
一、产生回路 与雷电波产生回路相同（高效回路）
rd
1 C' R
rd
3 C' R
rd
5 C' R
R
7 C'
AT—调压器；T —试验变压器； r —保护电阻； R —充 电电阻； C1 ～C4 —主电容； rd —阻尼电阻；C´—对 地杂散电容；g1 —点火球隙； g2 ～ g4—中间球隙； g0 —中间球隙；Rt — 波尾电阻；Rf —波头电阻； C0 —被试品及测量设备等的电容
二、工作原理 电容器并联充电，然后通过球隙串联放电
R的作用：C充电时连接电路 小 大
C
间隙放电能隔离电位
rd：阻尼放电回路中高频振荡 放电回路：
C
Rf
U0
_ +
rd
Rt
Rf C0
C/4
u2
C
Rt
C0
C
三、波形的形成
• 波头形成电路

U0
rd
C1
Rf
C0
• 波尾形成电路
rd
0
C1
Rt
四、发生器其他电路
C1C2 无电感时：T f 3.24( R f Rd ) C1 C2
有电感，波头时间降低
可增加电感来降低波头 么？
My answer : 非也！
T f 2.33( R f Rd ) C1C2 C1 C2
取临界阻尼条件下
C1C2 T f 4.66 L 4.66 LC2 C1 C2
结构 塔式结构
元件的选择
电容：无感的脉冲电容器 波头、波尾电阻：影响波形和效率 电阻丝无感绕法绕制而成 充电和保护电阻：镍铬丝绕制而成 放电球隙：方便调节球隙 d=0.5D，处于同一垂直面上 防止出现电晕
5-8 截断波的产生
一、产生原理
全波 冲 击 电 压 发 生 器 截 断 间 隙
截波
试 品
T2 T2
) )
t 2 t1 T2 ln 7
t1 f
t2 t
Tf
t1 t 2 3.24T2 0.9 0.3
波头时间决定于负载电容的充电时间常数T2
C1C2 低效回路：T f 3.24( R f Rd ) C1 C2 高效回路：T f 3.24R f C1C2 C1 C2
Tt tt
例：（250/2500)s
Tt p2 p2 10 50 ln 3.92 Tf p1 p1
p2 p1 p1 320 p2 T f (1 ) p1 ln p2 50 p1 16000
1 T1 p 1 T 1 2 p2
定义：
C
P
F
O’
Tf
Tt
表示：（Tf/Tt )s
IEC标准： （1.2/50)s
Tf: 1.2±30% s ,Tt : 50 ±20% s
2. 截断波
100 90 70
C
100 90
B
M
30
C
C
30
30 10 0
A
D
90 100
D
Tc
0
Tc
t
波前截断 Tc：2~5 s
波尾截断
3. 操作波
负荷电容值受回路电感的限制 特殊情况：负载电容很小，无调波电容时
五、负载为电感性负载时
要求：Tt min 40 µs (IEC) and dmax 50 %.
电感性负载上电压：
负载上的冲击波形
Rt
Rs

Lt
Lg
补偿回路限制过冲
5-4 冲击电压发生器的充电回路
一、主要充电回路
单边低效 单边高效 双边低效 改进回路
球隙
点火针 瓷管或玻璃
间隙放电的分散性
绝缘支撑
点火脉冲
600kV冲击电压发生器 由6级12台铁壳脉冲电 容器组成； 每级电压100kV，由2 台50kV脉冲电容器串 联组成； 照片中为6级铜球间隙 点火后，实现同步导通 的一瞬间。
5-6 冲击电压发生器波形的振荡
一、振荡原因 1. 固有电感
r R R
Βιβλιοθήκη BaiduTd
100 90 100 90
Td
50
50
0
t
Tf
0
t
Tf
Tt Tz
Tt
表示：（Tf/Tt )s
IEC标准： （250/2500)s
Tf: 250±20% s , Tt : 2500 ±60% s Td: 200 s ; Tz: 500 s
4. 非标准波形(振荡幅值或过冲<5%)