冲击电压发生器ppt

35
110
220
330
500
0.4~0.6 0.8~1.5 1.5~2.7 2.4~3.6 2.7~4.2
750 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 输出几十万～几百万伏的电压； ② 电压具有一定波形。 由Marx发明的一种冲击电压发生器是一种非常实用、得
到广泛推广的冲击发生器。
z g2上的电位差实上升为2U， g2放电，点2电位为2U ； z 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。
2
2.1.3 放电的同步
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，满足此条件的，称球隙同步好， 否则同步不好。
2.3 冲击电压发生器的高效回路
双边充电回路在不增加级数，相同充电电压下，输出 电压增加一倍。对于充电用的试验变压器，正负半波在充 电时都发挥了作用。但所用的电容器台数增加一倍。
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。
3.1 基本分析
由电路理论： U2 (s) = U1d /(s2 + as + b)
其中：
b = 1/[C1C2 (Rd Rf + Rd Rt + R f Rt )] a = b /[C1(Rd + Rt ) + C2 (Rt + Rf )] d = RtC1b
3.1 基本分析
反变换得： 方程的根为：
4.1 几种充电回路介绍
4、双边充电回路
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。
4.1 几种充电回路介绍
5、双边充电高效回路
特点：变压器T为双套管，输出电压较高，效率较高。
4.1 几种充电回路介绍
6、多路充电回路
特点：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。
两表均接保护间隙，以防仪表 损坏时控制桌上出现高电压
4.1 几种充电回路介绍
2、 高效回路
特点：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）。
5
4.1 几种充电回路介绍
3、倍压充电的基本回路
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）。
操作冲击电压波形
1.3 冲击电压发生器标称电压与被试品额定电压关系
操作过电压波幅直接与系统电压有关，一般为额定电压的 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。
试品额定电压 （kV）
冲击发生器 标称电压 （MV）
1、基本回路
当点火脉冲使g1点燃后，Z点为0电位，Y点变为+U （0→+U），所以出现于g2上的自然过电压为2U，但是由 于x点的电位一方面受间隙g2的电容C2的影响，另一方面受 充电电阻R的影响， g2上的电压不能达到2U。
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截断波绝缘性能。 其它作用：
用于纳秒脉冲功率 用于大功率电子束和离子束、激光器的电源。
2.1 基本Marx冲击回路原理
r —硅堆保护电阻，r>>R，r=(10~20)R； R—充电电阻；C1~C4主电容； rd—阻尼电阻（阻尼波形振荡）几~几十Ω； g1:点火球隙，g2~g4中间球隙； g0隔离球隙；C’：对地杂散电容； Rf：波头电阻；Rt：波尾电阻；C0：被 试及测量设备的电容
2.1.1 并联充电
若稳态充电：Uc/Um=0.9，t充=2.3RC；整流充电：t充=15RC。
所以最终的充电时间为 t充 ≈ 15(r + nR)nC
当r≥10R，且级数不多时，一般取t充≈15rnC
r ≥ Um I sm
Ism：硅堆短时间内允许通过的最大电流值； Um：整流电压最大值。
4.3 充电变压器的要求
变压器容量：
T2 ≈ (Rd + R f )C1C2 /(C1 + C2 ) Tf = 3.24(Rd + Rf )C1C2 /(C1 + C2 )
3.2 简化回路的近似分析（波尾时间计算、回路效率）
U 2m / 2 ≈ U 2m exp(s1Tt )
令S1=-1/T1,则
Tt = T1 ln 2 = 0.693T1 T1 ≈ (Rd + Rt )(C1 + C2 ) Tt ≈ 0.693(Rd + Rt )(C1 + C2 ) 回路效率 η ≈ [C1 /(C1 + C2 )][Rt /(Rt + Rd )]
3.2 简化回路的近似分析（波头时间计算）
0.3U 2m = U 2m[1− exp(s2t1)] 0.9U 2m = U 2m[1− exp(s2t2 )]
令S2=-1/T2,则
exp(s2t1) = 0.7 exp(s2t2 ) = 0.1
Tf = (t2 − t1) /(0.9 − 0.3) = T2 ln 7 / 0.6 = 3.24T2
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。
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，电阻都挪到一边
R1
=
nR ' l
, C1
=
nC l
离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 o [1 −
4 π
e−t /T1
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）：
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，半峰值时间，截断 时间，电压跌落持续时间，电压跌落陡度）：
全波波形
波峰附近振荡的全波
波尾截断雷电波形
波头截断雷电波形
1
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）：
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。
2.1.2 串联放电
z 当给点火球隙的针级送去一脉冲电压，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 ；
z 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
2.3 冲击电压发生器的高效回路
高效回路串联放电的等效回路
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，为高效率回
路（rf也同样阻尼了振荡）。
2.4 冲击电压发生器的技术指标
z 发生器的标称电压 每级主电容的标称（额定）充电电压值与级数的乘积，一
般为几百千至几千千伏。 z 发生器的标称能量
4.1 几种充电回路介绍
7、带旁接电阻的双边充电回路
4.1 几种充电回路介绍
8、带气动开关的操作冲击高效回路
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；但放电时，在隔离球隙末动作前， R’上承受很高的电 压。
6
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。
来自百度文库
峰值 波形系数
U 2 m = U 1ξ ( e s1Tm − e s 2Tm ) = U 1ξξ 0 ξ0
发生器放电电压效率 η = U 2m /U1 = ξξ0
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3.2 简化回路的近似分析
U 2 = U 1ξ ( e s1t − e s2t )
| s2 |>> | s1 |
U 2 ≈ U1ξ (1− es2t ) ≈ U 2m (1− es2t ) 0.3U 2m = U 2m[1 − exp( s2t1 )] 0.9U 2m = U 2m[1 − exp( s2t2 )]
]
T
= 4R'Cn2 π2
≈ 1 nR' ⋅ nC 2
4.2 充电时间分析
1、稳态直流时的多段R、C充电
考虑到前面接有保护电阻，冲击电压发生器多级充电回路 如图所示，在观察最后一台电容器充电时，可以近似看做下 图。
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，这与稳态直流充电情况完全不一样。
主电容在标称电压下的总存储能量。一般为几十千焦到几 百千焦。 z 发生器的效率
输电电压峰值与各级实际充电电压值的总和之比。
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
基本Marx回路和高效回路均有相同的等值回路，只是各 自的Rd、Rf、Rt取值不同而已，对高效回路Rd=0 。
U 2 = U1ξ (es1t − es2t )
s1, s2 = −(a / 2) ± [(a / 2)2 − b]1/2
ξ = d /(s1 − s2 ) = RtC1s1s2 /(s1 − s2 )
回路系数，大小与电路的回路有关
3.1 基本分析
由 du2 / dt = 0 得
峰值时刻
Tm = ln(s2 / s1) s1(1− s2 / s1)
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
1、基本充电回路
特点： ①放电时每个充电电阻上的电压
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）
μA 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
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学分析 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. 产生截断波的方法 8. 产生操作波的方法 9. 陡波前冲击电压的产生
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（约0 →幅值时间）为0.5～10μs。半峰时间（约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。
z 雷电冲击电压波全波 z 雷电冲击电压波截波 z 操作冲击电压波（持续时间长得多，形状复杂，且形状 和持续时间随线路的具体参数和长度不同而有异，目前国 际上趋向于用一种几百微秒波前和几千微秒波长的长脉冲 来代替）。
2.1.4 串联放电时的等效电路
原理可概述为：电容已并联充电，串 联放电，而串联放电的实现是靠一组 球隙来达到的。
2.1.5 输出波形
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： 9 提高充电电压，但受电容器额定电压的限制； 9 增加级数，但级数多了会给同步带来困难。
2.2 双边充电的冲击电压发生器
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
取临界值，得 ⎡
Rd + R f ≥ 2⎢L ⎣
⎜⎜⎝⎛
C1C 2 C1 + C2
⎟⎟⎠⎞
⎤ ⎥ ⎦
1
/
2
Tf = 2.327T2 ≈ 2.33T2 = 2.33(Rd + R f )C1C2 /(C1 + C2 )
p
≈
2.5nCU
2 c
(VA)
t充
上式为单边充电时的容量，即只利用了变压器的半个 周波 。
5 冲击电压发生器的同步
点火球隙
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5 冲击电压发生器的同步
同步的概念： 冲击电压发生器并联充电到U时，g1点燃后，g2、g3等由
于出现自然过电压而逐个击穿最后使隔离球隙击穿，这个过 程叫做同步。
5.1 冲击电压发生器影响同步的主要因素