冲击电压发生器

1、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,冲击电压发生器的功用和冲击电压波形 冲击电压发生器的基本原理 冲击电压发生器放电回路的数字分析 冲击电压发生器的充电回路 冲击电压发生器的同步 冲击电压发生器的结构 冲击电压发生器设计计算举例 产生截断波的方法 产生操作波的方法 陡波前冲击电压的产生,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。,1 冲击电压发生器的功用和冲击电压波形,其

2、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。,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0.510s。半峰时间（0幅值后又降到1/2幅值所需时间）约2090s。 IEC研究表明累积频率为50%的波头和波长分别为1.01.5s和4050s。,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

3、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,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,冲击电压发生器的两个基本要求, 输出高电压 几十万几百万伏的电压； 电压具有一定波

4、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,2.1 基本Marx冲击回路原理,R：充电电阻； r：硅堆保护电阻，r=(1020)R； C1C4主电容；rd阻尼电阻（阻尼波形振）几几十； g1:点火球隙；g2g4：中间球隙；g0：隔离球隙； Rf：波头电阻；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,2.1.1 并联充电,通过硅堆D，使C1C4均充电到U； g1g4球隙上电位差也为U，g0上无电压； 调节g1g4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

5、 冲击电压发生器的基本原理,2.1.2 串联放电,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 ； 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 。 g2上的电位差实上升为2U，g2放电，点2电位为-2U 。 同理，g3、g4也跟着放电；隔离球隙g0也放电，这时输出电压为C1C4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 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；

6、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,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,只有一边有R，另一边由rf、rt兼作充电电阻，rf、

7、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 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,基本Marx回路及高效回路

8、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。,放电等效电路 拉普拉斯运算电路,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：,其中：,3 冲击电压发生器放电回路的数学分析,3.1 基本分析,回路系数与电路的形式和参数有关。,反变换得：,方程的根为：,3 冲击电压发生器放电回路的数学分析,3.1 基本分析,发生器放电电压效率,由,得,峰值时刻,峰值,波形系数,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）,由,得,和,的关系曲线,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

9、的近似分析,在峰值处几乎不变,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）,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）,回路效率,在半峰处几乎衰减为零。,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,临界阻尼波头时间：,，取临界值，得,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,1 基本充电回路 (a),特点： 放电时每个充电电阻止的电压不超

10、过电容器上的充电电压，结构简单； 首、末电容器充电时间不一样； 保护电阻r=10R。 只利用了T的半个周波（未充分利用T）,4.1 几种充电回路介绍,4 冲击电压发生器的充电回路,2、 高效回路 (b) rf+rt构成充电电阻 对雷电冲击波，rf+rtR，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) 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

11、路介绍,4 冲击电压发生器的充电回路,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),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。,4.1 几种充电回路介绍,4 冲击电压发生器的充电回路,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

12、1020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1020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。,4.1 几种充电回路介绍,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,离充电变压器最远一个电容器上的电压，即x=0时的U（t）,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

13、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。,普通充电回路的充电时间为,若稳态充电：Uc/Um=0.9，t充=2.3RC；整流充电：t充=15RC。,当r10R，且级数不多时，一般取t充15rnC 。,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 冲击电压发生器的充电回路,4.3 充电变压器容量要求,单边充电变压器容量：,双边充电变压器容量：,5 冲击电压发生器的同步,5.1 冲击电压发生器影响同步的主要因素,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击穿，这个过程叫同步。,

14、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上的电压差比2U小。,5 冲击电压发生器的同步,5.1 冲击电压发生器影响同步的主要因素,1、基本回路, 间隙g2电容C2的影响（假设R=）,当C1+C3C2时，Ug2 = 2U，但C1、C3均为杂散电容，小于C2，所以自然过电压倍数下降。,C2：球隙g2电容 C1：X点对地杂散电容 C3：Y点对地杂散电容,5 冲击电压发生器的同步,5.1 冲击电压发生器影响同步的主要因素,充电电阻R的影响 Y、X点

15、均要经R放电，使Y、X点电位衰减，g2上自然过电压下降。,X点：经R向Z点放电：TX=（C1+C3）R Y点：经R向W点充电：TY=（C1+C3）R R：104，C1+C3约10-1110-12F T（0.010.1）10-6 s,Tx、Ty同时作用，使得g2上的自然过电压按时间常数衰减，这种衰减很快。而球隙放电要有一定时延，等到g2击穿时，过电压已衰减不少。 所以综合起来，g2的电容C2和R均使球隙上自然过电压降低，影响同步。（R不能过大，否则，充电又不均匀）,5 冲击电压发生器的同步,5.1 冲击电压发生器影响同步的主要因素,2、高效回路, R(rf+rt)的影响, g2的电容C2的影响,

16、 rf 的衰减作用,Y、X点在C2上建立过电压，电阻rf电压波有衰减和时延作用，所以实际Ug2比上式小。,所以Ug2比基本回路衰减更快，高效率回路的自然过电压比基本回路低，同步性能不如后者。,5 冲击电压发生器的同步,5.2 改善发生器同步性能措施,球隙放电具有分散性，一般认为过电压1.2倍时可以超过球隙的放电分散范围。但是，因为目前高参数冲击发生器多数采用高效率回路，而上面已分析高效回路同步性能不如基本回路，若： 主电容C大，则雷电波产生电路rt小（更快衰减）； 负荷电容C0小，操作波时则必然rf，所以Ug2 基本回路及其他回路也有同步困难的问题。,5 冲击电压发生器的同步,5.2 改善发生

17、器同步性能措施,1、利用适当回路布置，增大自然过电压, 利用辅助回路改善同步, 增大杂散电容提高同步 第二级X点连Rg、Cg固定电位，相当于前述C1，所以同步改善。,5 冲击电压发生器的同步,5.2 改善发生器同步性能措施,2、改善触发促使球隙放电 球隙形成一垂直线上； （前级放电的紫外线照射到后一级球隙，促使它放电，从而提高同步性能） 利用球隙的针极和球极的火花照射（图5-32）； 球隙密封并加以压缩气体，减小放电分散性； 利用多极间隙球隙改善同步（图5-34） 。,6 冲击电压发生器的波形振荡,了解rd、rf 的作用，基波三次谐波不振荡的条件，了解短路法求发生器电感。开路法求对地杂散电容的

18、方法及分压器和发生器对地杂散电容的估算方法。 自学，不作要求。,7 冲击电压发生器的结构,电性能要绝缘可靠（不发生闪络或击穿事故）。 机械上要稳定牢靠。 除本身载荷外，要考虑地震，在露天的要考虑风载。 在保证绝缘和稳定的前提下，结构高度、底面积尽可能小。 回路尽可能短，电感尽可能小。 考虑检修、维护及调整时的方便与安全。一些需经常调节的部分，应易于接近。在较高电压的冲击发生器设计中，必须考虑电容器的拆装起卸的方便与可能。 增加试验时的灵活性，有可能方便地改变接法或更换元件来增减冲击电容、输出电压式调节波形。,7.1 冲击电压发生器结构设计的要求,7 冲击电压发生器的结构,7.2 冲击电压发生器

19、的几种结构形式,1、阶梯式,利用水平方向的绝缘距离。 特点： 结构高度较低，但占有较大的有效面积，需料多，连线长，电感大，技术性能较差，拆装、检修十分方便。（双梯、多梯式稍好），目前这种结构已很少采用。,7 冲击电压发生器的结构,7.2 冲击电压发生器的几种结构形式,两柱或三柱等绝缘柱搭成竖立的绝缘台，电容器置于台上。不少垂直空气隙被电容器本体所占用，将使结构高度较高，所以往往采用多柱将电容器分布在各柱上盘旋上升，使高度降低。 特点： 占地小，高度适中，拆装检修方便，不易受电容器形状限制，是目前采用较多的一种结构。,2、塔式,7 冲击电压发生器的结构,7.2 冲击电压发生器的几种结构形式,采用

20、绝缘壳的电容器与相同直径的绝缘筒交替迭装成柱状（可以为单柱、二、三柱等） 特点： 利用电容器外壳作为绝缘柱的一部分结构紧凑外观美观，发生器的技术指标比较高，但需特别的电容器，且若撤换底下电容器时十分不便。,3、柱式,7 冲击电压发生器的结构,7.2 冲击电压发生器的几种结构形式,4、圆筒式,把电容器布置在一个成几个迭装的大圆筒内，并充满油（绝缘距离外） 特点： 尺寸小、连线短、移动方便、外观好，技术性能比较高，但若筒中一电容器损坏，整个筒将不能使用。 （这种结构多为制造厂特制成套供应）,7 冲击电压发生器的结构,1、对电容器的要求,7.3 冲击电压发生器的其它考虑问题,固有电感要小，有足够的机

21、械强度，采用油纸绝缘的脉冲电容器,7 冲击电压发生器的结构,7.3 冲击电压发生器的其它考虑问题,2、阻尼电阻、波头、波尾电阻的要求 电阻与波形有关，要求电感小，热容量大，稳定性高，所以采用康铜丝、锰铜丝或镍丝按无感绕法做成。,无感绕法（图545中，LaLbLc）,7 冲击电压发生器的结构,7.3 冲击电压发生器的其它考虑问题,2、阻尼电阻、波头、波尾电阻的要求 电阻的热容量： 发生器动作，试品不放电时，全部能量消耗在Rt中，要求T150。 试品放电时，全部能量消耗在波尾和波头电阻。中，这时Rf与Rt并联，计算Rf温升应扣除Rt的耗能。 电阻长度：应保护不发生沿面闪络。,7 冲击电压发生器的结

22、构,7.3 冲击电压发生器的其它考虑问题,2、阻尼电阻、波头、波尾电阻的要求,对r、R的电感、稳定性要求不高。常用镍铬丝绕电阻或水电阻 。,最严重情况，g1放电，其余间隙不放电。（左图）, 保护电阻r和充电电阻R的要求,g1左边电阻温升最高，温升为：,1：C1能量消耗在R的温升； k：发生器级数。,8 产生截断波的方法,截断波： 在冲击电压作用下，绝缘发生破坏，冲击电压尾部电压突然急剧降至零，这种冲击电压波叫截断波。 危害： 截波陡度大，对电气设备的匝间绝缘威胁很大，所以变压器等设备在出厂前要进行截波试验。,8 产生截断波的方法,在发生器和试品间并联截断间隙，按预定电压调节间隙距离，发生器向试品送去全波，因间隙击穿接地，试品上的电压是一截波。 截断间隙是产生截波的重要设备。 1、棒间隙为截断间隙 结构简单，但放电分散性太大，截断点不稳定，不能满足要求。 2、球间隙作截断间隙 放电分散性小，但截断只能发生在波头或波峰处（不可能在波尾）不能得到23s截波。,8.1 产生截波的基本回路,8 产生截断波的方法,方法： 调节发生器，使之产生3s左右波头的冲击全波，利用球间隙的自动放电来截断，截波幅值由球