冲击电压发生器原理

马克思发生器原理及制作教程

马克思发生器（Marx Generator）是通过低压直流电源产生高压脉冲，通过电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由Erwin Otto Marx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等高能物理试验中。例如，模拟雷电对电力线齿轮和航空设备的影响。

马克思发生器原理工作原理：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。

图中C1为主电容，又称冲击电容，它相当于各级串联后的总电容，即;C2为负荷电容，即C2=C0，它包括调波电容、试品电容、测量设备（分压器）电容及联线等寄生电容;

G代表控制放电的球隙;Rf和Rt分别为波头电阻和波尾电阻，它们相当于各级rf和rt的总和，即Rf=nrf，Rt=nrt；U1为充电电压，它相当于各级串联后的总电压，即U1=nV；U2为输出电压，即所需的冲击电压。此等值电路相当于单级冲击电压发生器的电路。根据电路分析，输出电压U2（t）为一双指数

工作原理：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。

图中C1为主电容，又称冲击电容，它相当于各级串联后的总电容,即;C2为负荷电容,即C2=C0，它包括调波电容、试品电容、测量设备（分压器）电容及联线等寄生电容;G代表控制放电的球隙;Rf和Rt分别为波头电阻和波尾电阻,它们相当于各级rf和rt的总和，即Rf=nrf，Rt=nrt；U1为充电电压,它相当于各级串联后的总电压，即U1=nV；U2为输出电压,即所需的冲击电压。此等值电路相当于单级冲击电压发生器的电路。根据电路分析，输出电压U2(t)为一双指数函数 Marx（马克思发生器）τ1>>τ

半峰值时间T2≈0.69Rt(C1+C2)

效率 冲击电压发生器输出电压幅值V2m与充电电压пV 之比称作发生器的效率η，即 η=(V2m /nV)×100％

对雷电冲击波，η一般约80％；对操作冲击波，η有时仅60％。

冲击电压波形参数T1(Tcr)、T2及发生器效率η与回路结构和参数有关，均需通过实际调试进行调整和确定。

简答题

三：问答题（每题6分，共24分）

1：叙述汤逊放电理论。

答：设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至de个。假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（de－1）个正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数的定义，此（de－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出（de－1）个新电子，则(de-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(de-1)=1或de＝1。

2：叙述冲击电压发生器的原理。

答：如右图所示，冲击电压发生器整流装置向主电容Ct充电，充电完成后，控制放电间隙g放电，出现下述充放电阶段：

① Ct通过Rf向被试品Cf放电，形成冲击电压的波前部分；

② Cf上电压和Ct上电压相等时，Cf和Ct并联向Rt放电形成冲击电压波尾部分；

调节Rf可调节波前时间，调节Rt可调节波长时间。

3：简述变电站防雷保护的各种措施。

答：①装设避雷针（线）进行直击雷保护，应满足：

A: 变电站所有的被保护物，应处于避雷针的保护范围之内；

B: 避雷针和被保护设备之间应保持应有的距离；

C: 避雷针和被保护设备接地装置在土壤中也应保持应有距离，以防反击。 CtCfRtRfg② 安装避雷器，应注意避雷器到被保护物之间的电气距离，不能超过其保护范围。

③ 采用进线保护段，以限制流过避雷器的雷电流，降低雷电流陡度。

4：金属氧化物避雷器电气特性的基本指标有哪些？请对每个指标给出简要解释。

答：①额定电压：避雷器两端之间允许施加的最大工频电压有效值；

② 最大持续运行电压：允许持续加在避雷器两端之间的最大工频电压有效值，其值一般等于或者大于系统运行最大工作相电压。

冲击电压发生器

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高电压技术课程设计

姓名：赖智鹏

学号：U200811806

班级：电气0809班

邮箱： 冲击电压发生器

2 / 15 冲击电压发生器的设计

一、引言

冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，在电力系统中主要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。

本文是高电压技术课程的课程设计，参考相关文献完成了冲击电压发生器设计，了解了该装置基本原理、设计流程、注意事项等。

二、设计过程

1. 最大输出电压

300～800kV

2. 冲击电容

为保证冲击电压发生器有较大适用范围，考虑试验可能遇到的最大的试品电容（不考虑大电力变压器和整卷电缆试验的情况）

（1）试品中互感器电容最大，约1000pF

（2）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计值取500pF

（3）电容分压器（分压器采用电容式分压器）的电容估计值取600pF

由此得出，总的负荷电容约为

210005006002100CpF

为保证发生器有足够高的效率，同时兼顾经济性，冲击电容取负荷电容10至20倍，则冲击电容为

12(1020)(2100031500)C～C～pF

3. 电容器的选择

型号MY110—0.2脉冲电容器参数如下表

型号 额定电压（kV） 标称电容（pF） 外形尺寸（mm） 重量（kg） 适用范围

MY110-0.2 110 200000 635500瓷壳 249 冲击电压发生器

需满足两个要求：

（1）电压发生器额定电压要求：300～800kV

（2）冲击电容要求：21000～31500pF

采用MY110—0.2脉冲电容器，7级串联，此时冲击电压发生器串联放电时，峰值电压约为770kV满足（300～800kV），且冲击电容为200000/7=28571满足（21000～31500pF）

4. 回路选择

采用高效回路，单边充电。 冲击电压发生器