冲击电压发生器学习资料
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高电压技术8、2__冲击高压发生器
rf：几每十级欧的；波前电阻，一般约 rt：几每百级欧的；放电电阻，通常约 C2：于负试荷品电，容而，且其与值调不波仅相取关决。
Cs：每级相应点的对地杂散电容，一般仅为 几个皮法；
一般处于几百皮法至几个 纳法间
g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙；
通用的高 效回路
g0：隔离球隙；
冲击电压发生器 高效回路接线
每级的放电电阻 rt＝Rt/6＝589.1Ω 波前电阻的计算分为两种情况，考虑电感存在，并假定处于 临界阻尼时
根据Tf＝2.33τ2＝2.33RC1C2/（C1＋C2）式计算为 Rf＝（1.2µs/2.33）[(0.02+0.0005)/(0.02×0.0005)]µF－1
＝（1.2µs/2.33）×2050µF－1＝1055.8Ω
C2上电压u2的波形
冲击波形的确定
当冲击波形以双指数波来代表时，在波形确定后，其相应 的s1、s2、tm和波形系数ε0 也就确定了
例：两种标准冲击波的特性参数：1.2/50μs标准雷电冲 击波和250/2500μs标准操作冲击波的各个参数值
波形 （μs－1）
S1 （μs－1）
S2
tm（μs） ε0
（μs－1）
1.2/50 －0.014659 －2.4689 2.089 0.9641
250/2500 －3.1696×10－4 －0.0160 250.0 0.9055
雷电冲击波：输出电压峰值设为单位值 （t用μs作为单位），则
u2(t)=1.03725[exp（－0.014659t）－exp（－2.4689t）]
冲击高压发生器
一、冲击电压发生器的基本原理
1、冲击电压波形 a、雷电冲击电压波 OC为视在播前
第7章 冲击电压发生器
Байду номын сангаас
图2 记录电压波形和试验电压波形 (a)记录和试验电压波形；(b)基本波形叠加滤波后残余波形成
为试验电压波形
图3 雷电冲击电压截波 (a)在波尾截断的雷电冲击；(b)在波前截断的雷
电冲击
图4 冲击电压发生器基本回路
T—试验变压器；D—高压硅堆；r—保护电阻；R—充电电阻；
C1～C4—主电容器；rd—阻尼电阻；C′—对地杂散电容； g1—点火球隙；g2～g4—中间球隙；g0—隔离球隙；Rt—放电电阻；
第七章 冲击电压发生器 的原理
图1 雷电冲击电压全波
图1中0为原点。有时用示波器摄取到的波形，在0点 附近往往模糊不清，或是有起始之振荡。在产生冲
击电压的发生器的内电感大时，波形起始处也可能 有一小段较为平坦。此时波形的原点(真正的起始点) 在时间轴上不容易确定。电压波的峰值点，由于比 较平坦，在时间上也不易确定。IEC和国家标准采用 了如图1所示的办法来求得视在原点O1，再从O1算起 求出波前时间Tf和半峰值时间Tt。规定是视在波前时 间Tf为T/0.6。规定的标准雷电冲击试验电压波的波前 时间Tf为 ，半峰值时间Tt为 。
Rf—波前电阻；C0—试品及测量设备等电容
图5 冲击电压发生器串联放电时的等效回路
图6 双边充电的冲击电压发生器回路
图7 冲击电压发生器高效率回路
图2 记录电压波形和试验电压波形 (a)记录和试验电压波形；(b)基本波形叠加滤波后残余波形成
为试验电压波形
图3 雷电冲击电压截波 (a)在波尾截断的雷电冲击；(b)在波前截断的雷
电冲击
图4 冲击电压发生器基本回路
T—试验变压器；D—高压硅堆；r—保护电阻；R—充电电阻；
C1～C4—主电容器；rd—阻尼电阻；C′—对地杂散电容； g1—点火球隙；g2～g4—中间球隙；g0—隔离球隙；Rt—放电电阻；
第七章 冲击电压发生器 的原理
图1 雷电冲击电压全波
图1中0为原点。有时用示波器摄取到的波形，在0点 附近往往模糊不清，或是有起始之振荡。在产生冲
击电压的发生器的内电感大时，波形起始处也可能 有一小段较为平坦。此时波形的原点(真正的起始点) 在时间轴上不容易确定。电压波的峰值点，由于比 较平坦，在时间上也不易确定。IEC和国家标准采用 了如图1所示的办法来求得视在原点O1，再从O1算起 求出波前时间Tf和半峰值时间Tt。规定是视在波前时 间Tf为T/0.6。规定的标准雷电冲击试验电压波的波前 时间Tf为 ，半峰值时间Tt为 。
Rf—波前电阻；C0—试品及测量设备等电容
图5 冲击电压发生器串联放电时的等效回路
图6 双边充电的冲击电压发生器回路
图7 冲击电压发生器高效率回路
冲击电压的产生及测量
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（约从零上升到波峰值所需时间）为 0.5～10 μs 。半峰时间（约从零上升到峰值后又降到 1/2峰值所需时间）为20 ～90 μs 雷电冲击电压波全波 雷电冲击电压波截波 操作冲击电压波
1.2 冲击电压的波形
2.1.2 串联放电
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
2.1.2 串联放电
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
2.1.2 串联放电
g2上的电位差实上升为 2U， g2放电，点 2电位为 2U
4.2 冲击电压发生器的几种结构形式
阶梯式
塔式
柱式1、阶梯式
特点： 利用水平方向的间隙作为绝缘，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。目前这种结构 已不再采用。
4.2 冲击电压发生器的几种结构形式
5.2 产生截波的方法
解决方法如下： ① 调节发生器，使之产生3μs左右波头的冲击全波， 利用球间隙的自动放电来截断，截波幅值由球间隙 控制。 该方法虽截断装臵简单，但发生器要重调 波形，且截断时间不好控制。 ② 采用有针孔的球间隙，冲击电压发生器产生标准波， 靠送向针孔处的脉冲电压来使球间隙放电。该方法 截断装臵复杂，但冲击发生器无需另调波形，球隙 放电可控。截断可发生在波前和波尾的任何部位。
串联放电时，输出电压波形大致如下：
2.1.4 串联放电时的等效回路
C1通过Rf对C2放电，形成波头； C1和C2同时对Rt放电，形成波尾
冲击电压发生器的基本工作原理
冲击电压发生器要完成高电压的冲击耐压试验，必须要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，其次冲击发生器输出的电压要具有一定的波形。
它是根据马克斯回路来达到这些目的，冲击电压发生器的基本回路如下图1所示：图1：冲击电压发生器基本回路T——试验变压器；D——高压硅堆；r——保护电阻；R——充电电阻；C1~C4——主电容器；rd——阻尼电阻；C’——对地杂散电容；g1——点火球隙；g2~g4——中间球隙；g0——隔离球隙；R1——放电电阻；Rf——波前电阻；C0——试品及测量设备等电容试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R 向主电容器C1~C4充电，充电到U，出现在球隙g1~g4上的电位差也为U。
假若事先把球间隙距离调到稍大于U，球间隙不会放电。
当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为+U。
电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，由于C’的存在，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为——U，中间球隙g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为+2U。
同理，g3，g4也跟着放电，电容器C1~C4串联起来了。
后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1~C4。
上电压的总和，即+4U。
上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”。
由并联变成串联是靠一组球隙来达到。
要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。
满足这个条件的，叫做球隙同步好，否则就叫做同步不好。
R 在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。
在球隙同步动作时，放电回路改变成如图2所示的形式。
图2：冲击电压发生器串联放电时的等效回路图2右图中C1原有电压+4U，C2原来无电压，当g0放电，C1向C2充电，C2上将建立起电压，同时C1上电压将下降。
4冲击电压发生器详解
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;
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）
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) [(a / 2) b]
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 )]
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。
5-冲击电压的产生解析
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
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
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 NhomakorabeaRs
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
D T r R R R
单边高效
D
r
R
R
R
T
rR
R
R
R
双边低效
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
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
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 NhomakorabeaRs
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
D T r R R R
单边高效
D
r
R
R
R
T
rR
R
R
R
双边低效
冲击高压发生器
11回路中的故有电感减小回路尺寸可减小回路电感回路中的故有电感减小回路尺寸可减小回路电感22回路中的故有电容回路中的故有电容33放电间隙的导通过程放电间隙的导通过程模拟器产生的瞬态电场的波形模拟器产生的瞬态电场的波形empemp传输线模拟系统传输线模拟系统负载水电阻脉冲源传输线传输线型emp模拟器有效空间长60m宽46m高46m抗干扰措施的研究
式中：b=1/［C1C2(RdRt+RdRf+RfRt)］ a=［C1(Rd+Rt)+C2（Rt+Rf)］· b d=C1Rt· b
u2(t)=U1ε[exp（s1t）－exp（s2t）] s1、s2为方程s2+as+b=0的两个根 从根和系数的关系可知 s1· 2=b ； s s1 + s2= －a
发生器电压效率
发生器电压效率的近似计算式为
ŋ＝[C1/（C1＋C2）][Rt/（Rd＋Rt）]
这意味着输出电压u2的 峰值U2m低于电容C1上 的初始充电压U1。它是 由于C1与C2之间的分压 和Rt与Rd之间的分压造 成的
放电时基本回路的等值回路
考虑回路电感后的近似计算
在计算波前时间时，仍采用简化条件， 认为Rt→∞，把回路电感L考虑进去， 则放电回路将变为R－L－C串联回路 如图所示。 其中R应为阻尼电阻Rd与波前电阻Rf 之和。为获得非振荡冲击波，应使
单级冲击电压发生器回路
回路1
正极性冲击电压
回路2
负极性冲击电压
由于受到硅堆和电容 器额定电压的限制，单级 冲击电压发生器的最高电 压不超过200~300kV。
多级冲击电压发生器回路
T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻，一般为几 百千欧； R：充电电阻，一般为几 十千欧； rd:每级的阻尼电阻； C：每级的主电容，一般 为零点几个微法； Cs：每级相应点的对地 杂散电容，一般仅为 几个皮法； g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；
式中：b=1/［C1C2(RdRt+RdRf+RfRt)］ a=［C1(Rd+Rt)+C2（Rt+Rf)］· b d=C1Rt· b
u2(t)=U1ε[exp（s1t）－exp（s2t）] s1、s2为方程s2+as+b=0的两个根 从根和系数的关系可知 s1· 2=b ； s s1 + s2= －a
发生器电压效率
发生器电压效率的近似计算式为
ŋ＝[C1/（C1＋C2）][Rt/（Rd＋Rt）]
这意味着输出电压u2的 峰值U2m低于电容C1上 的初始充电压U1。它是 由于C1与C2之间的分压 和Rt与Rd之间的分压造 成的
放电时基本回路的等值回路
考虑回路电感后的近似计算
在计算波前时间时，仍采用简化条件， 认为Rt→∞，把回路电感L考虑进去， 则放电回路将变为R－L－C串联回路 如图所示。 其中R应为阻尼电阻Rd与波前电阻Rf 之和。为获得非振荡冲击波，应使
单级冲击电压发生器回路
回路1
正极性冲击电压
回路2
负极性冲击电压
由于受到硅堆和电容 器额定电压的限制，单级 冲击电压发生器的最高电 压不超过200~300kV。
多级冲击电压发生器回路
T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻，一般为几 百千欧； R：充电电阻，一般为几 十千欧； rd:每级的阻尼电阻； C：每级的主电容，一般 为零点几个微法； Cs：每级相应点的对地 杂散电容，一般仅为 几个皮法； g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；
冲击电压发生器
等值电路
冲击电压发生器冲击电压发生器动作时的等值电路如图2所示。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
冲击电压发生器
仪器设备
01 简介
03 工作原理 05 效率
目录
02 特点 04 等值电路 06 主要技术参数
冲击电压发生器主要用于电力设备等试品进行雷电冲击电压全波、雷电冲击电压截波和操作冲击电压波的冲 击电压试验，检验绝缘性能。
100～kV系列各种容量成套冲击电压（电流）试验装置。并可提供多种波形系列成套冲击电压（电流）发生 器。冲击试验装置主要由：发生器本体、截波、分压器、四组件控制台（控制台分为微机型和普通型）、数字化 波形记录系统等组成。
τ1>>τ2
参考此分析解，并根据实际经验，冲击电压波形参数可按下式作近似估计：波前时间
半峰值时间
T2≈0.6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。 对于电力变压器等带有绕组的电力设备，通常还要求做雷电冲击截波试验。冲击电压发生器外接一截断间隙 即可产生冲击截波。标准雷电截波是标准雷电冲击波经过2～5μs截断的波形。 冲击电压发生器是高电压试验室的基本试验设备之一。目前中国已建的冲击电压发生器最高额定电压为6MV， 有的国家个别的高达10MV。
高电压技术 冲击高压发生器
为零点几个微法；
Cs：每级相应点的对地 杂散电容，一般仅为 几个皮法；
g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；
放电时基本回路的等值回路
τ2=（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2） 于是Tf=3.24（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2） 因C1＞＞C2，Tf≈3.24（Rd＋Rf）C2
单级冲击电压发生器回路
回路1
回路2
由于受到硅堆和电容 器额定电压的限制，单级 冲击电压发生器的最高电 压不超过200~300kV。
正极性冲击电压 负极性冲击电压
多级冲击电压发生器回路
T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻，一般为几
百千欧； R：充电电阻，一般为几
十千欧； rd:每级的阻尼电阻； C：每级的主电容，一般
Tf 250s 20% Tt 2500s 60%
2、冲击电压波形的近似表达式
冲击电压的一般表达式： u2= U1[exp（-t/τ1）- exp（-t/τ2）] 时间常数：用τ1和τ2表达 1.2/50μs的雷电波：τ1＞＞τ2
u2的构成：u2由两个指数分量选加构成 波形时间的确定：波前时间相对于波尾半峰值时间要短得多。 波前时间Tf基本上由较小的时间常数τ2决定； 半峰值时间Tt基本上由相对大得多的时间常数τ1决定
C2上电压u2的波形
冲击波形的确定
当冲击波形以双指数波来代表时，在波形确定后，其相应 的s1、s2、tm和波形系数ε0 也就确定了
冲击高压发生器
一、冲击电压发生器的基本原理
1、冲击电压波形
a、雷电冲击电压波
OC为视在播前
OF为视在播前时间 Tf
Tf 1.67(t2 t1 )
Cs：每级相应点的对地 杂散电容，一般仅为 几个皮法；
g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；
放电时基本回路的等值回路
τ2=（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2） 于是Tf=3.24（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2） 因C1＞＞C2，Tf≈3.24（Rd＋Rf）C2
单级冲击电压发生器回路
回路1
回路2
由于受到硅堆和电容 器额定电压的限制，单级 冲击电压发生器的最高电 压不超过200~300kV。
正极性冲击电压 负极性冲击电压
多级冲击电压发生器回路
T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻，一般为几
百千欧； R：充电电阻，一般为几
十千欧； rd:每级的阻尼电阻； C：每级的主电容，一般
Tf 250s 20% Tt 2500s 60%
2、冲击电压波形的近似表达式
冲击电压的一般表达式： u2= U1[exp（-t/τ1）- exp（-t/τ2）] 时间常数：用τ1和τ2表达 1.2/50μs的雷电波：τ1＞＞τ2
u2的构成：u2由两个指数分量选加构成 波形时间的确定：波前时间相对于波尾半峰值时间要短得多。 波前时间Tf基本上由较小的时间常数τ2决定； 半峰值时间Tt基本上由相对大得多的时间常数τ1决定
C2上电压u2的波形
冲击波形的确定
当冲击波形以双指数波来代表时，在波形确定后，其相应 的s1、s2、tm和波形系数ε0 也就确定了
冲击高压发生器
一、冲击电压发生器的基本原理
1、冲击电压波形
a、雷电冲击电压波
OC为视在播前
OF为视在播前时间 Tf
Tf 1.67(t2 t1 )
第五章 冲击电压发生器
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
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：
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 2
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：
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 。
T2 ≈ (Rd + R f )C1C2 /(C1 + C2 ) Tf = 3.24(Rd + Rf )C1C2 /(C1 + C2 )
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
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：
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 2
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：
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 。
T2 ≈ (Rd + R f )C1C2 /(C1 + C2 ) Tf = 3.24(Rd + Rf )C1C2 /(C1 + C2 )
冲击电压发生器的基本工作原理
冲击电压发生器的基本工作原理冲击电压发生器要完成高电压的冲击耐压试验，必须要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，其次冲击发生器输出的电压要具有一定的波形。
它是根据马克斯回路来达到这些目的，冲击电压发生器的基本回路如下图1所示：图1：冲击电压发生器基本回路T——试验变压器；D——高压硅堆；r——保护电阻；R——充电电阻；C1~C4——主电容器；rd——阻尼电阻；C’——对地杂散电容；g1——点火球隙；g2~g4——中间球隙；g0——隔离球隙；R1——放电电阻；Rf——波前电阻；C0——试品及测量设备等电容试验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1~C4充电，充电到U，出现在球隙g1~g4上的电位差也为U。
假若事先把球间隙距离调到稍大于U，球间隙不会放电。
当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为+U。
电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，由于C’的存在，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为——U，中间球隙g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为+2U。
同理，g3，g4也跟着放电，电容器C1~C4串联起来了。
后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1~C4。
上电压的总和，即+4U。
上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”。
由并联变成串联是靠一组球隙来达到。
要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。
满足这个条件的，叫做球隙同步好，否则就叫做同步不好。
R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。
在球隙同步动作时，放电回路改变成如图2所示的形式。
3图2：冲击电压发生器串联放电时的等效回路图2右图中C1原有电压+4U，C2原来无电压，当g0放电，C1向C2充电，C2上将建立起电压，同时C1上电压将下降。
冲击电压发生器的原理试验及设计
冲击电压发生器的原理试验及设计1.充电：通过电源将电能储存在充电电容器中。
充电电路一般由电源、开关元件、电容器和电阻组成。
充电过程中，开关元件将充电电源与电容器连接，使电容器内储存电量逐渐增加。
根据欧姆定律，电流与电压成正比。
2.放电：控制开关元件断开，将存储在电容器中的电能快速释放。
放电过程中，电容器的极间产生高压冲击波形。
由于电容器的放电时间常常较短，因此放电电流可以非常大。
3.波形控制：通过选择特定的电容器和电阻值，可调节放电时间和波形。
可以通过改变电容器的容量来调节电压的幅值，通过改变电阻的阻值来调节电压的升降速度。
冲击电压试验及设计：冲击电压试验是对绝缘材料、设备或组件进行的安全性能测试。
试验方法包括直流耐压试验和交流耐压试验。
直流耐压试验用于检测样品在直流电压下的耐压能力，交流耐压试验用于检测样品在交流电压下的耐压能力。
在试验过程中，冲击电压发生器扮演重要的角色，能够提供所需的高电压冲击波形。
设计冲击电压发生器时，首先需要确定所需的输出电压幅值和升降时间。
然后，选择适当的电容器和电阻值，以满足所设计的波形参数。
电容器的选取应考虑到其电压容量、物理尺寸以及绝缘材料的特性。
电阻的选取应考虑到其阻值、功率和耐压试验所需的电流。
在设计过程中还需要考虑保护和控制电路。
如采用过流保护电路，可以在电压超过设定阈值时，立即切断电路，以避免设备损坏。
此外，需要设计电源电路和触发电路，保证发生器的正常工作和触发放电过程。
总结起来，冲击电压发生器是一种用于产生高电压冲击波形的设备。
其原理包括充电、放电和波形控制。
在试验和设计中，需要根据具体要求选择适当的电容器和电阻值，并考虑保护和控制电路的设计。
这种设备在电气工程和材料测试中具有重要的应用。
冲击电压发生器学习资料
冲击电压发生器1000kV冲击电压发生器及测量系统的设计摘要：本文介绍了1000kV冲击电压发生器及测量系统的基本工作原理，分析了设计过程中的主要问题，结合冲击电压发生器的主要技术指标，对设计过程进行了详细讨论，给出了电路原理图及实物结构图，并对主要元器件进行了选择，最后利用仿真软件ATP对输出波形进行了仿真，以验证选择参数的正确性，同时对某些电路参数对冲击电压波形的影响作出了分析。
关键词：冲击电压发生器；电路设计；结构图；ATP仿真电力系统的高压电气设备在运行时不仅要经常承受正常的工作电压作用,而且还有可能遭受短时雷电过电压和内部过电压的侵袭,所以高压电气设备在安装前要进行必要的过电压的绝缘耐受试验,比如模拟雷电过电压和操作过电压作用。
冲击高压实验是耐压实验的一种，进行冲击高压实验是为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能[1]。
冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，它是一种产生脉冲波的高电压发生装置。
由于绝缘耐受冲击电压的能力与施加电压的波形有关，而实际冲击电压波形具有分散性，因此必须对于冲击电压波形参数做统一规定，以保证多次试验的重复性和不同试验条件下的结果的可比较性。
我国采用国际电工委员会（IEC）标准规定标准冲击电压波形。
即规定冲击电压波形为双指数型，波头时间为1.2uS，波尾时间为50us，冲击电压峰值一般为几十千伏到几兆伏。
1设计要求1.1设计指标设计一台1000kV的冲击电压发生器及测量系统，可以对2000pF的试品电容做冲击试验。
1.2基本要求冲击电压发生器应该满足以下几个要求：1)能产生1.2/50μs的标准雷电波。
2)能给2000pF以内的试品作冲击电压试验。
3)要求画出结构简图。
4)要求设计出各种元器件的参数（如电容、电阻器参数和型号等，球隙间距等）。
5)给出仿真波形并进行分析。
2冲击电压发生器的设计原理如图1所示，为标准冲击电压波形。
在经过时间T1时，电压从零上升到最大值，然后经过时间T2-T1，电压下降到最大值的一半。
多级冲击电压发生器的原理
多级冲击电压发生器的原理
1.电容器的充电：多级冲击电压发生器通过外加电源将电容器充电，将电荷储存起来。
充电的过程中，电源端的电压逐渐上升，而电容器的电压也随之增加，直到达到预定电压。
2.电容器的放电：当电容器充满电荷时，需要将其放电以产生高压脉冲。
在放电过程中，电容器会释放储存的电能，通过放电管（例如气体放电管）等装置来释放电荷。
由于电容器具有储存电荷的能力，放电瞬间会产生很大的电流。
3.多级级联：在多级冲击电压发生器中，多个电容器按一定规律进行级联，形成一个电容网络。
通常情况下，每个电容器的电压是不同的，电压逐级升高。
这样可以通过多级级联来实现电压的倍增效果。
4.储存元器件的使用：为了确保电容器能够储存电荷并保持稳定的电压输出，多级冲击电压发生器通常会配备一些储存元器件，例如电池或超级电容器。
这些元器件能够保持电容器的电压，使其能够正常工作。
5.触发控制：为了产生稳定的高压脉冲，多级冲击电压发生器通常需要一种触发控制机制。
触发控制可以根据需求来控制电容器的充电和放电时间，以确保脉冲的产生和输出符合要求。
总结起来，多级冲击电压发生器通过通过多个电容器的充放电过程以及多级级联的结构，实现高电压脉冲的产生。
它具备充电、放电、多级级联、储存元器件和触发控制等基本原理。
这种发生器在实际应用中常用于科学研究、工业测试、雷击模拟和高压试验等领域。
A2冲击高电压及大电流的产生
冲击电压发生器高效回路接线
10
z冲击电压发生器的工作特点
¾ 充放电过程： “电容器并联充电，而后串联放电” ¾ 电阻R 的连接与隔离作用：在充电时起电路的连 接作用；放电时则起隔离作用 ¾ 电容并联串联转换方法：诸电容由并联变成串联 是靠一组球隙分别处于绝缘和放电来达到
冲击电压发生器高效回路接线
11
两个指数分量迭加构成u2
34
¾ 电压u2到达峰值U2m后，如等值电路图所 示，电容C1和C2一起经过电阻Rt等放电 ¾ 因一般C1＞＞C2，放电快慢主要决定于C1
放电时基本回路的等值回路
35
∴ τ1≈(Rd＋Rt)(C1＋C2)≈（Rd＋Rt）C1 ¾ 半峰值时间 Tt＝0.69(Rd＋Rt)(C1＋C2) ¾或 Tt≈0.69（Rd＋Rt）C1
3
z 雷电冲击电压发生器回路（通用的高效放电回路） ¾ r：保护电阻，一般为几百千欧 ¾ R：充电电阻，一般为几十千欧 ¾ rf：每级的波前电阻，一般约几十欧 ¾ rt：每级的放电电阻，通常约几百欧
冲击电压发生器高效回路接线
4
z 雷电冲击电压发生器回路（通用的高效放电回路） ¾ C：每级的主电容，一般为零点几个微法 ¾ Cs：每级相应点的对地杂散电容，一般仅为几个皮法 ¾ C2：负荷电容，其值不仅取决于试品，而且与调波相 关。一般处于几百皮法至几个纳法间
双边充电的冲击电压发生器回路
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9 若级数为n，阻尼电阻的串联总值nrd称作为Rd 9 Rd也起着调节波前时间的作用 9 在放电时它与Rt会造成分压，使输出的电压有所降低
双边充电的冲击电压发生器回路
19
z双边充电与高效充电的冲击电压发生器回路的区别
电压效率 高效冲击电压发生器回路接线
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冲击电压发生器1000kV冲击电压发生器及测量系统的设计摘要：本文介绍了1000kV冲击电压发生器及测量系统的基本工作原理，分析了设计过程中的主要问题，结合冲击电压发生器的主要技术指标，对设计过程进行了详细讨论，给出了电路原理图及实物结构图，并对主要元器件进行了选择，最后利用仿真软件ATP对输出波形进行了仿真，以验证选择参数的正确性，同时对某些电路参数对冲击电压波形的影响作出了分析。
关键词：冲击电压发生器；电路设计；结构图；ATP仿真电力系统的高压电气设备在运行时不仅要经常承受正常的工作电压作用,而且还有可能遭受短时雷电过电压和内部过电压的侵袭,所以高压电气设备在安装前要进行必要的过电压的绝缘耐受试验,比如模拟雷电过电压和操作过电压作用。
冲击高压实验是耐压实验的一种，进行冲击高压实验是为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能[1]。
冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，它是一种产生脉冲波的高电压发生装置。
由于绝缘耐受冲击电压的能力与施加电压的波形有关，而实际冲击电压波形具有分散性，因此必须对于冲击电压波形参数做统一规定，以保证多次试验的重复性和不同试验条件下的结果的可比较性。
我国采用国际电工委员会（IEC）标准规定标准冲击电压波形。
即规定冲击电压波形为双指数型，波头时间为1.2uS，波尾时间为50us，冲击电压峰值一般为几十千伏到几兆伏。
1设计要求1.1设计指标设计一台1000kV的冲击电压发生器及测量系统，可以对2000pF的试品电容做冲击试验。
1.2基本要求冲击电压发生器应该满足以下几个要求：1)能产生1.2/50μs的标准雷电波。
2)能给2000pF以内的试品作冲击电压试验。
3)要求画出结构简图。
4)要求设计出各种元器件的参数（如电容、电阻器参数和型号等，球隙间距等）。
5)给出仿真波形并进行分析。
2冲击电压发生器的设计原理如图1所示，为标准冲击电压波形。
在经过时间T1时，电压从零上升到最大值，然后经过时间T2-T1，电压下降到最大值的一半。
规定电压从零上升到最大值所用的时间T1称为波头时间（或称波前时间）；电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T2称为波尾时间（或称半峰值时间）。
图1 标准冲击电压波形由该图可知，非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加合成，如图2所示，则其表达式为：/1/2()()t t u t A ee ττ--=- （2-1）该式中，1τ为波尾时间常数，2τ为波头时间常数，通常情况下有1τ>>2τ，A 为单指数波幅值。
IEC 中规定标准冲击电压波形参数为：波头时间：1.2u s ±30% 半峰值时间：50us ±20% 幅值误差：±3%图2 冲击电压波形的合成由公式（2-1），冲击电压波形可由电容、电阻构成的二阶电路的充放电实现。
如图3所示，为标准雷电波冲击电压发生器原理电路示意图。
图3 冲击电压发生器电路原理示意图整流电路将电网中的交流变换为直流为电容充电，C0在被球隙G隔离的状态下由整流电路充电到稳态电压U0，放电球隙G被点火击穿后，电容C0上的电荷经电阻Rt放电，同时经Rf对Cf充电，在被试品上形成上升的电压波头。
当Cf上的电压被充到最大值后，反过来经Rf和C0一起对Rt放电，在被试品上形成下降的电压波尾，从而产生雷电冲击电压全波波形。
图中C0为主电容，G为放电球隙，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻，Cf为波头电容，Cx为被试品的等效电容。
被试品的电容可以等效并入电容Cf中[2]。
由于受到高压硅堆参数等因素的限制，单级冲击电压发生器输出的冲击电压幅值一般不超过200~300kV，所以实际中要获得更高的冲击电压，幅值，需采用多级冲击电压发生器。
图4为多级冲击电压发生器的电路原理图。
图4 多级冲击电压发生器电路原理图多级冲击电压发生器的基本原理为：并联充电，串联放电。
如图4，首先调整各个球隙的距离，使G1的放电电压为U0，G2~G4的放电电压在U0~2U0范围内，然后开始对各个电容器同时充电到U0。
这时G1首先被击穿，导致G2~G4依次击穿，各个电容器串联起来对C2和R2放电，从而在输出端获得幅值很高的冲击电压。
3 冲击电压发生器的设计3.1主回路的结构设计要求设计的冲击电压发生器的标称值为1000kV，则应采用多级冲击电压发生器结构。
采用双边充电的高效回路，每级两个电容器，分5级。
每一级级电压为200kV，每一个电容通过变压器充电100kV。
则冲击电压发生器可产生的电压约为5×200=1000kV，满足题设要求。
冲击电压发生器原理图如图5所示。
图5 1000kV冲击电压发生器电路结构图图5中K是电源开关，D是高压硅堆，T1是单相调压器，T2是试验变压器，V是交流电压表，R0是保护电阻，R是充电电阻，rf是波前电阻，rt是波尾电阻，C是各级电容，C2是试品电容，G0是点火球隙，G是中间球隙，G’是隔离球隙，C11 、C12 、C13是电容分压器的高压臂电容，C20是电容分压器的低压臂电容，Z 是测量电缆的波阻抗，R1是匹配电阻（R1=Z ），CRO 是高压脉冲示波器。
由T1、T2，两个反接的D 向C 充以U0的电压，这样所有电容器C 上都充以U0的电压。
点火球隙G0的放电电压设置为2U0，5个中间球隙的放电电压设置为2U0-3U0之间，此时各个球隙都不能放电。
串联放电的过程开始后，在G0的接地球内部点火电极上施加一个脉冲电压，使点火电极与接地极放电，从而使G0放电。
之后1点电压强制为零，由于电容电压不能突变，迫使2点电压为-2U0，加在第一个中间球隙上的电压变为4U0，球隙击穿。
之后过程依次类推，到10点处电压为-10U0，隔离间隙G ’击穿，在试品上就获得了10U0的冲击电压。
图中试品C2右侧为测量系统。
3.2冲击电容值的选取试品电容最高为2000pF ，估计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约为500pF ，估计电容分压器的电容约为600pF ，则总的最大负荷电容为：220005006003100C pF =++=为保证电压效率，冲击电容应大于等于负荷电容的10倍，则冲击电容约为：121031000C C pF ≥≥3.3冲击电容型号的选取由于回路中的电感会影响到冲击电压波形，故选用主电容时应选择固有电感小的电容器，在本设计中主电容采用脉冲电容器。
用于冲击电压发生器的脉冲电容器主要型式可分为：胶纸筒型、瓷套型和金属壳型等。
胶纸筒型电容器体型细长，机械强度差，不便于采用柱式发生器结构，需要另立绝缘支架，而且这种电容器的容量不能做很大，在使用中容易受潮，故很少用于大型冲击电压发生器。
瓷套电容器具有很高的机械强度和良好的绝缘性能，适合于柱式发生器结构，但其能量亦不能做得很大，故该种电容器多用于2000kV 以下的中型冲击电压发生器。
金属壳电容器电压和容量可以做得很大，而且机械强度高，适用于多种冲击电压发生器结构，故使用广泛。
综合考虑电压等级、电容器规格与电容量的影响，在某电容器生产商脉冲电容器产品列表中选择额定电压为100kV ，标称容量为0.2μF 的铁壳式脉冲电容器。
该电容器的技术参数如表1所示。
表1 MY100—0.5 高压脉冲电容器技术参数用此种电容器5级串联，标称电压可达1000kV ，基本满足前述要求。
每级由2个电容器串联，使冲击电容为：10.5100.05C F F μμ==3.4冲击电压发生器主要参数的选取3.4.1冲击电压发生器的主要参数标称电压：120051000U kV =⨯= 冲击电容：10.0550000C F pF μ==标称能量：()2263411120.0510100010 2.5102W C U J -==⨯⨯⨯⨯=⨯3.4.2波头电阻和波尾电阻的选取最大试品电容约2000pF ，则负荷总电容最大为3100pF 。
(1)波头电阻计算如图6所示，为计算波头电阻时的等效电路图，由该图有： /2()(1)t u t A e τ-=- (3-1)121122C C R C C τ=+ （3-2）图6 波头波形产生等效电路结合式（3-1）和（3-2），可得1211120.00313.24 3.240.05 1.2()0.0531f C C T R R s C C μ=⨯=⨯⨯=+ （3-3）计算得，1126.88f R R ==Ω，则电阻取127Ω，每级/525.4f f r R ==Ω。
(2)波尾电阻计算如图7所示，为计算波尾电阻等效电路图，利用已充电的电容C2与C1共同经电阻R2放电，形成冲击波的波尾。
图7 波尾波形产生等效电路则由该图可计算出半峰值时间，即()120.6930.693(0.050.031)50t t t T R C C R s μ=⨯+=⨯+= （3-4） 计算得，21358.76t R R ==Ω，则电阻取1359Ω，每级/5271.8t t r R ==Ω3.3.3放电回路的计算(1) 波尾时间常数T1的近似计算121C C T T T =+其中，1C T 是C2开路，C1单独放电的时间常数，2C T 是C1开路，C2单独放电的时间常数,故有：()()1120.0513590.0031127135972.56t t f T C R C R R s μ=++=⨯+⨯+= (2) 波头时间常数T2的近似计算122120.050.00311270.3710.050.0031fC C T R s C C μ⨯==⨯=++故1112 2.6910H TT -==⨯，5127.2910T T λ-=+=⨯ (3) 波头时间f t 的近似计算2ln 730.371 1.1130.6f T t s μ=≈⨯= (4) 波尾时间t t 的近似计算1ln 20.772.5650.79t t T s μ=≈⨯=3.4.4冲击电压发生器的效率电压利用系数由波形系数0ξ和回路系数K 两部分组成，对于1.5/50us 的标准雷电波，0ξ=0.965。
则效率2max 00U U K ηξ===10120.050.96590.87%0.050.0031C C C ξ=⨯=++3.4.5充电电阻和保护电阻的选取当充电电阻放电的时间常数为主回路放电时间常数的10~20倍时，充电电阻不影响主回路的放电效率。
根据()(1020)2f t R C r Cr +≥-的要求，故取102t Rr =，得205436t R r ==Ω，取R=5.5k Ω。
每根充电电阻的结构长度应耐受U=100kV 。
取保护电阻为充电电阻的20倍，则R 0=110k Ω。
3.4.6充电时间的估算在保护电阻R 0远大于充电电阻的情况下，充电时间为：0151511050.5 4.125t R nC k s μ≈=⨯⨯⨯=考虑到其他因素影响充电时间，取充电时间为10s 。