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冲击电压发生器的设计一、工作原理冲击电压发生器通常都采用Marx 回路，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 1 冲击电压发生器回路（Marx回路）二、Simulink 设计1、各参数的选取额定电压的选取：取试品电压为110 kV ，由附录表A10和A3可得，耐受电压为550 kV ，型号MY 110-0.2的标称电容为0.2μF ，故冲击电压发生器的标称电压应不低于U1=550*1.3*1.1/0.85=925.3 kV冲击电容的选取：如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验，就数互感器的电容较大，约1000pF ，冲击电容发生器的对地电容和高压引线及球隙等的电容估计为500pF ，电容分压器的电容估计为600pF ，则总的负荷电容为：C2=1000+500+600=2100pF电容器选择：从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY 110—0.2瓷壳高压脉冲电容器比较合适，其电容值为0.2μF ，用此种电容器8级串联，标称电压可达880kV ，基本可以满足前述要求。
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300～800kV2. 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210005006002100C pF=++=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。
图 1 高效回路上图中C为型号MY110-0.2脉冲电容器， R为充电电阻，r为保护电阻（同时起均压作用，使电容充电比较均匀），大小取10R，rf为波头电阻，rt为波尾电阻。
回路化简及等效如下图图 2 等效回路充电测量：毫安表测量充电电流，微安表与大电阻串联测量充电电压。
图 3 充电回路电参数测量5. 冲击电压发生器主要参数（1）额定电压U1=7*110=770kV （2）冲击电容C1=200000/7=28571pF（3）能量W=1/2*0.028571*10^-6*(770*10^3)^2= 8.4699e+003J=8.47kJ6. 波头电阻和波尾电阻计算假定（1）试品电容为1000pF （2）负荷电容为2100pF 则由于波前时间等效回路：图 4 波前时间等效回路：波头长1212612121221001028571101.2103.24 3.24122100102857110f f f C C t r r C C -----⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯=⨯⨯+⨯+⨯∑∑得189.33189fr =Ω=Ω∑， 27.047127.0189.33/7f r =Ω==Ω波长时间等效回路图 5 波长时间等效回路：波长时间61250100.69(285712100)10t tt r --=⨯=⨯⨯+⨯∑得2362.6=2363t r =ΩΩ∑，2362.6/3377.5t r ==Ω7. 充电电阻和保护电阻阻值计算及电阻材料的选择下图为充电回路内部环流，为减小充电回路内部放电回路对冲击电压发生器放电回路的影响，要求R+rf>10～20rt 。
雷电冲击电压发生器原理1. 概述雷电是自然界中常见的电现象，其强大的能量往往会对人类的生产生活造成严重的影响。
为了防止雷电对设备和建筑物造成损害，人们发明了各种防雷设备，其中就包括雷电冲击电压发生器。
本文将重点介绍雷电冲击电压发生器的原理以及其在防雷领域的应用。
2. 雷电冲击电压发生器的作用我们需要了解雷电冲击电压发生器在防雷领域的作用。
雷电冲击电压发生器是一种专门用于防雷的设备，其主要作用是在雷电冲击发生时把电压分配到耐雷设备上，从而避免雷击对设备造成损害。
3. 雷电冲击电压发生器的原理雷电冲击电压发生器的工作原理主要包括两个方面：波头电阻和波尾电阻。
4. 波头电阻波头电阻是指在雷电冲击发生时，电压波前的电阻，其作用是降低电压的波峰，从而减小雷电冲击对设备的影响。
波头电阻需要具备高强度、高频率响应和快速放电的特点，用于消耗雷电冲击的能量，保护被保护设备的安全。
5. 波尾电阻波尾电阻是指在雷电冲击后的电压波尾的电阻，其作用是将残余的电压波尾导向接地，以确保雷电冲击后设备的安全。
波尾电阻需要具备高功耗、高耐压、高放电容量和长寿命等特点，用于将电压波尾慢速放电，保障设备不受雷电冲击的损坏。
6. 雷电冲击电压发生器的应用雷电冲击电压发生器在工业、建筑、交通等领域都有广泛的应用。
例如在电力系统中，雷电冲击电压发生器可以保护变压器、线路等设备免受雷电冲击的影响；在建筑领域中，它可以抵御雷电对建筑物的损害；在交通领域中，它可以保护信号设备、通信设备等免受雷击的影响。
7. 结语雷电冲击电压发生器作为一种重要的防雷设备，其原理及应用对防止雷击对人类生产生活造成的损失具有重要意义。
通过了解其原理和应用，我们可以更好地了解防雷设备的工作原理，提高防雷设备的使用效果。
希望本文对读者有所帮助，多谢关注。
8. 雷电冲击电压发生器的发展趋势随着科技的不断发展，雷电冲击电压发生器的技术也在不断进步。
未来，人们对雷电冲击电压发生器提出了更高的要求，希望其在防雷领域能够有更加广泛和深远的应用。
冲击电压试验由于冲击高电压试验对试验设备和测试仪器的要求高、投资大，测试技术也比较复杂，所以在绝缘预防性试验中通常不列入冲击耐压试验。
但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，在许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压被。
许多高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。
冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，冲击试验电压要比设备绝缘正常运行时承受的电压高出很多。
随着输电电压等级的不断提高，冲击电压发生器的最高电压也相应提高才能满足试验要求。
一、冲击电压波形的定义绝缘耐受冲击电压的能力与施加的电压波形有关，而实际的冲击电压波形具有分散性，即每次的波形参数会有不同，为了保证多次冲击试验的重复性和不同试验条件下试验结果的可比较性，必须规定统一的冲击电压波形参数。
我国对标准冲击电压波形的规定和国际电工委员会（IEC ）标准相同。
如图1－26所示。
在经过时间T 1时，电压从零上升到最大值，然后经过时间T 2-T 1，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T 1称为波头时间（或波前时间），电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T 2成为半峰值时间（或波长时间、波尾时间）。
Ut图1--26 标准冲击电压波形 图1--27非周期性的冲击电压波形非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加组成，如图1－27所示，即)()(21ττtteeA t u ---= （1--25）式中：1τ－波尾时间常数。
2τ－波头时间常数，通常1τ远大于2τ。
A －单指数波幅值。
对于实际的冲击电压波形，其起始部分通常比较模糊，在最大值附近的波形比较平坦，很难确定起始零点和到达最大值的时间。
所以实际中通常采用视在波头时间和视在半峰值时间来定义冲击电压波形。
按照国际电工委员会（IEC ）标准，实际冲击电压波形参数的定义如图1－28所示。
雷电冲击电压全波参数定义（波前时间，半峰值时间）：1.2 冲击电压的波形波峰附近振荡的全波全波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）：1.2 冲击电压的波形波尾截断雷电波形波头截断雷电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）：1.2 冲击电压的波形操作冲击电压波形试品额定电压（kV）35110220330500750冲击发生器0.4~0.60.8~1.5 1.5~2.7 2.4~3.6 2.7~4.2 3.6~6.0 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；r d—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；R f：波头电阻；R t：波尾电阻；C0：被试及测量设备的电容2.1.4 串联放电时的等效电路原理可概述为：电容并联充电，而后串联放电，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。
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、rt分散在各级内，无专门的rd，也无g（隔离球隙），其充电原理与前述相同，串联放电后的回路不同。
2.3 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r d ，C 1上电压全部加到r t 上（不象前述有分压），所以输出电压较高，为高效率回路（r f 也同样阻尼了振荡）。
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 回路和高效回路均有相同的等值回路，只是各自的R d 、R f 、R t 取值不同而已，对高效回路R d =0 。
HDCJ雷击冲击电压发生器技术参数
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。
100～10000kV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。
工作原理编辑
冲击电压发生器
冲击电压发生器通常都采用Marx回路，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
冲击电压发生器
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。
操作冲击电压的标准波形操作冲击电压的标准波形是一个用于测试电气设备的波形信号。
这个标准波形可以模拟设备在操作或启动时所受到的电压冲击，以评估设备的稳定性和耐受性。
在电气设备的正常操作和启动过程中，可能会出现瞬态电压冲击。
这些冲击可能来自于电力系统本身的突发事件，比如雷击或电压突变，也可能来自于设备内部的操作或故障。
这些电压冲击可能会对设备的功能和性能产生严重影响，甚至导致设备损坏或事故发生。
为了评估设备对电压冲击的抗性，国际电工委员会（IEC）制定了一系列标准，其中包括操作冲击电压的标准波形。
这些标准波形定义了不同类型的电压冲击波形，以及它们的幅值、持续时间和频率等参数。
通过在设备上施加这些标准波形并测量设备的响应，可以评估设备的抗冲击能力并判断其是否满足相关的安全标准和要求。
操作冲击电压的标准波形通常由脉冲发生器生成，可以模拟各种电压冲击情况。
这些标准波形一般包括正半周期和负半周期，以便模拟电压的上升和下降过程。
标准波形的振幅和持续时间根据具体的测试要求而定，可能会有不同的等级和限制。
操作冲击电压的标准波形一般包括以下几种常见类型：1. 瞬态电压冲击：这种类型的冲击波形通常用于测试设备对来自电力系统的瞬态电压冲击的响应。
这些冲击波形具有较高的振幅和较短的持续时间，以模拟雷电等外部冲击的影响。
2. 开关过程电压冲击：这种类型的冲击波形通常用于测试设备在开关过程中所受到的电压冲击。
在开关设备时，电流和电压可能会发生突变，从而产生电压冲击波形。
这些冲击波形具有较低的振幅和较长的持续时间，（可达几十毫秒至几百毫秒），以模拟设备内部操作过程中的冲击。
3. 电力系统故障电压冲击：这种类型的冲击波形用于测试设备在电力系统故障情况下的响应。
在电力系统发生故障时，如短路或地线故障，可能会出现电压剧烈变化的冲击波形。
这些冲击波形具有较高的振幅和较长的持续时间，（可达数百毫秒至数秒），以模拟电力系统故障对设备的影响。
雷电冲击电压波形之邯郸勺丸创作(1)1.2/50us冲击电压：雷击时户内走在线发生的感应过电压模拟波形，用于设备过电压耐受水平测试，主要测试范围：通信设备的电源端和建筑物内走线的信号线测试。
(2)1.2/50us(8/20us)混合波：浪涌发生器输出的一种具有特定开路/短路特性的波形。
发生器输出开路时，输出波形是 1.2/50us 的开路电压波；发生器输出短路时，输出波形是8/20us的短路电流波。
具有这种特性的浪涌发生器主要用于设备端过电压耐受水平测试，主要测试范围：通信设备的电源端和建筑物内走线的信号线测试。
(3)10/700us冲击电压：雷击时户外走在线发生的感应雷过电压的模拟波形。
用于设备过电压耐受水平测试时用的波形，主要测试范围：建筑物外走线的信号线测试。
(4)8/20us冲击电流：雷击时线缆上发生的感应过电流模拟波形，设备的雷击过电流耐受水平测试用尺度波形，主要用于通信设备的电源口、信号口、天线口。
冲击波形暗示（expression of impulse waveform）：冲击波用两数值的组合T1/T2来暗示，T1暗示波头时间（从10%峰值上升到90%峰值的时间），T2暗示半峰值时间（从波头始点到波尾降至50%峰值的时间），时间单位均为us，记作T1/T2，符号“/”无数学意义。
其中如：1.2/50us冲击电压，其波头时间为1.2us，半峰值时间为50us；8/20us冲击电流，其波头时间为8us，半峰值时间为20us；10/350us最大冲击电流，其波头时间为10us，半峰值时间为350us。
冲击电流实验的模拟脉冲波形需要尽量接近自然环境中雷击时通信设备电缆上发生的感应雷过电流的波形。
因此冲击电流测试一般采取国际上防雷学科给出的一些尺度波形。
根据国家、地区、研究机构的分歧，目前各国在冲击电流测试中对脉冲波形的要求有一定差别。
在IEC尺度、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/20us、10/350us（电流波）、10/700us以及 1.2/50us（电压波）等。
电力系统中的高压电气设备在投入运行之前需要进行冲击电压试验来检验其在过电压作用下的绝缘性能。
随着电力科技的发展,需要进行冲击电压试验的试品种类日益增多。
冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。
原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，后来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。
所以对于冲击电压发生器，要求不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。
冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波前陡度有关。
对某些设备还要采用截断波来进行试验。
此外，冲击电压发生器还可用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分；在大功率电阻束和离子束发生器以及二氧化碳激光中，可作为电源装置。
根据实测，雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计性。
他的波前时间（约从零上升到峰值所需时间）为0.5μs~10μs，半峰值时间（约从零上升到峰值后又降到1/2峰值所需时间）为20μs~90μs，累积频率为百分之50的波前和半峰值时间约为1.0μs~1.5μs和40μs~50μs。
操作冲击电压波的持续时间比雷电冲击电压波长得多，形状比较复杂，而且他的形状和持续时间，随线路的具体参数和长度的不同而有异，不过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表它。
雷电波又可分全波和截波两种。
截波是利用截断装置把冲击电压发生器产生的冲击波突然截断，电压急剧下降来获得。
截断的时间可以调节，或发生在波前或发生在波尾。
为了保证多次试验结果的重复性和各试验间试验结果的可比性，对波形及波形定义应有明确规定。
为此国际电工委员会和国家标准规定了标准雷电冲击全波及截波的波形和标准操作冲击电压波形，如图1至图4所示。
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（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，在时间上也不容易确定。
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算起来求出波前时间T f和半峰值时间T t。
规定所在波前时间T f为T/0.6。
规定的标准雷电冲击试验电压波的波前时间T f为1.2μs±0.3，半峰值时间T t为50μs±0.2。
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）基本波形叠加绿波后残余波形成为试验电压波形
若在波前峰值附近含有振荡或过冲波时（图2a），根据IEC60060——1新的规定，此时应通过标准所规定的处理步骤，把记录下来的波形转换成试验电压波形（图2b），后者的波幅
U t＝U mp＋k（f）（U e－U mp）
K（f）＝1/（1＋2.2f2）
式中，f——过冲的振荡频率，MHz；
K（f）——试验电压因数，他是一个幅频函数，是多类不同的绝缘上，施加了叠加不同高频频率过冲的冲击电压波，研究出与绝缘击穿强度相关的幅频关系。
标准规定把记录波形的头尾各舍弃一小部分后，用双指数波形拟合来好的基本波形。
尽管后获得的试验波形中含有滤波后残余波形的成分，标准规定由试验电压波形求得波前时间、半峰值时间和相对过冲幅值β’，其中
β’＝[（U t－U mp）/U t]×1
IEC新标准规定冲击试验电压的过冲β’允许值为0.1，但试验电压幅值高于2MV时，β’的允许值为0.2。
根据笔者对高阶集中参数的冲击电压发生器的计算结果，在产生标准雷电冲击电压波时，过冲波的频率不太可能高于0.5MHz。
不过考虑到杂散振荡以及试验回路中存在流动波的多次反射，此时冲击波前上可能会叠加较高频率的振荡波。
它的高振荡披绿f max可按下式进行估算：
f max＝c/[4（H g＋H c）]
式中，C——电磁波在空气中的传播速度，C＝300m/μs；
Hg——冲击电压发生器的高度，m；
Hc——负荷电容的高度，m。
雷电冲击电压截波如图3所示。
雷电冲击截断时间Tc是视在原点与截断瞬间的时间间隔。
截断期间电压段落的视在特征以截断瞬间电压值的0.7和0.1的C 点和D点来定义。
电压跌落持续时间为c点和D点间时间间隔的1.67倍。
电压跌落的陡度我截断瞬间电压与电压跌落持续时间之比。
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
由IEC60060——1规定的操作冲击被波形如图4所示。
它的半峰值时间T t 是从实际原点到波尾下降到半峰值的时间间隔。
波前时间T m是从实际原点到达峰值的时间间隔。
由于波幅处比较平坦，峰值点不容易准确地确定，所以新标准规定了用下列计算式来确定波前时间
T m=KT AB
式中，K＝2.42－3.08×10-3×t ab＋1.51×10－4T t
T t，T AB如图4中所示，均以μs为单位。
图4：操作冲击电压波形
IEC 60060-1还对标准操作冲击电压规定了0.9峰值以上的时间T d，T d是指冲击电压超过峰值0.9的持续时间。
规定的标准操作冲击电压的波前时间Tm为2 50us±0.2，半峰值时间T t为2500us±0.6。
IEC 60076-3: 2000规定了试验额定电压≥220 kV变压器及电抗器内绝缘的操作冲击电压波的波形如图5所示。
规定视在波前时间Tf至少为1 00μs，通常不大于250μs，百分之90峰值以上时间T d≥200μs，从视在原点到过零时间T z≥5 00μs。
有关的国家标准(GB 1094. 3--2003)所规定的此类操作冲击电压波，与上述IEC文件相同。
图5：试验变压器内绝缘的操作冲击电压波形
按照试验标准并考虑到足够的裕度，冲击电压发生器的标称电压与被试设备而定电压间的关系大致如下表所示。
表中下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用。
