4 冲击电压发生器

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字分析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.冲击电压发生器设计计算举例8.产生截断波的方法9.产生操作波的方法10.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0.5～10μs。半峰时间（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。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。试标称电压（kV）35110220330500750冲击发生器额定电压（MV）0.4~0.60.8~1.51.5~2.72.4~3.62.7~4.23.6~6.02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输出高电压几十万～几百万伏的电压；②电压具有一定波形。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=(10~20)R；C1~C4主电容；rd—阻尼电阻（阻尼波形振）几~几十Ω；g1:点火球隙；g2~g4：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冲击电压发生器的基本原理2.1.2串联放电1.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；2.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.g2上的电位差实上升为2U，g2放电，点2电位为-2U。4.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；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、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)/()(212bassdUsU)](/[121tftdfdRRRRRRCCb)]()(/[21fttdRRCRRCbabCRdt1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)(2112tstseeUU)/()/(2121121ssssCRssdt2/1221])2/[()2/(,baass回路系数ξ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0/2dtdu)/1()/ln(12112sssssTm发生器放电电压效率由得峰值时刻0112)(21UeeUUmmTsTsm峰值012/UUm波形系数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）)/1()/ln(12112sssssTm)]1(ln)/exp[(2)]1/(lnexp[)]1/(exp[ln0000000ssTTsssssmt由得120/sssmtTT/和12/ss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简化回路的近似分析)(2112tstseeUU||||12ss》)1()1(22212tsmtseUeUU)]exp(1[9.0)]exp(1[3.022221222tsUUtsUUmmmmtse1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）)]exp(1[9.0)]exp(1[3.022221222tsUUtsUUmmmm1.0)exp(7.0)exp(2212tsts221224.36.0/7ln)3.09.0/()(TTttTf)/()(21212CCCCRRTfd)/()(24.32121CCCCRRTfdf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）)exp(2/122tmmTsUU11693.02lnTTTt))((211CCRRTtd))((693.021CCRRTtdt回路效率)]/()][/([211dttRRRCCCtse2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2/121212CCCCLRRfd)/()(33.233.2327.2212122CCCCRRTTTfdf2/1)(66.4LCTf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)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两表均接保护间隙，以防仪表损坏时控制桌上出现高电压特点：①放电时每个充电电阻止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）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。要求内部放电时间常数为外部放电时间常数的10～20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lnCClnRR1'1,]41[|)(/0TtxeUtunCnRCnRT'22'214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。nCnRrt)(15充当r≥10R，且级数不多时，一般取t充≈15rnC。smmIUr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)(5.22VAtnCUpc充单边充电变压器容量：)(52VAtnCUpc充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。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①间隙g2电容C2的影响（假设R=∞）)1(321312CCCCCUUg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②充电电