主要內(nèi)容沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形沖擊電壓發(fā)生器的基本原理沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)字分析沖擊電壓發(fā)生器的充電回路沖擊電壓發(fā)生器的同步?jīng)_擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)沖擊電壓發(fā)生器設(shè)計計算舉例產(chǎn)生截斷波的方法產(chǎn)生操作波的方法陡波前沖擊電壓的產(chǎn)生第1頁/共61頁

1.1沖擊電壓發(fā)生器的功用

沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，用于研究電力設(shè)備遭受大氣過電壓和操作過電壓時的絕緣性能，同時，沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波形陡度有關(guān)，所以也用于研究某些電力設(shè)備的陡截斷波絕緣性能。

1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形其它作用：用于納秒脈沖功率;

用于大功率電子束和離子束、激光器的電源。第2頁/共61頁1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形

1.2沖擊電壓的波形

雷電波是一種非周期性脈沖，它的參數(shù)具有統(tǒng)計性。它的波前時間（0～幅值時間）為0.5～10μs。半峰時間（0→幅值后又降到1/2幅值所需時間）約20～90μs。IEC研究表明累積頻率為50%的波頭和波長分別為1.0～1.5μs和40～50μs。第3頁/共61頁1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形

1.2沖擊電壓的波形雷電沖擊電壓全波參數(shù)定義（波前時間、半峰值時間）

全波波形波峰附近振蕩的全波第4頁/共61頁1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形

1.2沖擊電壓的波形雷電沖擊電壓截波參數(shù)定義（波前時間、截斷時間、電壓跌落時間）

波尾截斷雷電波形波頭截斷雷電波形第5頁/共61頁1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形

1.2沖擊電壓的波形操作沖擊電壓參數(shù)定義（波前時間，半峰值時間，90%峰值時間）

操作沖擊電壓波形第6頁/共61頁1沖擊電壓發(fā)生器的功用和沖擊電壓波形

1.3沖擊電壓發(fā)生器額定電壓與被試品標(biāo)準(zhǔn)電壓關(guān)系

操作過電壓波幅直接與系統(tǒng)有關(guān)，為標(biāo)準(zhǔn)電壓的若干倍，雷電過電壓的波幅與系統(tǒng)電壓無直接關(guān)系，但由于線路的絕緣水平、地電阻、保護(hù)設(shè)備的性能等原因，可能出現(xiàn)的雷電波幅值隨系統(tǒng)電壓的升高而上升。

試標(biāo)稱電壓（kV）35110220330500750沖擊發(fā)生器額定電壓（MV）0.4~0.60.8~1.51.5~2.72.4~3.62.7~4.23.6~6.0第7頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

沖擊電壓發(fā)生器的兩個基本要求①輸出高電壓幾十萬～幾百萬伏的電壓；②電壓具有一定波形?？僧a(chǎn)生雷電或操作沖擊電壓

由Marx發(fā)明的沖擊電壓發(fā)生器是一種非常適用、得到廣泛推廣的沖擊發(fā)生器。第8頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.1基本Marx沖擊回路原理

R：充電電阻；

r：硅堆保護(hù)電阻，r=(10~20)R；C1~C4主電容； rd—阻尼電阻（阻尼波形振）幾~幾十Ω；g1:點(diǎn)火球隙； g2~g4：中間球隙； g0：隔離球隙；Rf：波頭電阻； Rt：波尾電阻；C0：被試及測量設(shè)備的電容第9頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.1.1并聯(lián)充電通過硅堆D，使C1～C4均充電到U；g1～g4球隙上電位差也為U，g0上無電壓；調(diào)節(jié)g1～g4球隙距離，使其放電電壓大于U；這是一個穩(wěn)定的并聯(lián)充電狀態(tài)。

第10頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.1.2串聯(lián)放電當(dāng)給點(diǎn)火球隙的針級送去脈沖電壓，引起點(diǎn)火球隙放電，于是C1的上極板經(jīng)g1接地；點(diǎn)1電位由0變?yōu)?U；C1、C2有電阻R隔離，R較大，在g1放電瞬間，點(diǎn)2點(diǎn)3電位不可能突然改變，點(diǎn)3仍為+U。g2上的電位差實(shí)上升為2U，g2放電，點(diǎn)2電位為-2U。同理，g3、g4也跟著放電；隔離球隙g0也放電，這時輸出電壓為C1～C4上電壓的總和，即-4U。通過一組球隙逐次順利完成串聯(lián)放電過程。第11頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

等效電路原理可概述為：電容并聯(lián)充電，串聯(lián)放電，而串聯(lián)放電的實(shí)現(xiàn)是靠一組球隙擊穿來達(dá)到的。Rf與波頭時間有關(guān)，稱波頭電阻；Rt與波尾時間有關(guān)，稱波尾電阻；第12頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

在球隙放電時，g1不放電其它球隙都不放電，一旦g1放電，則其它球隙順序逐個放電，滿足此條件，稱球隙同步好，否則同步不好。在串聯(lián)放電時，輸出電壓波形大致如下

第13頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.2雙邊充電的沖擊電壓發(fā)生器

要提高沖擊電壓發(fā)生器的輸出電壓有兩種途徑：1、提高充電電壓，但受電容器額定電壓的限制；2、增加級數(shù)，但級數(shù)多了會給同步帶來困難。

雙邊充電回路在不增加級數(shù)，在相同充電電壓下，輸出電壓增加一倍。第14頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.3沖擊電壓發(fā)生器的高效回路

只有一邊有R，另一邊由rf、rt兼作充電電阻，rf、rt分散在各級內(nèi)，無專門的rd，也無g0（隔離球隙），其充電原理與前述相同，串聯(lián)放電后的回路不同。第15頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.3沖擊電壓發(fā)生器的高效回路

沒有了專門阻尼電阻rd，C1上電壓全部加到rt上，（不象前述有分壓）所以輸出電壓較高，稱為高效率回路（同時rf也同樣阻尼了振蕩）。第16頁/共61頁2沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

2.4沖擊電壓發(fā)生器的技術(shù)特征指標(biāo)發(fā)生器的標(biāo)稱電壓主電容額定電壓與級數(shù)乘積，非最大輸出電壓；發(fā)生器的標(biāo)稱能量額定電壓下的總存儲能量；發(fā)生器的效率輸出電壓與各級充電電壓總和之比。第17頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)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，對高效回路Rd=0。放電等效電路拉普拉斯運(yùn)算電路第18頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.1基本分析由電路理論：其中：第19頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.1基本分析回路系數(shù)ξ與電路的形式和參數(shù)有關(guān)。反變換得：方程的根為：第20頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.1基本分析發(fā)生器放電電壓效率由得峰值時刻峰值波形系數(shù)第21頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.1基本分析（回路參數(shù)的查值計算）由得和的關(guān)系曲線通過Tt/Tm可求回路參數(shù)。第22頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.2簡化回路的近似分析在峰值處幾乎不變第23頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.2簡化回路的近似分析（波頭時間計算）第24頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.2簡化回路的近似分析（波尾時間計算、回路效率）回路效率在半峰處幾乎衰減為零。第25頁/共61頁3沖擊電壓發(fā)生器放電回路的數(shù)學(xué)分析

3.3考慮電感的簡化回路分析

在前述分析中，波尾的簡化公式與實(shí)際相符，而波頭與實(shí)測波前值差異較大，是由于回路電感所致。為獲得非振蕩波臨界阻尼波頭時間：，取臨界值，得第26頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路4.1幾種充電回路介紹

第27頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路1基本充電回路(a)特點(diǎn)：①放電時每個充電電阻止的電壓不超過電容器上的充電電壓，結(jié)構(gòu)簡單；②首、末電容器充電時間不一樣；③保護(hù)電阻r=10R。④只利用了T的半個周波（未充分利用T）4.1幾種充電回路介紹

第28頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路2、高效回路(b)rf+rt構(gòu)成充電電阻對雷電沖擊波，rf+rt<<R，所以充電時間比基本回路短。該回路效率高，但調(diào)波麻煩（所有rf、rt均改變）。3、倍壓充電的基本回路(c)

特點(diǎn)：變壓器輸出電壓為電容器C額定電壓的一半。硅堆耐壓、電流均減?。▽?shí)際中有使用）。4、雙邊充電回路(d)

特點(diǎn)：與單邊的回路比，倍數(shù)不增加，充電時間不增長，輸出電壓增加一倍，放電時，多數(shù)R上承受2U電壓。4.1幾種充電回路介紹

第29頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路6、多路充電回路(f)充電均勻性好（輸出電壓越高，級數(shù)越多，充電不均勻更突出），但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。7、帶旁接電阻的雙邊充電回路(g)特點(diǎn)：由于R的存在，使得末端電容充電時間減小。充電更均勻；但效電時，在隔離球隙末動作前，R上承受很高的電壓。8、帶氣動開關(guān)的操作沖擊高效回路(h)5、雙邊充電的高效率回路(e)變壓器T為雙套管，輸出電壓較高，效率較高。4.1幾種充電回路介紹

第30頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路

任何回路放電時，當(dāng)中間球隙動作后，主電容C是經(jīng)過充電電阻放電的，（C與R并聯(lián)）；為使這種放電不影響主回路放電效率，要求這種放電時間常數(shù)為10～20倍主回路放電時間常數(shù)。對雷電沖擊Tf較短，一般R在104級時，就能滿足要求；但操作沖擊，Tf較長，為滿足這種需求，勢必R↑，充電時間很長，充電很不均勻，效率很低。要求內(nèi)部放電時間常數(shù)為外部放電時間常數(shù)的10～20倍。從上述幾個回路分析看，充電時間是比較重要的，下面對其進(jìn)行簡要分析。4.1幾種充電回路介紹

第31頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路4.2充電時間分析

1、穩(wěn)態(tài)直流時的多段R、C充電把沖擊發(fā)生器的充電回路看成均勻線分析離充電變壓器最遠(yuǎn)一個電容器上的電壓，即x=0時的U（t）第32頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路4.2充電時間分析

2、考慮整流充電時的情況

整流充電：隨著電容器上電壓的升高，硅堆每半周導(dǎo)通的時間將越來越短，與穩(wěn)態(tài)直流充電情況完全不一樣。

普通充電回路的充電時間為

若穩(wěn)態(tài)充電：Uc/Um=0.9，t充=2.3RC；整流充電：t充=15RC。當(dāng)r≥10R，且級數(shù)不多時，一般取t充≈15rnC

。Ism：硅堆短時間內(nèi)允許通過的最大電流值；Um：整流電壓最大值。第33頁/共61頁4沖擊電壓發(fā)生器的充電回路4.3充電變壓器容量要求

單邊充電變壓器容量：雙邊充電變壓器容量：第34頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.1沖擊電壓發(fā)生器影響同步的主要因素同步的概念：沖擊電壓發(fā)生器并聯(lián)充電到U時，g1點(diǎn)燃后，g2、g3等由于出現(xiàn)自然過電壓而逐個擊穿最后使隔離擊穿，這個過程叫同步。

1、基本回路

當(dāng)點(diǎn)火脈沖使g1點(diǎn)燃后，Z點(diǎn)為0電位，Y點(diǎn)變?yōu)?U（0→+U），所以出現(xiàn)于g2上的自然過電壓為2U，但是由于x點(diǎn)的電位一方面受間隙g2的電容C2的影響，另一方面受充電電阻R的影響。g2上的電壓差比2U小。第35頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.1沖擊電壓發(fā)生器影響同步的主要因素1、基本回路①間隙g2電容C2的影響（假設(shè)R=∞）

當(dāng)C1+C3>>C2時，Ug2=2U，但C1、C3均為雜散電容，小于C2，所以自然過電壓倍數(shù)下降。C2：球隙g2電容C1：X點(diǎn)對地雜散電容C3：Y點(diǎn)對地雜散電容第36頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.1沖擊電壓發(fā)生器影響同步的主要因素②充電電阻R的影響Y、X點(diǎn)均要經(jīng)R放電，使Y、X點(diǎn)電位衰減，g2上自然過電壓下降。X點(diǎn)：經(jīng)R向Z點(diǎn)放電：TX=（C1+C3）RY點(diǎn)：經(jīng)R向W點(diǎn)充電：TY=（C1+C3）RR：104Ω，C1+C3約10-11～10-12F→T≈（0.01～0.1）10-6sTx、Ty同時作用，使得g2上的自然過電壓按時間常數(shù)衰減，這種衰減很快。而球隙放電要有一定時延，等到g2擊穿時，過電壓已衰減不少。所以綜合起來，g2的電容C2和R均使球隙上自然過電壓降低，影響同步。（R不能過大，否則，充電又不均勻）第37頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.1沖擊電壓發(fā)生器影響同步的主要因素2、高效回路③R·(rf+rt)的影響①g2的電容C2的影響②rf的衰減作用Y、X點(diǎn)在C2上建立過電壓，電阻rf電壓波有衰減和時延作用，所以實(shí)際Ug2比上式小。

所以Ug2比基本回路衰減更快，高效率回路的自然過電壓比基本回路低，同步性能不如后者。第38頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.2改善發(fā)生器同步性能措施

球隙放電具有分散性，一般認(rèn)為過電壓≥1.2倍時可以超過球隙的放電分散范圍。但是，因?yàn)槟壳案邊?shù)沖擊發(fā)生器多數(shù)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：①主電容C大，則雷電波產(chǎn)生電路rt?。ǜ焖p）；②負(fù)荷電容C0小，操作波時則必然rf↑，所以Ug2↓基本回路及其他回路也有同步困難的問題。第39頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.2改善發(fā)生器同步性能措施

1、利用適當(dāng)回路布置，增大自然過電壓②利用輔助回路改善同步①增大雜散電容提高同步第二級X點(diǎn)連Rg、Cg固定電位，相當(dāng)于前述C1↑，所以同步改善。第40頁/共61頁5沖擊電壓發(fā)生器的同步5.2改善發(fā)生器同步性能措施

2、改善觸發(fā)促使球隙放電①球隙形成一垂直線上；（前級放電的紫外線照射到后一級球隙，促使它放電，從而提高同步性能）②利用球隙的針極和球極的火花照射（圖5-32）；③球隙密封并加以壓縮氣體，減小放電分散性；④利用多極間隙球隙改善同步（圖5-34）

。第41頁/共61頁6沖擊電壓發(fā)生器的波形振蕩

了解rd、rf

的作用，基波三次諧波不振蕩的條件，了解短路法求發(fā)生器電感。開路法求對地雜散電容的方法及分壓器和發(fā)生器對地雜散電容的估算方法。自學(xué)，不作要求。第42頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)電性能要絕緣可靠（不發(fā)生閃絡(luò)或擊穿事故）。機(jī)械上要穩(wěn)定牢靠。除本身載荷外，要考慮地震，在露天的要考慮風(fēng)載。在保證絕緣和穩(wěn)定的前提下，結(jié)構(gòu)高度、底面積盡可能小?；芈繁M可能短，電感盡可能小?？紤]檢修、維護(hù)及調(diào)整時的方便與安全。一些需經(jīng)常調(diào)節(jié)的部分，應(yīng)易于接近。在較高電壓的沖擊發(fā)生器設(shè)計中，必須考慮電容器的拆裝起卸的方便與可能。增加試驗(yàn)時的靈活性，有可能方便地改變接法或更換元件來增減沖擊電容、輸出電壓式調(diào)節(jié)波形。7.1沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求第43頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.2沖擊電壓發(fā)生器的幾種結(jié)構(gòu)形式

1、階梯式利用水平方向的絕緣距離。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)高度較低，但占有較大的有效面積，需料多，連線長，電感大，技術(shù)性能較差，拆裝、檢修十分方便。（雙梯、多梯式稍好），目前這種結(jié)構(gòu)已很少采用。第44頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.2沖擊電壓發(fā)生器的幾種結(jié)構(gòu)形式

兩柱或三柱等絕緣柱搭成豎立的絕緣臺，電容器置于臺上。不少垂直空氣隙被電容器本體所占用，將使結(jié)構(gòu)高度較高，所以往往采用多柱將電容器分布在各柱上盤旋上升，使高度降低。特點(diǎn)：占地小，高度適中，拆裝檢修方便，不易受電容器形狀限制，是目前采用較多的一種結(jié)構(gòu)。2、塔式第45頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.2沖擊電壓發(fā)生器的幾種結(jié)構(gòu)形式

采用絕緣殼的電容器與相同直徑的絕緣筒交替迭裝成柱狀（可以為單柱、二、三柱等）特點(diǎn)：利用電容器外殼作為絕緣柱的一部分結(jié)構(gòu)緊湊外觀美觀，發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)比較高，但需特別的電容器，且若撤換底下電容器時十分不便。3、柱式第46頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.2沖擊電壓發(fā)生器的幾種結(jié)構(gòu)形式

4、圓筒式把電容器布置在一個成幾個迭裝的大圓筒內(nèi)，并充滿油（絕緣距離外）特點(diǎn)：尺寸小、連線短、移動方便、外觀好，技術(shù)性能比較高，但若筒中一電容器損壞，整個筒將不能使用。（這種結(jié)構(gòu)多為制造廠特制成套供應(yīng)）第47頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)1、對電容器的要求7.3沖擊電壓發(fā)生器的其它考慮問題固有電感要小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，采用油紙絕緣的脈沖電容器第48頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.3沖擊電壓發(fā)生器的其它考慮問題2、阻尼電阻、波頭、波尾電阻的要求電阻與波形有關(guān)，要求電感小，熱容量大，穩(wěn)定性高，所以采用康銅絲、錳銅絲或鎳絲按無感繞法做成。①無感繞法（圖5－45中，La>Lb>Lc）第49頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.3沖擊電壓發(fā)生器的其它考慮問題2、阻尼電阻、波頭、波尾電阻的要求②電阻的熱容量：發(fā)生器動作，試品不放電時，全部能量消耗在Rt中，要求△T≤150℃。試品放電時，全部能量消耗在波尾和波頭電阻。中，這時Rf與Rt并聯(lián)，計算Rf溫升應(yīng)扣除Rt的耗能。電阻長度：應(yīng)保護(hù)不發(fā)生沿面閃絡(luò)。第50頁/共61頁7沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)7.3沖擊電壓發(fā)生器的其它考慮問題2、阻尼電阻、波頭、波尾電阻的要求

對r、R的電感、穩(wěn)定性要求不高。常用鎳鉻絲繞電阻或水電阻。最嚴(yán)重情況，g1放電，其余間隙不放電。（左圖）③保護(hù)電阻r和充電電阻R的要求g1左邊電阻溫升最高，溫升為：θ1：C1能量消耗在R的溫升；k：發(fā)生器級數(shù)。第51頁/共61頁8產(chǎn)生截斷波的方法截斷波：在沖擊電壓作用下，絕緣發(fā)生破壞，沖擊電壓尾部電壓突然急劇降至零，這種沖擊電壓波叫截斷波。危害：截波陡度大，對電氣設(shè)備的匝間絕緣威脅很大，所以變壓器等設(shè)備在出廠前要進(jìn)行截波試驗(yàn)。第52頁/共61頁8產(chǎn)生截斷波的方法

在發(fā)生器和試品間并聯(lián)截斷間隙，按預(yù)定電壓調(diào)節(jié)間隙距離，發(fā)生器向試品送去全波，因間隙擊穿接地，試品上的電壓是一截波。截斷間隙是產(chǎn)生截波的重要設(shè)備。1、棒間隙為截斷間隙結(jié)構(gòu)簡單，但放電分散性太大，截斷點(diǎn)不穩(wěn)定，不能滿足要求。2、球間隙作截斷間隙放電分散性小，但截斷只能發(fā)生在波頭或波峰處（不可能在波尾）不能得到2～3μs截波。8.1產(chǎn)生截波的基本回路

第53頁/共61頁8產(chǎn)生截斷波的方法