冲击高压发生器

1、%20s50Tt %30s2 . 1Tf fT)tt (67. 1T12f tT国标规定：国标规定：%60s2500T%20s250Ttf 冲击电压的一般表达式：冲击电压的一般表达式： u u2 2= U= U1 1expexp（-t/-t/1 1）- exp- exp（-t/-t/2 2） 时间常数：时间常数：用用1 1和和2 2表达表达1.2/50s1.2/50s的雷电波：的雷电波：1 12 2 u u2 2的构成：的构成：u u2 2由两个指数分量选加构成由两个指数分量选加构成波形时间的确定：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。波前时间相对于波尾半峰值时间要短得多。波前

2、时间波前时间T Tf f基本上由较小的时间常数基本上由较小的时间常数2 2决定；决定；半峰值时间半峰值时间T Tt t基本上由相对大得多的时间常数基本上由相对大得多的时间常数1 1决定决定u u2 2=0.3U=0.3U2m2mu u2 2=0.9U=0.9U2m2m 0.3U 0.3U2 2m mU U2m2m1-exp1-exp（-t-t1 1/2 2） ，即，即expexp（-t-t1 1/2 2）0.70.7 0.9U 0.9U2m2mU U2m2m1-exp1-exp（-t-t2 2/2 2） ，即，即expexp（-t-t2 2/2 2）0.10.1由上两式可得由上两式可得t t2

3、 2t t1 12 2n7n7 ：因图中因图中OO1 1CFCF与与ABDABD相似，相似，故波前时间：故波前时间：T Tf f=(t=(t2 2t t1 1)/(0.9)/(0.90.3)0.3) 2 2n7/0.6n7/0.6 3.24 3.242 2 3.24R 3.24Rf fC C2 2 标准波定义 在在时，可近似地认为时，可近似地认为expexp（t/t/1 1）随时间）随时间t t几乎不变，且设其值恒定为几乎不变，且设其值恒定为1 1。即即 u u2 2UU1 111expexp（t/t/2 2） 其中充电时间常数其中充电时间常数2 2=R=Rf fC C2 2在在时，仍然考虑时

4、，仍然考虑1 12 2，到，到达半峰值时间时，双指数分量中的达半峰值时间时，双指数分量中的expexp（t/t/2 2）早已衰减到）早已衰减到接近零值，如图中双指数曲线所示。因此在确定半峰值时间接近零值，如图中双指数曲线所示。因此在确定半峰值时间T Tt t时，考虑到时，考虑到，不计及，不计及T Tf f的影响的影响认为认为 u u2 2UU1 1expexp（t/t/1 1） 其中放电时间常数其中放电时间常数1 1=R=Rt tC C1 1根据波形定义根据波形定义U U2m2m/2/2U U2m2mexpexp（T Tt t/1 1）故故 T Tt t=1 1n20.69n20.691 1

5、0.69R0.69Rt tC C1 1标准波定义 图示等值回路中，放电电阻图示等值回路中，放电电阻Rt，球隙，球隙g0放电后，电压放电后，电压u2上升。上升。2相当于充电时间常相当于充电时间常数。数。2=RfC1C2/（C1C2）Tf=3.24RfC1C2/（C1C2）因因C1C2，Tf3.24RfC2l电压电压u u2 2到达峰值到达峰值U U2m2m后，电容后，电容C C1 1和和C C2 2一起经过一起经过电阻电阻R Rt t放电。因一般放电。因一般C C1 1C C2 2，放电快慢主，放电快慢主要决定于要决定于C C1 1C2上电压u2的波形波前波前波尾波尾冲击电压发生器的基本原理冲击

6、电压发生器概念：冲击电压发生器概念：冲击电压发生器由一组冲击电压发生器由一组并联并联的储能高压电容器，自直流高压源的储能高压电容器，自直流高压源充电充电几十秒钟后，几十秒钟后，通过铜球突然经电阻通过铜球突然经电阻串联放电串联放电，在试品上形成陡峭，在试品上形成陡峭上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续时间以微秒上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十计，电压峰值一般为几十kVkV至几至几MVMV发明人：发明人：产生较高电压的冲击发生器多级回路，首产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德国人先由德国人E.E.马克思（马克思（E.MarxE.Marx）提出，为此他于）提出，

7、为此他于19231923年获得专利，被称为马克思回路年获得专利，被称为马克思回路单级冲击电压发生器回路放电时基本回路的等值回路2=（RdRf）C1C2/（C1C2）于是于是Tf=3.24（RdRf）C1C2/（C1C2）因因C1C2，Tf3.24（RdRf）C21(RdRt)(C1C2)（RdRt）C1Tt0.69(RdRt)(C1C2)Tt0.69（RdRt）C1T T：供电高压变压器；供电高压变压器；D D：整流用高压硅堆；整流用高压硅堆；r r：保护电阻，一般为几保护电阻，一般为几百千欧；百千欧；R R：充电电阻，一般为几充电电阻，一般为几十千欧；十千欧；rd:rd:每级的阻尼电阻；每级

8、的阻尼电阻；C C：每级的主电容，一般每级的主电容，一般为零点几个微法；为零点几个微法；CsCs：每级相应点的对地每级相应点的对地杂散电容，一般仅为杂散电容，一般仅为几个皮法；几个皮法；g g1 1：点火球隙；点火球隙；g g2 2g g4 4：中间球隙；中间球隙；g g0 0：隔离球隙；隔离球隙；“电容器并联充电，而后串联放电电容器并联充电，而后串联放电”电阻电阻R R的连接与隔离作用：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电容并联串联转换方法：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 杂散电容与同步：杂散电容与同步：实际上因杂散

9、电容Cs是很小的，所以各中间球隙，在放电前所作用到的过电压时间非常短促。为使诸球隙易于同步放电，在采用简单球隙的条件下，它们应排列成相互能够放电（紫外线）照射的状态。 阻尼电阻：阻尼电阻：为了防止杂散电感和对地分布的杂散电容引起高频振荡，或者说为了避免冲击波前不光滑，电路中分布放置了阻尼电阻rd，一般每级为525，其大小可通过实验决定。若级数为n，阻尼电阻的串联总值nrd称作为Rd。Rd也起着调节波前时间的作用，但在放电时它与Rt会造成分压，使输出的电压有所降低发生器电压效率的近似计算式为发生器电压效率的近似计算式为 CC1 1/ /（C C1 1C C2 2）RRt t/ /（R Rd dR

10、 Rt t） 放电时基本回路的等值回路这意味着输出电压这意味着输出电压u u2 2的的峰值峰值U U2m2m低于电容低于电容C C1 1上上的初始充电压的初始充电压U U1 1。它是。它是由于由于C C1 1与与C C2 2之间的分压之间的分压和和R Rt t与与R Rd d之间的分压造之间的分压造成的成的放电回路的RLC串联等效回路 在计算波前时间时，仍采用简化条件，在计算波前时间时，仍采用简化条件，认为认为Rt t，把回路电感，把回路电感L考虑进去，考虑进去，则放电回路将变为则放电回路将变为RLC串联回路串联回路如图所示。如图所示。其中其中R应为阻尼电阻应为阻尼电阻Rd d与波前电阻与波前

11、电阻Rf f之和。为获得非振荡冲击波，应使之和。为获得非振荡冲击波，应使假定是处于临界阻尼条件。经过简化假定是处于临界阻尼条件。经过简化计算，最终可得到：计算，最终可得到：波前时间波前时间T Tf f2.332.332 22.33RC2.33RC1 1C C2 2/ /（C C1 1C C2 2） 2121/2CCCCLR为什么不考虑为什么不考虑对波尾时间对波尾时间T Tt t的影响？的影响？冲击电压发生器高效回路接线 r rf f：每级的波前电阻，一般约每级的波前电阻，一般约几十欧；几十欧；r rt t：每级的放电电阻，通常约每级的放电电阻，通常约几百欧；几百欧；C C2 2：负荷电容，其值

12、不仅取决负荷电容，其值不仅取决于试品，而且与调波相关。于试品，而且与调波相关。一般处于几百皮法至几个一般处于几百皮法至几个纳法间纳法间T T：供电高压变压器；供电高压变压器；D D：整流用高压硅堆；整流用高压硅堆；r r：保护电阻，一般为几百千欧；保护电阻，一般为几百千欧；R R：充电电阻，一般为几十千欧；充电电阻，一般为几十千欧；C C：每级的主电容，一般为零点几个微法；每级的主电容，一般为零点几个微法；CsCs：每级相应点的对地杂散电容，一般仅为每级相应点的对地杂散电容，一般仅为几个皮法；几个皮法；g g1 1：点火球隙；点火球隙；g g2 2g g4 4：中间球隙；中间球隙；g g0 0

13、：隔离球隙；隔离球隙；通用的高通用的高效回路效回路冲击电压发生器回路接线 等值电路双边充电的冲击电压发生器回路 双边充电回路：双边充电回路：发生器采用发生器采用波前电阻和放电电阻集中放置波前电阻和放电电阻集中放置的方式。图示为两个半波直流充电电路的方式。图示为两个半波直流充电电路双边充电的冲击电压发生器回路波前波前电阻电阻波尾波尾电阻电阻充放电充放电过程？过程？双边充电的冲击电压发生器回路高效冲击电压发生器回路接线 高效回路的概念：高效回路的概念：高效高效回路中，分布放置的波回路中，分布放置的波前电阻前电阻r rf f，兼起着阻尼，兼起着阻尼电阻的作用，输出电压电阻的作用，输出电压相对比双边充

14、电回路高，相对比双边充电回路高，称为高效回路称为高效回路双边充电与高效充电的冲击电压发生器回路的区别 基本回路的分析基本回路及其放电时等值电路放电时基本回路的等值回路双边充电的冲击电压发生器回路主电容主电容C C1 1上的初始充电电压为上的初始充电电压为U U1 1拉氏转换的运算电路拉氏转换的运算电路输出电压：输出电压：U U2 2（s s）U U1 1d/d/（S S2 2+aS+b+aS+b） 放电时基本回路的等值回路放电时的运算电路 放电时的运算电路式中：式中：b=1/b=1/C C1 1C C2 2(R(Rd dR Rt t+R+Rd dR Rf f+R+Rf fR Rt t) ) a

15、=a=C C1 1(R(Rd d+R+Rt t)+C)+C2 2（R Rt t+R+Rf f) )bb d=C d=C1 1R Rt tbb输出电压：输出电压：U U2 2（s s）U U1 1d/d/（S S2 2+aS+b+aS+b）u u2 2(t)=U(t)=U1 1expexp（s s1 1t t）expexp（s s2 2t t） s s1 1、s s2 2为方程为方程s s2 2+as+b=0+as+b=0的两个根的两个根从根和系数的关系可知从根和系数的关系可知s s1 1ss2 2=b =b ； s s1 1 + s + s2 2= = a a或baaSS2212/2/,回路系

16、数：回路系数：=d/(s=d/(s1 1s s2 2)=R)=Rt tC C1 1S S1 1S S2 2/(s/(s1 1s s2 2) )令du2/dt=0，可求得u2达到峰值U2m时的时间tm:dudu2 2/dt=U/dt=U1 1ss1 1expexp（s s1 1t tm m）s s2 2expexp（s s2 2t tm m）=0=0t tm m=ln ln(s(s1 1/s/s2 2)/(s)/(s2 2s s1 1) )U U2m2m=U=U1 1expexp（s s1 1tmtm）expexp（s s2 2t tm m）=U=U1 10 0波形系数：波形系数：0 0expe

17、xp（s s1 1t tm m）expexp（s s2 2t tm m）电压效率：电压效率：=U=U2m2m/U/U1 1=0 0u u2 2(t)=U(t)=U1 1expexp（s s1 1t t）expexp（s s2 2t t） 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，其相应当冲击波形以双指数波来代表时，在波形确定后，其相应的的s s1 1、s s2 2、t tm m和波形系数和波形系数0 0 也就确定了也就确定了例：例：两种标准冲击波的特性参数：两种标准冲击波的特性参数：1.2/50s1.2/50s标准雷电冲标准雷电冲击波和击波和250/2500

18、s250/2500s标准操作冲击波的各个参数值标准操作冲击波的各个参数值波形波形（ss1 1）S S1 1（ss1 1）S S2 2（ss1 1）t tm m（ss）0 01.2/501.2/500.0146590.0146592.46892.46892.0892.0890.96410.9641250/2500250/25003.16963.169610104 40.01600.0160250.0250.00.90550.9055雷电冲击波：雷电冲击波：输出电压峰值设为单位值输出电压峰值设为单位值（t t用用ss作为单位），则作为单位），则u u2 2(t)=1.03725exp(t)=1.0

19、3725exp（0.014659t0.014659t）expexp（2.4689t2.4689t） C C2 2值的确定：值的确定：当试品确定之后，当试品确定之后，C C2 2值可以确定。对于电容值可以确定。对于电容量小的试品，往往设置一调波电容，由它的大小来决定量小的试品，往往设置一调波电容，由它的大小来决定C C2 2的数值。为使电压效率的数值。为使电压效率不致太低，一般不致太低，一般C C1 110C10C2 2。回路电阻、回路电阻、0 0、 和和的计算：的计算：产生产生1.2/50s1.2/50s或其它或其它冲击波形时，可从有关资料查出或算出冲击波形时，可从有关资料查出或算出s s1

20、1及及s s2 2值，于是可值，于是可以计算出回路的各个电阻值和波形系数以计算出回路的各个电阻值和波形系数0 0、回路系数、回路系数、电压效率电压效率等。等。充电电压：充电电压：试验所需的试验所需的U U2m2m确定后，可算出充电电压确定后，可算出充电电压U U1 1。标称电压：标称电压：冲击电压发生器的名义电压称为标称电压冲击电压发生器的名义电压称为标称电压U U1n1n标称能量：标称能量：冲击电压发生器的标称能量为：冲击电压发生器的标称能量为： W Wn n=C=C1 1U U1n1n2 2/2/2多数发生器的多数发生器的W Wn n达几十至几百千焦达几十至几百千焦 冲击波形的确定 冲击电

21、压发生器放电回路计算举例 例题例题 设置一台冲击电压发生器，要求它能满设置一台冲击电压发生器，要求它能满足足110 kV110 kV电瓷产品的雷电冲击放电及耐压试验之电瓷产品的雷电冲击放电及耐压试验之用。请选择它的额定电压用。请选择它的额定电压U UN N，冲击电容量，冲击电容量C C1 1，初，初步确定负荷电容步确定负荷电容C C2 2，计算波前电阻，计算波前电阻R Rf f，放电电阻，放电电阻R Rt t，电压效率电压效率和额定容量和额定容量W WN N等。等。 题解题解 放电电压的确定：放电电压的确定：国家标准规定国家标准规定110 kV110 kV电瓷产品电瓷产品的雷电冲击耐受电压为的

22、雷电冲击耐受电压为450 kV450 kV。放电电压值与电瓷类别相。放电电压值与电瓷类别相关，一般而言关，一般而言850 kV850 kV。所以实际产生的电压按。所以实际产生的电压按900 kV900 kV考考虑。电压效率初步考虑为虑。电压效率初步考虑为0.850.85，则额定电压约为，则额定电压约为1060 kV1060 kV。考虑尽可能不在额定电压下频繁放电，以延长其使用寿命，考虑尽可能不在额定电压下频繁放电，以延长其使用寿命，同时也考虑偶尔有特殊产品试验的需要，所以额定电压取同时也考虑偶尔有特殊产品试验的需要，所以额定电压取为为1200 kV1200 kV。陡度的确定：陡度的确定：对于线

23、路用合成绝缘子的冲击陡波放电试验，对于线路用合成绝缘子的冲击陡波放电试验，要求波前陡度达要求波前陡度达1000 kV /1000 kV /s s，由于绝缘子允许分段进行，由于绝缘子允许分段进行试验，这样的额定电压值也完全能够满足要求了。试验，这样的额定电压值也完全能够满足要求了。负荷电容的确定：负荷电容的确定：电瓷产品本身的电容量很小，负荷电容电瓷产品本身的电容量很小，负荷电容主要是阻容分压器及发生器本身的杂散电容所构成的。选主要是阻容分压器及发生器本身的杂散电容所构成的。选择低阻尼阻容分压器的电容为择低阻尼阻容分压器的电容为300 pF300 pF，其它杂散电容及试，其它杂散电容及试品电容考

24、虑为品电容考虑为200 pF200 pF，所以总的负荷电容，所以总的负荷电容C C2 2约为约为500 pF500 pF充放电回路主电容的确定：充放电回路主电容的确定：仅从电压效率考虑仅从电压效率考虑C C1 1达达5 510 10 nFnF就足够了。但为了增强放电效果，就足够了。但为了增强放电效果，C C1 1选择为选择为20 nF20 nF高效回路回路级数的确定：回路级数的确定：采用如图所示高效回路。假设每级电容采用如图所示高效回路。假设每级电容的额定电压为的额定电压为200 kV200 kV，则共需，则共需6 6级。每级的电容级。每级的电容C C的电容量的电容量为为0.12 0.12 F

25、 F回路参数的确定（两种计算方法均可）:1. 1. 根据二阶阻容放电回路计算根据二阶阻容放电回路计算R Rt t，R Rf f及及和和2. 2. 放电回路的近似计算放电回路的近似计算额定电压：额定电压：1200 kV1200 kV；负荷电容：；负荷电容：500 pF500 pF；主电容；主电容C1C1：20 nF20 nF1. 根据二阶阻容放电回路计算Rt，Rf及和查表可知查表可知1.2/50 1.2/50 s s下的下的S S1 1、S S2 2及波形系数及波形系数0 0 。b bS S1 1S S2 20.036190.03619s s2 2a a（S S1 1S S2 2）2.48362

26、.4836s s1 1根据根据b b1/1/（C C1 1C C2 2R Rf fR Rt t），），b b，C C1 1，C C2 2均已知，可得均已知，可得 R Rf fR Rt t2.76322.76321061062 2 （1 1）根据根据a/ba/bC C1 1R Rt tC C2 2（R Rt tR Rf f），代入诸已知值，可得），代入诸已知值，可得 R Rt t3347.63347.60.024390R0.024390Rf f （2 2）为避免两大数相减所引起的计算误差，宜先通过（为避免两大数相减所引起的计算误差，宜先通过（1 1）及）及（2 2）式求出）式求出R Rt t值。

27、值。计算时注意，在解二次方程的根时，抛去计算时注意，在解二次方程的根时，抛去R Rt t的一个小数值的一个小数值解，只取合理的大数值解。最后可得解，只取合理的大数值解。最后可得R Rt t3347.63347.6。每一。每一级中的级中的放电电阻放电电阻r rt tRRt t/6/6557.9557.9。于是可得于是可得R Rf f786.2786.2。每级的。每级的r rf fR Rf f/6/6131131。回路系数回路系数 RCRC1 1S S1 1S S2 2/ /（S S1 1S S2 2）0.98730.9873电压效率电压效率 0 00.98730.98730.9641=0.95190.9641=0.9519额定电压：额定电压：1200 kV1200 kV；负荷电容：；负荷电容：500 pF500 pF；主电容；主电容C1C1：20 nF20 nF2. 放电回路的近似计算放电电阻的计算：放电电阻的计算：根据根据T Tt t0.690.69（R Rd dR Rt t）（）（C C1 1C C2 2）R