冲击电压发生器的设计
第7章 冲击电压发生器
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
高频振荡冲击电压发生器设计与分析
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｉ ｍ ｐｕｌ ｓ ｅ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｆｒ ｅ ｑｕ ｅ ｎｃ ｙ
Ｚ ＨＡＮ Ｇ Ｊ ｕ ｎ — ｐ ｉ ｎ ｇ ，Ｌ Ｉ Ｓ ｈ ａ ｎ，Ｇ Ｕ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｃ ＡＯ Ｘｉ ａ ｏ — ｑ ｉ ｎ，Ｗ Ｕ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ — ｎ ａ ｎ
（ 重庆理工大学 电子信息与 自动化学院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ５ ４ ）
摘 要： 介 绍 了一种 简单 易行 的 高压 直 流脉 冲 冲击 电压 发 生 器的基 本 原 理 和技 术 方案 ， 通
过 对 Ｍａ ｒ ｘ电容 回路 进 行 充 电而达到 电压倍 增的 目的。在 设计 过程 中针 对 不 同级 别 的放 电现 象
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｓ ａ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｏ ｆ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｉ ｍｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｏ ｍｅ ｅ ｔ Ｍａ ｒ ｘ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｄ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｕ １ ．
第２ ８卷 第 ３期
Ｖｏ １ ．２ ８ Ｎｏ． ３
重 庆 理 工 大 学 学 报（ 自然科 学）
500kV紧凑型冲击高电压发生器的设计
１ 基 本 原理
研 制 的 冲击 电压 发生 器主要 组成 部分 如 图 １ 所示 。 它采用 正 负 双边 充 电形 式 Ｍａ ｒ ｘ结 构 ， 其 主体 结 构 由调压 器 。 、 升 压变 压器 、 限流 电阻 Ｒ 和 Ｒ ： 、 高压 硅堆 Ｄ 和Ｄ ： 、 充 电电阻 Ｒ ～尺 、 脉 冲 电容器 ｃ ｃ 、 接地 电阻 尺 ～Ｒ 卟场 畸变开 关 Ｇ ～Ｇ 及 其它 相关触 发 电路组 成 。 Ｍａ ｒ ｘ发生 器基 本工 作 原 理 简单 概 括 为 “ 并 联 充 电， 串联放 电” ， 简化 的工作 过 程 如下 ： 初 始 储 能 电容
文章 编 号 ： １ ０ ０ ５—２ ９ ９ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ ／ ０ ２—０ ０ ６ ２一 Ｏ ３
５ ０ ０ ｋ Ｖ紧凑 型 冲击 高 电压 发 生器 的设 计
蔡 新景 ， 常树 生 ， 孙 悦 ， 陈承 伟 ， 王 凯奇
（ 东北电力 大学 电气工程学 院 ， 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ １ ２ ）
摘
要： 为了研究大气压下绝缘沿面闪络外特性 ， 设计 出一 台 ５ ０ ０ ｋ Ｖ ｎ ｓ 量级 上升沿高 电压 脉冲发
生器 。它采用正负双边充 电的 Ｍａ ｒ ｘ 结构 ， 包括 ６个 ７ ２ ｎ Ｆ ／ １ ０ ０ ｋ Ｖ的脉 冲电容器和 ３个场 畸变 开关。为 了减小 回路 电感 ， 它采用紧凑型结 构。计算 和仿 真结果表 明 ， 当充 电电压 为 ８ ０ ｋ Ｖ时 ， 开 路输 出高 压脉 冲幅值为 ４ ６ ０ ｋ Ｖ， 上 升时间约为 Ｉ Ｉ ｎ ｓ ， 满足沿面放 电实验要求 。 关 键 词－ Ｍａ ｒ ｘ发生器 ； 场 畸变开关 ； 沿面闪络
文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ： Ｔ Ｍ ７ ３ ３
马克思发生器(Marx发生器、多级冲击电压发生器)的原理简介与制作教程
在第1级中g0为点火间隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间间隙，它们调整在g0起动后逐个动作。
这些间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。平龙认工作室·天狼晓月
通常情况下，Marx发生器的输出电压取决于电源电压（高压电源的电压）、点火间隙的极间距离、级数（即电容个数）。
制作Marx发生器的元件选择
天狼晓月自注：由于本文是天狼晓月誊写的文章，以下选材的说明为客观说明，但所选择的元件为平龙认工作室有售的最合适元件，并不是说您必须选择我们工作室的元件，您也可以按照元件的要求，在本地市场就近购买或在网络上选择您认为更合适的元件。
马克思发生器（Marx发生器、多级冲击电压发生器）的原理简介与制作教程
天狼晓月
平龙认工作室
2011年7月2日 1.0版（点击察看是否有更新）
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本文章部分原理资料参考中国电力出版社出版的《高电压技术》（第二版）。
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需要注意的一点是，不要把大红袍电阻（即表面涂红色油漆的电阻）作为高压电阻来使用，大红袍电阻为计划经济时代不惜工本的精品之作，请注意此类电阻的颜色并不是鲜红的而是很黯淡的红色，这并不是长期存放造成的，而是大红袍电阻的工艺所决定的，此类电阻生产出来后要在指定温度的烘箱内老化烘烤数天待参数稳定后方可出厂，红色的黯淡即此老化工艺所致。大红袍是国内早期的产品，90年代之后即已经不再生产（因新的国标已经制定）。而现在有不少厂家为了傍上大红袍的口碑，做出来的电阻刷上红油漆然后就卖很高的价格，这样的电阻仅仅是红色好看而已，并没有大红袍所具备的特性和优点。大红袍电阻中有高压电阻，这类高压电阻电阻体上标有耐压数值，例如3KV/5KV/8KV等字样。电阻体上未标明耐压的大红袍，只是普通大红袍电阻，并非高压电阻。另外一定要注意有新产品傍大红袍这个名字制作徒有其表的电阻，这类新产品建议不要选用。
高电压技术课程设计——冲击电压发生器的设计 精品
高电压技术课程设计——冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院冲击电压发生器的设计电力系统种的高压电气设备，除了承受长时期的工作电压外，在运行过程种，还可能会承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。
一般用冲击高压试验来检验高压电气设备的雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能。
雷电冲击高压试验采用全波冲击电压波形或截波冲击电压波形，这种冲击电压持续时间较短，约数微秒至数十微秒，它可以由冲击电压发生器产生；操作冲击电压试验采用操作冲击电压波形，其持续时间较长，约数百微秒至数千微秒，它利用变压器产生，也可利用冲击电压发生器产生。
许多高电压试验室的冲击电压发生器既可以产生雷电冲击电压波，也可以产生操作冲击电压波。
冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置。
雷电冲击电压波是一个很快地从零上升到峰值然后较慢地下降地单向性脉冲电压。
一.设计目标：输出波形为1.2/50μs标准波形，回路采用高效率回路，输出电压为300～800kV，发生器级数为4～8级。
二.设计过程：1．试品电压等级的确定表1.冲击电压发生器标称电压与被测试设备额定电压间关系试品额定电压/ kV 35 110 220 330 500冲击电压发生器标称电压/ MV0.4～0.6 0.8～1.5 1.8～2.7 2.4～3.6 2.7～4.2要求的输出电压为300~800kV，根据上表，可以暂定试品的电压等级为66kV。
根据66kV设备雷电冲击耐受电压(峰值)表，可知变压器类设备的内绝缘的耐受电压最高，为385kV，击穿电压和闪络电压都高于试验电压，考虑为研究试验取裕度系数1.3；长期工作时冲击电压发生器会发生绝缘老化，考虑老化系数取1.1；假定冲击电压发生器的效率为85%，故冲击电压发生器的标称电压应不低于：1385 1.3 1.1/0.85647U kV kV =⨯⨯=所以可取冲击电压发生器的标称电压为660kV2．冲击电容的选定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 ，冲击电压发生器的对地杂散电容和高压引线及球隙等的电容如估计为500pF ，电容分压器的电容如估计为600pF ，则总的负荷电容为2(1000500600)2100C pF pF =++=如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为121021000C C pF ==从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY110—0.2瓷壳高压脉冲电容器比较合适，这种电容器的规格如表3所示。
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。
华科——高电压测试研究生课程大作业(冲击电压发生器设计)
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名**考生学号****系、年级*************类别硕士考试科目高电压测试技术考试日期2012年12 月15 日目录一、设计要求................................................................................. - 1 -二、冲击电压发生器的设计 .......................................................... - 1 -2.1原理分析 (1)2.2、设计回路图 (3)2.3、参数计算 (4)2.3.1、负荷电容，冲击电容的选取以及效率的估算 ....................................- 4 -2.3.2、波头电阻，波尾电阻，充电电阻，保护电阻的选取 ........................- 6 -2.3.3、试验变压器的选择 ................................................................................- 7 -2.3.4、硅堆选择 ................................................................................................- 9 -2.3.5、球隙的选择 ......................................................................................... - 10 -2.3.6、绝缘支撑件的选择 ............................................................................. - 11 -2.3.7、固有电感的估算 ................................................................................. - 11 -三、仿真实验及结果 ................................................................... - 13 -3.1、不考虑杂散参数的仿真 ........................................................................ - 13 -3.2、考虑杂散参数的仿真 ............................................................................ - 14 -3.3、对参数进行改进 .................................................................................... - 17 -四、测量系统设计 ....................................................................... - 18 -4.1分压器选型、参数与结构设计，电缆以及匹配阻抗的选择 (18)4.2考虑高压引线的影响 (21)4.3测量仪器的选择 (21)五、冲击电压发生器以及测量系统的总体结构.......................... - 22 -六、设计小结............................................................................... - 22 -一、设计要求设计一个标称电压为1500KV的冲击电压发生器及其测量系统，并且满足以下要求：1.产生1.2/50us的标准雷电冲击波；2.冲击电压发生器中计算所用元器件的参数，进行结构设计及杂散参数分析；测量系统中的结构设计、参数、分压器选型选取；3.考虑杂散参数的仿真分析及参数改进；二、冲击电压发生器的设计2.1 原理分析电力系统中的电力设备除了要承受正常情况下的工作电压以外，还要考虑在雷电冲击波作用下的承受能力，以应对环境变化所带来的影响。
冲击电压发生器的MathCAD程序设计
6．硅堆选择
3 Uc 10
短时最大电流： Imax:= 1.1 Rb
Imax = 0.303
Imax If :=
额定整流电流：
2 30
If = 0. 055
硅堆反峰电压： Uf := 2. 1Uc Uf = 231
G(Uf ,If ) := cur ve ←
i ←0
j← 0
f or j ∈0.. 23
62
7．变压器的容量：P := 2.5 K C 10 Uc
t
P = 5.042×10 3
变压器电压有效值： Uvt := 0.8Uc Uvt = 88
变压器选择全绝缘变压器，100 kV，10 kVA 容量即可。
8．球隙参数选择
ф2 50 m m 球 隙在 距 离为 45 m m 时放 电 电压 为
PP0 ,i ← Uc
PP1 ,i ← cu rve1 , j
PP ← K 2 ,i
i ←i+ 1
PP
110 220 C(600, 0.0034) = 0.2 0.1
63
图 1 冲击电压发生器原理图 其中：C 0- 主电容，G- 隔离间隙，Rf-波前电阻， R t -波尾电阻，C f - 波前电容，C x-被试品 Ma th C AD 程序设计的算例参数要求： 电 压 等 级 6 00 k V， 波 形 参 数 1.2 / 5 0 μs ， 试 品 电 容 4 00 PF ，效率η=8 5%。 二、冲击电压发生器的 Mat hCAD程序设计 Ma th C AD 是大家熟知的数学计算软件，该软件对解决 需要反复调试 参数的计算问题很直观方便 。其中的校核程序 和查表程序还 可以很大程度上提高设计过 程的自动化程度。 对不同的方案 ，设计人员一般只需修改初 始值和几个重定义 值，就可以得 到新的设计结果，程序设计 的通用性比较好。 以 6 00 kV 冲击电压发生器为例，其 M a th C AD 程序设计如 下： 1．脉冲电容器的选择 冲击电压发生器的额定电压：U1 :=6 60 波前电容：C 2:= 0.0 03 4
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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。
每级由2个电容器并联，使冲击电容
C1=（2*0.2/8）= 0.05μF
冲击电压发生器主要参数： 标称电压：U1=110*8=880 kV 冲击电容：C1=0.05 μF
负荷总电容：C2=0.0021 μF
2、等效电路图如下
图 2 发生器的充电回路
图3 简化等效图
图4 C2电压波形图
三、程序设计
1、源程序
Rd=10;
Rf=326.92;
Rt=890.14;
C1=5e-8;
C2=2.1e-9; U1=880000;
A=1/(C2*C1*(Rd*Rf+Rd*Rt+Rf*Rt)) ; A1=A*(C1*(Rd+Rt)+C2*(Rf+Rt)); A2=A;
B=A*Rt*C1; num=[B*U1]; den=[1 A1 A2]; U2=tf(num,den); impulse(num,den); grid on
2、图形如下
图表 5 C2电压波形图
四、冲击电压发生器的效率
根据公式，η=C1/(C1+C2)=0.05/0.0521=0.9597 此值比原估计的效率高，所以所选电容是合适的。
五、各参数对波形的影响
由Tf=3.24(Rd+Rf)C1C2/(C1+C2)和Tt=0.693(Rd+Rt)(C1+C2)可以看出，
① 当Rd （或Rf 或Rt ）增大，其他不变的时候，Tf 和Tt 都会增大，波头会往后移，波头后部分曲线也会后移。
②当C1（或C2）增大，其他不变时，Tf 回增大，Tt 会减小，故波头会往后移，但波头后部分曲线会往前移。
x 10
-4
5
C2时间 (sec)
电压。