冲击电压发生器仿真设计
冲击电压发生器虚拟仿真实验
冲击电压发生器虚拟仿真实验
孙建军;孙长海;张颖杰;巴宇;王宁
【期刊名称】《实验室科学》
【年(卷),期】2022(25)2
【摘要】冲击高电压试验设备的特点是:电压等级高、实验空间大,投入的经费较多。
同时考虑到实验过程中的学生人身安全性问题,因此采用虚实结合的教学方式完成
了冲击电压发生器的实验教学。
介绍了冲击电压发生器虚拟仿真实验项目的建设过程。
项目实现了实验前的原理预习,安全知识学习,实验中的操作步骤详细模拟,以及为提高学生的综合能力而开发的虚拟设计环节。
通过虚拟仿真实验教学,加深了学
生对于冲击电压发生器基本原理的理解,熟练了操作过程。
实验的安全性得到了保证,提高了学生分析问题、解决问题的能力。
【总页数】4页(P64-67)
【作者】孙建军;孙长海;张颖杰;巴宇;王宁
【作者单位】大连理工大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.小型化冲击电压发生器教学实验装置
2.冲击电压发生器充电不均匀度的仿真和实验分析
3.冲击电压发生器波形和参数的计算模型与仿真
4.混凝土放电破坏实验中
冲击电压发生器的应用研究5.基于Multisim仿真的单极冲击电压发生器研究
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冲击电压发生器的设计
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。
冲击电压发生器
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 。
多级冲击电压发生器的设计
多级冲击电压发生器的设计Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT高电压课程设计多级冲击电压发生器的设计电气与电子工程学院指导老师：戴玲2010年3月1日一、设计任务：设计一高效多级冲击电压发生器，使其输出标准冲击电压波形（即50u s），电压等级为330k v-800k v,级数为3级以上。
二、额定电压的选择：为确定所要设计的冲击电压发生器的电压等级，需首先明确冲击电压发生器电压等级与所测试品电压等级的关系（见下表）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的关系根据设计要求的输出电压为300-800kV，根据上表，可以假定试品的电压等级为66kv。
2.额定电压的确定：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；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；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额定电压应不低于：由此确定冲击电压发生器的为660k v。
三、冲击电容的选择：将试品电容估算为900p F，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算为500p F，电容分压器的电容估算为600p F，则总的负荷电容：C2≈900+500+600=2000（p F）按冲击电容为负荷电容的10倍估算，则冲击电容10000p F=5C2<C1<10C2=20000（p F）从国产脉冲电容器的产品规格中找到型高压脉冲电容器比较合适，具体参数和规格如下表：表二：型号额定电压kv标称电容uF外形尺寸mm重量kg110kvΦ635×495 瓷壳235选用此种型号电容器时，可以将所要设计的冲击电压发生器做成110k v一级，共6级（其中每级电容用两个电容串联组成，这样即可同时满足此冲击电压发生器额定电压和冲击电容的要求）。
冲击电压发生器的原理、试验及设计
冲击电压发生器的原理、试验及设计摘要:电力系统内的发，供，用电设备除了长期在额定电压下运行之外，还必须具备在过电压下的绝缘强度。
过电压是指超过正常运行电压，它是电器设备或保护设备损坏的电压升高。
在电力系统各种事故中，很大一部分是由于过电压造成设备的绝缘损坏引起的。
当绝缘油缺陷时，若不及时排除，最终将导致设备损坏，而高电压试验的目的就是通过一定的手段，依靠仪器设备，采用模拟的方法检验电气设备绝缘性能的可靠程度。
而冲击电压试验是针对电力系统外部过电压而对绝缘材料进行的一项电气试验，所进行的雷电试验及操作波试验能有效的模拟电力系统的外部过电压，对电气绝缘设备在电力运行中的过压能力能够有效的得到预防和检验。
关键词：高电压试验冲击电压发生器【ABSTRACT】：The electricity generation equipment, power supply equipment and consuming equipment of electrical system must base on the over-voltage insulating strength, as well as under long-time routine voltage service. Over-voltage is more than the normal operating voltage, which is damage to electrical equipment or protective equipment during increases the voltage. A variety of accidents in the power system, a large part was caused by the over-voltage insulation damage. If not immediately removed, the equipment will be damaged at last when the insulating oil appears defects. And that the purpose of high voltage testing will be using the simulation method to check the insulation reliability of electrical equipment.The impulse voltage test is for external over-voltage power system while an electrical insulating material testing, which is for the service pressure of electric power equipment can be effectively prevented and testing【KEY WORDS】High voltage test Impulse voltage generator目录1 绪论 (3)1.1冲击电压发生器的发展历史和现状 (3)1.2冲击电压发生器在电力系统中的应用 (3)2 冲击电压发生器的原理及结构 (4)2.1冲击电压波形 (4)2.2冲击电压发生器的原理 (5)2.3冲击电压发生器的结构 (6)2.4冲击电压发生器的接线方式 (8)2.5冲击电压试验系统的接线联线方式 (10)3 冲击电压发生器的设计 (14)3.1冲击电压发生器的标称电压的选择 (14)3.2冲击电压发生器的脉冲电容的选择 (14)3.3冲击电压发生器的容量的确定 (15)3.4回路选择 (15)4 冲击电压发生器在高电压试验中的应用 (16)4.1绝缘材料的雷电过电压耐受性能试验 (16)4.2绝缘材料的操作过电压耐受性能试验 (17)4.3 绝缘材料的陡波冲击电压试验 (17)参考文献 (17)一绪论1.1冲击电压发生器的发展历史和现状冲击电压发生器通常都采用Marx充放电回路，马克思发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出。
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。
最新冲击电压发生器的设计电气0705 杨军
冲击电压发生器的设计电气0705杨军电气学科大类2007级《高电压》课程设计（冲击电压发生器的设计）姓名：杨军学号：U200712316专业班号：电气0705班评阅人：指导教师：戴玲日期：2010.03.12目录一·冲击电压发生器的功用及原理。
3二·设计目标。
4 三·设计步骤。
4 四·设计总结。
13 五·参考资料。
14 六·附录。
15一·冲击电压发生器的功用及原理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，近年来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。
所以对冲击电压发生器的要求，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，还与波形陡度有关，对某些设备要采用截断波来进行试验。
冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万到几百万伏的电压，同时这电压要具有一定的波形。
它的原理图如下：实验变压器T和高压硅堆D构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1 —C4 充电，充电到U，出现在球隙g1—g4上的电位差也为U，若事先把球间隙距离调到稍大于U，球隙不会放电。
当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮只见产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为-U。
电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为+U，中间球隙g2上的电位差突然升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为-2U。
同理，g3，g4也跟着放电，电容器C1—C4串联起来了，最后球隙g0也放电，此时输出电压为C1—C4上电压的总和，即-4U。
上述一系列过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”二.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。
(完整word版)冲击电压发生器仿真设计
冲击电压发生器仿真设计一、设计目的1.理解冲击电压发生器的工作原理和绝缘冲击试验的内容；2.掌握冲击电压发生器的设计方法和matlab仿真软件的使用；3.学习分析冲击电压发生器充电回路的效率及波形参数。
二、设计要求1.设计一台冲击电压发生器，产生冲击电压波。
冲击波形的参数：波前时间为2.0us，半峰值时间为36us；试品电压等级110kV。
2.参考《高电压试验技术》（清华大学版）。
三、设计任务1.画出电路设计原理图选用高效率双边对称充电回路，如图3、4所示图3 发生器的充电回路图4 发生器的放电回路2.确定各元件参数2.1额定电压的选择：110kV产品的雷电冲击试验电压如表所示（按GB311.1-1997）表1 110kV产品的雷电冲击耐受电压上表所示的都是耐受电压。
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U1=550×1.3 ×1.1 /0.85kV=925.3kV2.2冲击电容的选择：如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验和互感器试验，就绝缘子的电容按100pF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 ,电容分压器的电容估计为600pF，则总的负荷电容为C2=100+500+600=1200pF如按冲击电容为负荷电容的10倍来估计，约需冲击电容为C1=10C2=12000pF2.3电容量的选择：从国产脉冲电容器的产品规格中找到MY220-0.1瓷壳高压脉冲电容器比较合适，电容器规格如下表2表2用此电容器5级串联，标称电压可达到1100 kV ，基本上满足前述需要。
每级由两个电容器串联，使冲击电容C 1=0.1/5=0.02μF此值＞10C 2 可使（电压）效率不致很低。
2.4冲击电压发生器主要参数：标称电压 1=22051100U k ⨯=冲击电容 10.02C F μ=标称能量 2211/20.02(1100)/212.1n W C U F kV kJ μ==⨯=2.4波前电阻和放电电阻的计算当试品电容为100pF ，负荷总电容1200pF 时，波前时间12122.0 3.24/()3.240.020.0012/(0.0212)f f f T s R C C C C R F F F μμμμ==⨯+=⨯⨯求得545.26f R =Ω，每级电阻/5109.1f f r R ==Ω 考虑回路电感影响时，12122.33/()f f T R C C C C =⨯+求得758.22f R =Ω，每级电阻/5151.6f f r R ==Ω。
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三、 设计任务
1. 画出电路设计原理图
选用高效率双边对称充电回路，如图 3、4 所示
图 3 发生器的充电回路
图 4 发生器的放电回路
2. 确定各元件参数
2.1 额定电压的选择：
110kV 产品的雷电冲击试验电压如表所示（按 GB311.1-1997）
表 1 110kV 产品的雷电冲击耐受电压
In 7.26kVA / (55kV / 2) 0.187 A 因此选择硅堆的额定电流为 0.2A，选择一支 2DL-150/0.2 构成每一个整流器。
2.8 球隙直径的选择 250mm 球隙在间隙距离为 40mm 时的放电电压为 112kV，故选 250mm 铜球 6 对。
3. Matlab 仿真实验 （1）完整仿真电路图。如下图 5 搭建双边充电高效回路的冲击电压发生器电路 图，按照上述选好的参数来设置各元件，其中电源采用 220V 交流电源，球隙用 触发开关来模拟，触发信号由阶跃信号源发出，采用 ode45 算法计算。理论上 应该是可以出仿真波形的，但实际情况是仿真耗时长且并没有得到预期的波形。 后又改为 ode23tb 算法，出现一个发散的振荡正弦波，显然不符合要求。可能 是开关触发设计的有问题。
要求 C(R rf ) (10 ~ 20)Crt ，得 R 20 490 151.6 9648
取充电电阻 R 10k ，每根充电电阻应能耐受 110kV。如取保护电阻 r 为充电电阻
的 50 倍，则保护电阻 r 为 500 k 。 充电时间的估算： 由于采用了倍压充电回路，难以精确分析。仍按简单整流充电的计算法充
冲击电压发生器仿真设计
一、 设计目的
1.理解冲击电压发生器的工作原理和绝缘冲击试验的内容； 2.掌握冲击电压发生器的设计方法和 matlab 仿真软件的使用； 3.学习分析冲击电压发生器充电回路的效率及波形参数。
二、 设计要求
1. 设计一台冲击电压发生器，产生冲击电压波。冲击波形的参数：波前时间为 2.0us，半峰值时间为 36us；试品电压等级 110kV。
求得 Rf 758.22 ，每级电阻 rf Rf / 5 151.6 。
半峰值时间
Tt 0.693Rt (C1 C2 ) 36s 0.693Rt 0.0212F
求得 Rt 2451 ，每级 rt Rt / 5 490 2.5 充电电阻与保护电阻的选择
C1=0.1/5=0.02μF 此值＞10C2 可使（电压）效率不致很低。 2.4 冲击电压发生器主要参数：
标称电压 U1=220 5 1100k 冲击电容 C1 0.02 F 标称能量 Wn C1U12 / 2 0.02 F (1100kV )2 / 2 12.1kJ 2.4 波前电阻和放电电阻的计算 当试品电容为 100pF，负荷总电容 1200pF 时，波前时间
电至 0.9 倍电压时 T充 1（5 r0 r nR / 2) nC
设 r0 r ，计算得 T充 8s 。考虑到倍压电路充电时间会长一些，故取充电时间 为 10s。
2.6 变压器的选择 加大安全系数到 3.0，以考虑倍压充电回路所需的容量 变压器容量= 3.0 2Wn / T充
图 5 冲击电压发生器 simulink 初始仿真电路图 （2）简化电路图仿真
如下图 6 所示采用简化的等效充电回路，图 9 所示为等效放电回路，进行 仿真。其中 C1 的初始电压设置为 5 级串联的总电压 1100kV，C2 的初始电压为 0.采用 ode45 算法，得到的冲击波形如下图 7 所示。 充电过程仿真：
额定雷电冲击（内 外绝缘）耐受电压 截断雷电冲击耐受电压（峰
（峰值）/kV
值）/kV
变压器，并联 电抗器，互感
器
高压电 力电缆
高压电器
母线支柱绝 缘子，穿墙
套管
变压器类设备 的内绝缘
450
850
450
450
530
550
550
450
450
530
上表所示的都是耐受电压。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 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
U1=550×1.3 ×1.1 /0.85kV=925.3kV
2.2 冲击电容的选择：
如不考虑大电力变压器试验和整卷电缆试验和互感器试验，就绝缘子的
Tf 2.0s 3.24Rf C1C2 / (C1 C2 ) 3.24Rf 0.02F 0.0012F / (0.0212F ) 求得 Rf 545.26 ，每级电阻 rf Rf / (C1 C2 )
从国产脉冲电容器的产品规格中找到 MY220-0.1 瓷壳高压脉冲电容器比
较合适，电容器规格如下表 2
表2
型号
工作电压 试验电压 电容 外型尺寸 重量 外壳
MY220-0.1 220kV
264kV
0.1 μF φ635×ι 361 瓷壳
845 用此电容器 5 级串联，标称电压可达到 1100 kV，基本上满足前述需要。 每级由两个电容器串联，使冲击电容
电容按 100pF 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 ,电容分压器的电容估计为 600pF，则总的负荷电容为
C2=100+500+600=1200pF 如按冲击电容为负荷电容的 10 倍来估计，约需冲击电容为
C1=10C2=12000pF 2.3 电容量的选择：
= 3.0 212.1kJ /10s
=7.26kVA 变压器电压=1.1 55kV / 2 42.8kV 故选择国产试验变压器，型号为 YD-10/100，其额定电压为 100kV，额定容 量为 10kVA。 2.7 硅堆选择 考虑到缩短充电时间，充电变压器通常提高 10%的电压，因此硅堆的反 峰电压= 55kV 1.1 55kV 115.5kV 。 硅堆的额定电流以平均电流计算，而电流的有效值是大于平均值的。