冲击电压发生器的基本工作原理
冲击电压发生器原理
冲击电压发生器原理
冲击电压发生器是一种产生高压瞬态电压的装置，利用充电电路的储能元件（如电容器）储存能量，然后通过开关元件（如开关管）将储存的能量突然释放出来，产生瞬态的高电压。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 充电：电压发生器的电容器首先会通过外部电源进行充电。
在充电过程中，电容器两端的电压逐渐上升，直到达到所需的充电电压。
2. 储能：一旦电容器充电到设定电压，充电电源会停止向电容器供电。
此时，电容器储存了一定的电能，其中电压与所需冲击电压相同。
3. 释放：在释放阶段，通过控制开关元件（如开关管）的导通与断开，将电容器内储存的电能突然释放出来。
开关管通常会在极短的时间内（纳秒至微秒级）完成导通和断开的操作。
4. 冲击电压产生：当开关管导通时，电容器会通过导通的通路放电，产生瞬时高电流。
根据电流与时间的变化率，根据欧姆定律（U=IR），高电流通过电阻会产生高电压。
这样就产生了一个瞬态的高电压冲击波。
冲击电压发生器通过控制充电、储能和释放阶段的操作，可以产生不同幅度和脉冲宽度的冲击电压，用于各种测试和实验需求。
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。
雷电冲击电压发生器原理 波头波尾电阻
雷电冲击电压发生器原理1. 概述雷电是自然界中常见的电现象，其强大的能量往往会对人类的生产生活造成严重的影响。
为了防止雷电对设备和建筑物造成损害，人们发明了各种防雷设备，其中就包括雷电冲击电压发生器。
本文将重点介绍雷电冲击电压发生器的原理以及其在防雷领域的应用。
2. 雷电冲击电压发生器的作用我们需要了解雷电冲击电压发生器在防雷领域的作用。
雷电冲击电压发生器是一种专门用于防雷的设备，其主要作用是在雷电冲击发生时把电压分配到耐雷设备上，从而避免雷击对设备造成损害。
3. 雷电冲击电压发生器的原理雷电冲击电压发生器的工作原理主要包括两个方面：波头电阻和波尾电阻。
4. 波头电阻波头电阻是指在雷电冲击发生时，电压波前的电阻，其作用是降低电压的波峰，从而减小雷电冲击对设备的影响。
波头电阻需要具备高强度、高频率响应和快速放电的特点，用于消耗雷电冲击的能量，保护被保护设备的安全。
5. 波尾电阻波尾电阻是指在雷电冲击后的电压波尾的电阻，其作用是将残余的电压波尾导向接地，以确保雷电冲击后设备的安全。
波尾电阻需要具备高功耗、高耐压、高放电容量和长寿命等特点，用于将电压波尾慢速放电，保障设备不受雷电冲击的损坏。
6. 雷电冲击电压发生器的应用雷电冲击电压发生器在工业、建筑、交通等领域都有广泛的应用。
例如在电力系统中，雷电冲击电压发生器可以保护变压器、线路等设备免受雷电冲击的影响；在建筑领域中，它可以抵御雷电对建筑物的损害；在交通领域中，它可以保护信号设备、通信设备等免受雷击的影响。
7. 结语雷电冲击电压发生器作为一种重要的防雷设备，其原理及应用对防止雷击对人类生产生活造成的损失具有重要意义。
通过了解其原理和应用，我们可以更好地了解防雷设备的工作原理，提高防雷设备的使用效果。
希望本文对读者有所帮助，多谢关注。
8. 雷电冲击电压发生器的发展趋势随着科技的不断发展，雷电冲击电压发生器的技术也在不断进步。
未来，人们对雷电冲击电压发生器提出了更高的要求，希望其在防雷领域能够有更加广泛和深远的应用。
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。
冲击电压发生器的基本原理
冲击电压发生器的基本原理
冲击电压发生器是一种电子设备，它能够产生高电压脉冲信号。
这种设备的基本原理是利用电磁感应的原理，通过瞬间改变电路中的电流来产生高电压脉冲信号。
在冲击电压发生器中，电路中的电流会被突然切断，这会导致电磁场的崩溃。
当电磁场崩溃时，会产生一个瞬间的高电压脉冲信号。
这个信号的幅度和宽度取决于电路中的电感和电容值。
冲击电压发生器通常由一个电容和一个电感组成。
当电容充电时，电流会流经电感，这会导致电磁场的建立。
当电容充满电荷时，电路中的开关会突然切断电流，这会导致电磁场的崩溃。
这个崩溃会产生一个高电压脉冲信号。
冲击电压发生器的输出电压通常可以达到数千伏或数十万伏。
这种高电压脉冲信号可以用于许多应用，例如电子学、医学、科学研究等领域。
在医学领域，冲击电压发生器可以用于治疗心脏病和神经病等疾病。
在科学研究领域，冲击电压发生器可以用于产生高能粒子束，用于研究原子和分子的结构。
冲击电压发生器是一种非常重要的电子设备，它能够产生高电压脉冲信号，用于许多应用领域。
其基本原理是利用电磁感应的原理，通过瞬间改变电路中的电流来产生高电压脉冲信号。
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。
5-冲击电压的产生解析
1
T1
u2 (t ) U 2 max (e
波头时间计算
e
t
T2
)
标准雷电冲击电压： 波尾时间常数T1远大于波头时间Tf
当t T f ,
则：e
t
T1
1
t T2
u2 (t ) U 2 max (1 e
)
0.3U 2 max U 2 max (1 e t1 0.9U 2 max U 2 max (1 e t2
u2max
f
f
f
f
Tt=t2（2）
由式（1，2），波头和波尾时间决定于，
f
t
f
f t
t
f f
t
f t
高效回路：
t f
低效回路：
1 (C1 C2 )(Rt Rd )
C1 C2 ( R f Rd )C1C2
二、冲击电压波形的近似计算
根据雷电波的定义
令T1
1
T2
负荷电容值受回路电感的限制 特殊情况：负载电容很小，无调波电容时
五、负载为电感性负载时
要求：Tt min 40 µs (IEC) and dmax 50 %.
电感性负载上电压：
负载上的冲击波形Rt NhomakorabeaRs
Lt
Lg
补偿回路限制过冲
5-4 冲击电压发生器的充电回路
一、主要充电回路
单边低效 单边高效 双边低效 改进回路
D T r R R R
单边高效
D
r
R
R
R
T
rR
R
R
R
双边低效
冲击高压发生器
式中：b=1/［C1C2(RdRt+RdRf+RfRt)］ a=［C1(Rd+Rt)+C2（Rt+Rf)］· b d=C1Rt· b
u2(t)=U1ε[exp（s1t）－exp（s2t）] s1、s2为方程s2+as+b=0的两个根 从根和系数的关系可知 s1· 2=b ； s s1 + s2= －a
发生器电压效率
发生器电压效率的近似计算式为
ŋ＝[C1/（C1＋C2）][Rt/（Rd＋Rt）]
这意味着输出电压u2的 峰值U2m低于电容C1上 的初始充电压U1。它是 由于C1与C2之间的分压 和Rt与Rd之间的分压造 成的
放电时基本回路的等值回路
考虑回路电感后的近似计算
在计算波前时间时，仍采用简化条件， 认为Rt→∞，把回路电感L考虑进去， 则放电回路将变为R－L－C串联回路 如图所示。 其中R应为阻尼电阻Rd与波前电阻Rf 之和。为获得非振荡冲击波，应使
单级冲击电压发生器回路
回路1
正极性冲击电压
回路2
负极性冲击电压
由于受到硅堆和电容 器额定电压的限制，单级 冲击电压发生器的最高电 压不超过200~300kV。
多级冲击电压发生器回路
T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻，一般为几 百千欧； R：充电电阻，一般为几 十千欧； rd:每级的阻尼电阻； C：每级的主电容，一般 为零点几个微法； Cs：每级相应点的对地 杂散电容，一般仅为 几个皮法； g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；
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冲击电压发生器要完成高电压的冲击耐压试验，必须要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，其次冲击发生器输出的电压要具有一定的波形。
它是根据马克斯回路来达到这些目的，冲击电压发生器的基本回路如下图1所示：
图1：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；
R1——放电电阻；Rf——波前电阻；C0——试品及测量设备等电容
试验变压器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。
假若事先把球间隙距离调到稍大于U，球间隙不会放电。
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，针极和球皮之间产生一小火花，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，由于C’的存在，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上的电位差突然上升到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。
后隔离球隙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”。
由并联变成串联是靠一组球隙来达到。
要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。
满足这个条件的，叫做球隙同步好，否则就叫做同步不好。
R 在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。
在球隙同步动作时，放电回路改变成如图2所示的形式。
图2：冲击电压发生器串联放电时的等效回路
图2右图中C1原有电压+4U，C2原来无电压，当g0放电，C1向C2充电，C2上将建立起电压，同时C1上电压将下降。
当C2上电压u2从零上升到U2max.时，它与此时C1上电压U1相等，不可能再上升。
由于二者都将经Rt 放电，后都将降到零。
u2的形状可表示成图3。
上升部分的快慢与Rf有关，下降部分的快慢与Rt有关。
Rf小，上升快；Rf大，下降慢。
图3：C2上电压u2的曲线
图1中的rd是防止回路内部发生振荡用的阻尼电阻。
但不一定要设置。
r 一般比R大一数量级，不仅保护硅堆，还可使各级电容器的充电电压比较均匀。
从以上分析可看出，要提高冲击电压发生器的输出电压有两种途径：一种是升高充电电压，但它受电容器额定电压的限制；另一种是增加级数，但级数多了会给同步带来困难。
图4电路采用了两个半波的整流倍压充电方式。
发生器的动作原理，基本上和图5—6回路一样。
图4：双边充电的冲击电压发生器回路
和图1相比较，图4中中间球隙所跨接的电容器台数增加了一倍。
若以中间求隙数计为级数，则有利于级数之减少。
对充电用交流试验变压器来说，正负两个半波在充电时都发挥了作用。
在相同交流充电电压下，直流输出电压增加了一倍。
不过图4中球隙g2在动作时的过电压倍数，要比图1中的g 2为低，关于这一点可请读者自行分析。
为了克服这一缺点，直流充电部分可改为对地的倍压回路，此时在电容C2的下级板处直接接地。
目前常用的一种回路如图5所示：
图5：冲击电压发生器高效率回路
这种回路的rf和rt被分散放在各级小回路内，没有专用的rd，也可以没有隔离球隙g0。
只一边有充电电阻R，另一边rf和ft兼做充电电阻。
这种回路的动作原理和前两种一样，只是串联放电后的等效回路略有不同。
图6：高效率回路串联放电的等效回路
图6的右图中u2的峰值差不多可达u1值。
在图2中，由于阻尼电阻∑rd 和放电电阻Rt构成了分压回路，其输出电压u2的峰值略低于U1。
在相同的充电电压下，图5回路的输出电压略高，故常称之为高效率回路。
此种回路，因为电容一侧的电阻（图5中之下侧），远小于电阻R值，会使发火动作时球隙g2上的过电压持续时间大为缩短。
后，讲述一下冲击电压发生器的几项技术特性指标：
（1）发生器的标称电压——发生器每级主电容的标称（额定）充电电压值与级数的乘积。
其值一般为几百千伏至几千千伏。
（2）发生器的标称能量——发生器主电容在标称电压下的总储存能量。
其值一般为几十千焦至几百千焦。
（3）发生器的效率——发生器输出电压u2峰值与各级实际充电电压值的总和之比。
在计算中可以符号η表示效率。
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