冲击电压发生器功能、波形介绍
雷电冲击试验分析
DL/T557《高压线路绝缘子陡波冲击耐受 试验》规定了线路绝缘子陡波冲击耐受试 验的标准冲击波形 （6）Tf=100~200毫微妙的陡波冲击波。 陡度2500KV/uS，最大输出电压幅值 500KV，适用于高压线路B型绝缘子陡波 冲击耐受试验。 JB5892《高压线路用有机复合绝缘子技 术条件》规定了有机复合绝缘子陡波冲击 耐受试验的标准冲击波形 （7）陡度大于1000KV/uS的陡波冲击波 最大输出电压幅值600KV，适用于高压线 路用有机复合绝缘子陡波冲击耐受试验。 DL474.6 《变压器操作波感应耐压试验》 规定了变压器操作波感应耐压试验的标准 冲击波形。 （8） Tcr＞100微妙，Tz＞1000微妙，Td （90）＞200微妙的操作波冲击波 适用电力变压器操作波感应耐压试验。
（1）
（2）
老试验站冲击等值电路
新试验站冲击等值电路
（3）
旧试验站球心放电原理：如图 第一步：1点充电为+U0，当球隙击穿时，1点电位降到0，2 点 电位由0变为-U0，那么第二个球隙两端的电位变成+UO-（U0） =2U0，肯定会导致第二个球隙击穿。 第二步：同样第二个球隙击穿后，4点电位由0变为-2U0，那 么第三个球隙两端的电位变成+UO-（-2U0）=3U0，肯定会导 致第三个球隙击穿。所以有n个球隙击穿后，就有n个U0，它输 出电压如8点就为-nU0，可见输出电压与充电电压极性相反。 这一系列过程可被概括成为“多级电容器并联充电，而后串 联放电，形成幅值很高的冲击电压波”。 从发生器同步原理分析： （1）当C2（即球隙之间电容）为零时，Ug2=2UO，可见过电压 倍数较高。 （2）当C1、C3（即回路中对地杂散电容）为零时，Ug2≈UO， 可见过电压倍数较低，g2就不可能击穿，所以杂散电容的存在 加强了冲击发生器同步动作的有利条件。
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 。
雷电冲击试验资料
截波标准规定： （1）波前时间Tf为1.2uS，允许误差 ±30%； （2）截波时间Td为2~5 uS （3）试验电压Um，允许偏差±3%，是 指规定值和实测值之差，不是指测量 误差。 （4）当实际波形波前部分有振荡（过冲） 规定振荡幅值不应超过0.05Um，反冲 波幅值ur/ Um过零系数规定为 0.250.35 波形图画法：以D点与反波峰值的幅值 的30%和90%的两点的联线与反波峰 值的交点为N，与D点横向平行的交点 为M，从M点所作的横轴垂线与O1之 间的距离为截波时间Td。 T1=1.67T
DL/T557《高压线路绝缘子陡波冲击耐受 试验》规定了线路绝缘子陡波冲击耐受试 验的标准冲击波形 （6）Tf=100~200毫微妙的陡波冲击波。 陡度2500KV/uS，最大输出电压幅值 500KV，适用于高压线路B型绝缘子陡波 冲击耐受试验。 JB5892《高压线路用有机复合绝缘子技 术条件》规定了有机复合绝缘子陡波冲击 耐受试验的标准冲击波形 （7）陡度大于1000KV/uS的陡波冲击波 最大输出电压幅值600KV，适用于高压线 路用有机复合绝缘子陡波冲击耐受试验。 DL474.6 《变压器操作波感应耐压试验》 规定了变压器操作波感应耐压试验的标准 冲击波形。 （8） Tcr＞100微妙，Tz＞1000微妙，Td （90）＞200微妙的操作波冲击波 适用电力变压器操作波感应耐压试验。
三、雷电冲击发生器原理介绍
1、雷电波的基本形成
2、雷电波波头波尾时间计算
如图（3）是冲击电压发生器最基本的等值回路。 试验前把C1充好电，当K（或点火球隙）动作后，由C1向C2充电， 则试品两端电压： U1=U0*（1-e（-t /τ）） （充电过程） C1、C2两端电压平衡后，一起又通过R2对地放电，则试品两端电 压： U2=U0*e（-t /τ） （放电过程） 根据雷电波形定义，来推导波头波尾时间公式： （1）求波头Tf： 30%U0= U0*（1-e（-t1/τ1）） （1-1） 90%U0= U0*（1-e（-t2/τ1）） （1-2） 解方程组：0.3 = 1-e（-t1/τ1） 0.9 = 1-e（-t2/τ1） 0.7= e（-t1/τ1） 0.1= e（-t2/τ1）
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。
电气试验技术05-冲击电压的产生
Rs
L
C
R0
截断波的波长决定于： 延时装置当时延 触发点火装置的时延 球间隙的时延 分散性决定于： 主间隙的分散性
Uc 85% U 50%
冲 击 电 压 发 生 器
+
+U
去试品 +E
G
C r R
闸流管
d 40% D
时延电缆
多重球隙放电
r
r
5-9 操作波的产生
一、产生回路 与雷电波产生回路相同（高效回路）
T1 T2 C1 (r1 r3 ) C2 (r2 r3 ) T1 T2 C1C2 (r1r2 r1r3 r2 r3 )
一般充电电阻、主电容和负载电容给定
可计算rf, rt
冲击电压发生回路如图所示，C=0.05[F], Rs=370。 如要产生标准雷电冲击电压波形，如何选择回路参数， 并求出此时的回路效率。
du1 du2 C1 i2 i3 C2 dt dt u 2 R f C2 Rt du2 dt
边界条件：t=0, u2=0, u1=U0
负载上电压为： 2 (t ) U 0 K1K 2 (e t e t ) u
K1 1 C2 R f K2 1
D R C
充电时间(0.9U M )： t 15 RC
t 2.3RC
UM
(整流)
(直流)
Uc/UM，
0.8
UC
充电电阻取为 10~20波尾电阻
0.4
0
10
t/RC 20
5-5 冲击电压发生器的同步
同步好：
触发球隙g1触发击穿后，后面球隙g2~gn逐个击穿
影响因素： 充电电压不均匀 充电电阻的影响 波头、波尾电阻
第7章冲击电流发生器
3、非振荡波 1(R 2 L )
C
电流波形： i(t)
u
2 1
C e (t / LC ) sinh( L
2 1
t) LC
峰值时间： tm
LC
2 1
arctan h(
)
2 1
电流峰值： Im U
C e( / 2 1) arctan h( 2 1 / )
L
2 冲击电流发生器的基本原理
2 高压实验室的净空距离
净空距离是指高电压试验设备，测量装置和被试物相互之间及它们 对墙、天花板地和周围带电或不带电物体之间应有间隔距离。 净空距离的要求决定于以下三方面的原因：
安全距离:即设备或试品不应对周围物体放电（应留有裕度）； 测量准确度：即周围物体与测量装置间的距离大到足以略去它们对
坏作用和承受能力。 指数波（模拟雷电流）
标准冲击电流波形
方波（模拟操作冲击电流）
1 概述
标准冲击电流（指数）波形
Tf/Tt（波前/半峰时间） ① ±1/20μs ② ±4/10μs ③ ±8/20μs ④ ±30/80μs 波形要求： ①峰值、 Tf、Tt容许偏差＜10% ②冲击波峰值附近的过冲和振荡不应超过峰值的5%；反极性振荡＜20%
3.1 冲击电流发生器结构的基本考虑因素
回路电感组成及减小电感量措施： 电容器残余电感（选择小电感电容；多级并联） 连线电感 （连线短，减小互感） 球隙电感（缩小尺寸和火花长度） 试品电感 分流器电感
3.2 冲击电流发生器回路
(a)并联放电
(b)串联放电
3.3 冲击电流发生器主回路结构
(a)圆环式
(b)方框式
(c)母线式
环形排列（圆环式、方框式）：电容电流同时到达试品，电流大；但 不利于试品放置。
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）
欢迎转载，转载请注明作者和出处，且勿修改文章内容。
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。
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电力系统中的高压电气设备在投入运行之前需要进行冲击电压试验来检验其在过电压作用下的绝缘性能。
随着电力科技的发展,需要进行冲击电压试验的试品种类日益增多。
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，后来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。
所以对于冲击电压发生器，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，还与波前陡度有关。
对某些设备还要采用截断波来进行试验。
此外，冲击电压发生器还可用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分；在大功率电阻束和离子束发生器以及二氧化碳激光中，可作为电源装置。
根据实测，雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计性。
他的波前时间（约从零上升到峰值所需时间）为0.5μs~10μs，半峰值时间（约从零上升到峰值后又降到1/2峰值所需时间）为20μs~90μs，累积频率为百分之50的波前和半峰值时间约为1.0μs~1.5μs和40μs~50μs。
操作冲击电压波的持续时间比雷电冲击电压波长得多，形状比较复杂，而且他的形状和持续时间，随线路的具体参数和长度的不同而有异，不过目前国际上趋向于用一种几百微秒波前和几千微秒波长的长脉冲来代表它。
雷电波又可分全波和截波两种。
截波是利用截断装置把冲击电压发生器产生的冲击波突然截断，电压急剧下降来获得。
截断的时间可以调节，或发生在波前或发生在波尾。
为了保证多次试验结果的重复性和各试验间试验结果的可比性，对波形及波形定义应有明确规定。
为此国际电工委员会和国家标准规定了标准雷电冲击全波及截波的波形和标准操作冲击电压波形，如图1至图4所示。
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（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，在时间上也不容易确定。
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算起来求出波前时间T f和半峰值时间T t。
规定所在波前时间T f为T/0.6。
规定的标准雷电冲击试验电压波的波前时间T f为1.2μs±0.3，半峰值时间T t为50μs±0.2。
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）基本波形叠加绿波后残余波形成为试验电压波形
若在波前峰值附近含有振荡或过冲波时（图2a），根据IEC60060——1新的规定，此时应通过标准所规定的处理步骤，把记录下来的波形转换成试验电压波形（图2b），后者的波幅
U t＝U mp＋k（f）（U e－U mp）
K（f）＝1/（1＋2.2f2）
式中，f——过冲的振荡频率，MHz；
K（f）——试验电压因数，他是一个幅频函数，是多类不同的绝缘上，施加了叠加不同高频频率过冲的冲击电压波，研究出与绝缘击穿强度相关的幅频关系。
标准规定把记录波形的头尾各舍弃一小部分后，用双指数波形拟合来好的基本波形。
尽管后获得的试验波形中含有滤波后残余波形的成分，标准规定由试验电压波形求得波前时间、半峰值时间和相对过冲幅值β’，其中
β’＝[（U t－U mp）/U t]×1
IEC新标准规定冲击试验电压的过冲β’允许值为0.1，但试验电压幅值高于2MV时，β’的允许值为0.2。
根据笔者对高阶集中参数的冲击电压发生器的计算结果，在产生标准雷电冲击电压波时，过冲波的频率不太可能高于0.5MHz。
不过考虑到杂散振荡以及试验回路中存在流动波的多次反射，此时冲击波前上可能会叠加较高频率的振荡波。
它的高振荡披绿f max可按下式进行估算：
f max＝c/[4（H g＋H c）]
式中，C——电磁波在空气中的传播速度，C＝300m/μs；
Hg——冲击电压发生器的高度，m；
Hc——负荷电容的高度，m。
雷电冲击电压截波如图3所示。
雷电冲击截断时间Tc是视在原点与截断瞬间的时间间隔。
截断期间电压段落的视在特征以截断瞬间电压值的0.7和0.1的C 点和D点来定义。
电压跌落持续时间为c点和D点间时间间隔的1.67倍。
电压跌落的陡度我截断瞬间电压与电压跌落持续时间之比。
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
由IEC60060——1规定的操作冲击被波形如图4所示。
它的半峰值时间T t 是从实际原点到波尾下降到半峰值的时间间隔。
波前时间T m是从实际原点到达峰值的时间间隔。
由于波幅处比较平坦，峰值点不容易准确地确定，所以新标准规定了用下列计算式来确定波前时间
T m=KT AB
式中，K＝2.42－3.08×10-3×t ab＋1.51×10－4T t
T t，T AB如图4中所示，均以μs为单位。
图4：操作冲击电压波形
IEC 60060-1还对标准操作冲击电压规定了0.9峰值以上的时间T d，T d是指冲击电压超过峰值0.9的持续时间。
规定的标准操作冲击电压的波前时间Tm为2 50us±0.2，半峰值时间T t为2500us±0.6。
IEC 60076-3: 2000规定了试验额定电压≥220 kV变压器及电抗器内绝缘的操作冲击电压波的波形如图5所示。
规定视在波前时间Tf至少为1 00μs，通常不大于250μs，百分之90峰值以上时间T d≥200μs，从视在原点到过零时间T z≥5 00μs。
有关的国家标准(GB 1094. 3--2003)所规定的此类操作冲击电压波，与上述IEC文件相同。
图5：试验变压器内绝缘的操作冲击电压波形
按照试验标准并考虑到足够的裕度，冲击电压发生器的标称电压与被试设备而定电压间的关系大致如下表所示。
表中下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用。