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1、冲击高压发生器,1、冲击电压波形 a、雷电冲击电压波 OC为视在播前 OF为视在播前时间 OG为视在半峰值时间 （也称为波尾时间） 国标规定：,一、冲击电压发生器的基本原理,b、操作冲击电压波,国标规定：,波头的形成： 图示等值回路中，放电电阻Rt，球隙g0放电后，电压u2上升。2相当于充电时间常数。 2=RfC1C2/（C1C2） Tf=3.24RfC1C2/（C1C2） 因C1C2，Tf3.24RfC2 波尾的形成： 电压u2到达峰值U2m后，电容C1和C2一起经过电阻Rt放电。因一般C1C2，放电快慢主要决定于C1 1Rt(C1C2)RtC1 Tt0.69Rt(C1C2)0.69RtC1
2、,C2上电压u2的波形,波前,波尾,冲击电压发生器的基本原理,冲击电压发生器概念：冲击电压发生器由一组并联的储能高压电容器，自直流高压源充电几十秒钟后，通过铜球突然经电阻串联放电，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计，电压峰值一般为几十kV至几MV 发明人：产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德国人E.马克思（E.Marx）提出，为此他于1923年获得专利，被称为马克思回路,单级冲击电压发生器回路,回路1,回路2,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200300kV。,正极性冲击电压,多级冲击电压发生器回路,放电时基本回路的等值回
3、路,2=（RdRf）C1C2/（C1C2） 于是Tf=3.24（RdRf）C1C2/（C1C2） 因C1C2，Tf3.24（RdRf）C2,1(RdRt)(C1C2)（RdRt）C1 Tt0.69(RdRt)(C1C2) Tt0.69（RdRt）C1,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； g2g4：中间球隙； g0：隔离球隙；,“电容器并联充电，而后串联放电” 电阻R的连接与隔离作用：在充电时
4、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：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：实际上因杂散电容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：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
5、低,工作特点：,发生器电压效率 发生器电压效率的近似计算式为 C1/（C1C2）Rt/（RdRt）,放电时基本回路的等值回路,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,高效冲击电压发生器回路,冲击电压发生器高效回路接线,rf：每级的波前电阻，一般约几十欧； rt：每级的放电电阻，通常约几百欧； C2：负荷电容，其值不仅取决于试品，而且与调波相关。一般处于几百皮法至几个纳法间,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； C：每级的主电容，一般为零点几个微
6、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； g2g4：中间球隙； g0：隔离球隙；,通用的高效回路,冲击电压发生器回路接线,等值电路,主电容C1上的初始充电电压为U1 拉氏转换的运算电路 输出电压：U2（s）U1d/（S2+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：b=1/C1C2(RdRt+RdRf+RfRt) a=C1(Rd+Rt)+C2（Rt+Rf)b d=C1Rtb,输出电压：U2（s）U1d/（S2+aS+b）,u2(t)=U1exp（s1t）exp（s2t） s1、s2为方程s2+as+b=0的两个根 从根和系数
7、的关系可知 s1s2=b ； s1 + s2= a,或,回路系数：=d/(s1s2)=RtC1S1S2/(s1s2),令du2/dt=0，可求得u2达到峰值U2m时的时间tm: du2/dt=U1s1exp（s1tm）s2exp（s2tm）=0 tm=ln(s1/s2)/(s2s1) U2m=U1exp（s1tm）exp（s2tm）=U10 波形系数：0exp（s1tm）exp（s2tm） 电压效率：=U2m/U1=0,u2(t)=U1exp（s1t）exp（s2t）,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，其相应的s1、s2、tm和波形系数0 也就确
8、定了,例：两种标准冲击波的特性参数：1.2/50s标准雷电冲击波和250/2500s标准操作冲击波的各个参数值,雷电冲击波：输出电压峰值设为单位值 （t用s作为单位），则 u2(t)=1.03725exp（0.014659t）exp（2.4689t）,C2值的确定：当试品确定之后，C2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C2的数值。为使电压效率不致太低，一般C110C2。 回路电阻、0、 和的计算：产生1.2/50s或其它冲击波形时，可从有关资料查出或算出s1及s2值，于是可以计算出回路的各个电阻值和波形系数0、回路系数、电压效率等。 充电电压：试验所需的U2m
9、确定后，可算出充电电压U1。 标称电压：冲击电压发生器的名义电压称为标称电压U1n 标称能量：冲击电压发生器的标称能量为： Wn=C1U1n2/2 多数发生器的Wn达几十至几百千焦,冲击波形的确定,冲击电压发生器放电回路计算举例,例题 设置一台冲击电压发生器，要求它能满足110 kV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UN，冲击电容量C1，初步确定负荷电容C2，计算波前电阻Rf，放电电阻Rt，电压效率和额定容量WN等。,题解 放电电压的确定：国家标准规定110 kV电瓷产品的雷电冲击耐受电压为450 kV。放电电压值与电瓷类别相关，一般而言850 kV。所以实际产生的电压按
10、900 kV考虑。电压效率初步考虑为0.85，则额定电压约为1060 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，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1200 kV。 陡度的确定：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1000 kV /s，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。 负荷电容的确定：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。选择低阻尼阻容分压器的电容为300 pF，其它杂散电容及试品电容考虑为200 pF，所以总的负荷电容C2约为500 pF 充放电回路主电容的确定：仅
11、从电压效率考虑C1达510 nF就足够了。但为了增强放电效果，C1选择为20 nF,高效回路,回路级数的确定：采用如图所示高效回路。假设每级电容的额定电压为200 kV，则共需6级。每级的电容C的电容量为0.12 F,回路参数的确定（两种计算方法均可）: 1. 根据二阶阻容放电回路计算Rt，Rf及和 2. 放电回路的近似计算,额定电压：1200 kV；负荷电容：500 pF；主电容C1：20 nF,1. 根据二阶阻容放电回路计算Rt，Rf及和,查表可知1.2/50 s下的S1、S2及波形系数0 。 bS1S20.03619s2 a（S1S2）2.4836s1 根据b1/（C1C2RfRt），b
12、，C1，C2均已知，可得 RfRt2.76321062 （1） 根据a/bC1RtC2（RtRf），代入诸已知值，可得 Rt3347.60.024390Rf （2） 为避免两大数相减所引起的计算误差，宜先通过（1）及（2）式求出Rt值。 计算时注意，在解二次方程的根时，抛去Rt的一个小数值解，只取合理的大数值解。最后可得Rt3347.6。每一级中的放电电阻rtRt/6557.9。 于是可得Rf786.2。每级的rfRf/6131。 回路系数 RC1S1S2/（S1S2）0.9873 电压效率 00.98730.9641=0.9519,额定电压：1200 kV；负荷电容：500 pF；主电容C1
13、：20 nF,2. 放电回路的近似计算,放电电阻的计算： 根据Tt0.69（RdRt）（C1C2） Rt50s/0.69(0.02F0.0005 F)3534.8 每级的放电电阻 rtRt/6589.1 波前电阻的计算分为两种情况，考虑电感存在，并假定处于临界阻尼时 根据Tf2.3322.33RC1C2/（C1C2）式计算为 Rf（1.2s/2.33）(0.02+0.0005)/(0.020.0005)F1 （1.2s/2.33）2050F11055.8 每级值 rfRf/6176 不考虑电感存在，根据Tf=3.24（RdRf）C1C2/（C1C2）得 波前电阻 Rf（1.2s/3.24）20
14、50F1759.26 每级值 rfRf/6126.5 近似计算与二阶放电回路计算所得Rf及Rt值相差不大，偏差分别为3.4及5.6,额定电压：1200 kV；负荷电容：500 pF；主电容C1：20 nF,标准能量的计算 WnC1Un/20.02F(1200kV)2/214.4kJ,冲击电压发生器结构,截波的产生,陡脉冲电压发生器,产生陡波的关键： 1、回路中的故有电感，减小回路尺寸可减小回路电感 2、回路中的故有电容 3、放电间隙的导通过程,模拟器产生的瞬态电场的波形,EMP传输线模拟系统,负载（水电阻）,脉冲源,传输线,传输线型EMP模拟器,有效空间 长6.0m 宽4.6m 高4.6m,抗干扰措施的研究,
