一种模拟冲击电压发生器的装置及其冲击电压建立的方法

本发明属于电路模拟，具体涉及一种模拟冲击电压发生器的装置及其冲击电压建立的方法。

背景技术：

1、当今世界，科学技术飞速发展，电气产品日新月异。随着电气设备功能的不断深化，设备电路精密程度越来越高，电气设备间的关联程度也愈加复杂，其稳定性能必然成为综合性能评比中重要的衡量标准之一。然而电力系统中的电气设备在运行过程中，受外界环境的影响，可能会遭受雷电压或操作过电压的作用，而这些电压均属于冲击电压，都有可能会给电气设备带来危害。因此，电气设备在投入使用之前，都要先经过冲击电压试验来检验其在雷电压和操作过电压作用下的绝缘特性或保护性能。冲击电压发生器是用来模拟以上两种冲击电压的脉冲高电压发生装置，如图6所示，其基本原理是通过开关元件控制电容器的充放电，从而产生模拟设备所受到的脉冲高电压，以此来开展被试品的绝缘性能研究。除此之外，冲击电压发生器还是纳秒脉冲功率装置的重要组成部分，在大功率离子束、电子束发生器，以及二氧化碳激光器中，它可以被当作电源装置来使用。目前，冲击电压发生器通常采用marx充放电回路，该结构由德国人e·marx于1924年提出。marx发生器是一种多级的冲击电压发生器，其原理可以简单概括为多级电容器并联充电，然后串联放电，形成更高幅值的冲击电压波形。冲击波的持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十千伏至几兆伏。该电路工作原理复杂，特别是由于充电电阻在充放电过程中的不同作用，冲击电压发生器的电路结构复杂，极大地增加了对回路工作过程的理解难度。若对于冲击电压发生器基本电路的工作原理没有很深刻的理解，便很难去进行更加深入的进行技术研究。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是简化冲击电压发生器的电路来模拟冲击电压发生器运行过程，提出一种模拟冲击电压发生器的装置及其冲击电压建立的方法。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种模拟冲击电压发生器的装置，包括供电用交流电源e，所述供电用交流电源e的正极串行连接整流用高压硅堆d、保护电阻r、电路保护开关s0、第二开关s2、第四开关s4、第六开关s6，所述供电用交流电源e的负极串行连接第一开关s1、第三开关s3、第五开关s5、第七开关s7；

4、所述第六开关s6的输出端连接第四级充电电容c4的输入端、开关d4的输入端，所述开关d4的输出端连接第七开关s7的输出端，所述第四级充电电容c4的输出端分别连接所述第七开关s7的输入端、开关d0，所述开关d0的另一端分别连接波前电阻rf、波尾电阻rt，所述波前电阻rf、波尾电阻rt的另一端分别连接试品c0；

5、第一级充电电容c1的输入端连接电路保护开关s0的输出端、开关d1的输入端，第一级充电电容c1的输出端连接第一开关s1的输入端，开关d1的输出端连接第一开关s1的输出端；

6、第二级充电电容c2的输入端连接第二开关s2的输出端、开关d2的输入端，第二级充电电容c2的输出端连接第三开关s3的输入端，开关d2的输出端连接第三开关s3的输出端；

7、第三级充电电容c3的输入端连接第四开关s4的输出端、开关d3的输入端，第三级充电电容c3的输出端连接第五开关s5的输入端，开关d3的输出端连接第五开关s5的输出端；

8、所述第一级充电电容c1、第二级充电电容c2、第三级充电电容c3、第四级充电电容c4为并联。

9、进一步的，第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7用于代表充电电阻。

10、进一步的，开关d0、开关d1、开关d2、开关d3、开关d4用于代表隔离球隙。

11、一种模拟冲击电压发生器的装置的冲击电压建立的方法，依托于所述的一种模拟冲击电压发生器的装置实现，包括如下步骤：

12、s1、模拟并联充电过程：首先将先将代表球隙隔离球隙的开关d0、开关d1、开关d2、开关d3、开关d4断开，再将代表充电电阻的第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7闭合，最后闭合电路保护开关s0，由供电用交流电源e开始给各级充电电容器充电，此时模拟的是冲击电压发生器基本回路在球隙未连通情况下，电源通过充电电阻给各级电容充电的过程；

13、s2、当回路到达稳态，各级电容充电完成时，每个充电电容上的电压为u0；

14、s3、模拟串联放电过程：先将电路保护开关s0断开，接着将代表充电电阻的第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7断开，最后接通代表隔离球隙的开关d0、开关d1、开关d2、开关d3、开关d4闭合，此时输出给试品回路的电压等于充电电容上充电电压的总和，电压大小为4u0。

15、本发明的有益效果：

16、本发明所述的一种模拟冲击电压发生器的装置，将原电路图中的供电用试验变压器t替换成为工频交流电源，各个充电电阻r与球隙g替换成为开关元件。开关原件可有效地模拟充电电阻r在原电路中，充电时导通，放电时隔离的作用，且由于开关元件结构简单、稳定可控，且在串联放电时同时闭合，因此可以不考虑球隙开关的同步问题，在模拟电路中忽略对地杂散电容c起到的抑制充电电容上下电位变化的钳位作用，每一级阻尼电阻rd在电路中也可省略，最终只保留开关元件、电源、高压硅堆d、保护电阻r、各级充电电容器以及试品电路。通过简化后的电路来直观有效地展示冲击电压发生器电路中，冲击电压的形成过程。

17、本发明所述的一种模拟冲击电压发生器的装置，为尽可能接近冲击电压发生器电路的理想工作状态，设计出一套模拟装置。该装置通过开关结构，分别描述电路在充放电两种状态下电荷的流向与冲击电压的形成。模拟时先将代表球隙g的各开关断开，再将代表充电电阻r的各开关闭合，之后打开电源。此时对应原电路中球隙未导通，电源通过充电电阻r向各级电容器充电的“并联充电”状态。当各级充电电容器充满电后，先将代表充电电阻r的各开关断开，再将代表球隙g的各开关闭合，此时对应原电路中球隙受到脉冲电压作用产生火花，各球隙放电导通，各级充电电容器由于充电电阻r的隔离作用电位不发生突变，最终将电容器上的电压总和共同输出给试品电路的“串联放电”状态。

18、本发明所述的一种模拟冲击电压发生器的装置，能有效地模拟冲击电压的建立过程，通过简单的开关开闭动作来将原本复杂、瞬时完成的冲击电压发生器电路，“并联充电，串联放电”的原理分步、清晰地展现出来，使学习该方向的研究学者和学生对于冲击电压的产生过程能理解得更加透彻。

技术特征：

1.一种模拟冲击电压发生器的装置，其特征在于，包括供电用交流电源e，所述供电用交流电源e的正极串行连接整流用高压硅堆d、保护电阻r、电路保护开关s0、第二开关s2、第四开关s4、第六开关s6，所述供电用交流电源e的负极串行连接第一开关s1、第三开关s3、第五开关s5、第七开关s7；

2.根据权利要求1所述的一种模拟冲击电压发生器的装置，其特征在于，第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7用于代表充电电阻。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟冲击电压发生器的装置，其特征在于，开关d0、开关d1、开关d2、开关d3、开关d4用于代表隔离球隙。

4.一种模拟冲击电压发生器的装置的冲击电压建立的方法，依托于权利要求1-3之一所述的一种模拟冲击电压发生器的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
一种模拟冲击电压发生器的装置及其冲击电压建立的方法，属于电路模拟技术领域。为简化冲击电压发生器的电路来模拟冲击电压发生器运行过程，本发明包括包括供电用交流电源E，供电用交流电源E的正极串行连接整流用高压硅堆D、保护电阻r、电路保护开关S<subgt;0</subgt;、用于代表充电电阻的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关，用于代表隔离球隙的开关，开关D<subgt;0</subgt;的另一端分别连接波前电阻R<subgt;f</subgt;、波尾电阻R<subgt;t</subgt;，波前电阻R<subgt;f</subgt;、波尾电阻R<subgt;t</subgt;分别连接试品C<subgt;0</subgt;。本发明采用开关元件、电源、高压硅堆D、保护电阻r、各级充电电容器以及试品电路。通过简化后的电路来直观有效地展示冲击电压发生器电路中，冲击电压的形成过程。

技术研发人员：聂洪岩,孙茂轩,陈嘉浩,李志洵
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29