電纜狀態(tài)檢測(cè)用超低頻指數(shù)波發(fā)生器的研制

陳 碩 侯 喆 曾肖明 李洪杰

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電纜狀態(tài)檢測(cè)用超低頻指數(shù)波發(fā)生器的研制

陳 碩 侯 喆 曾肖明 李洪杰

（西安交通大學(xué)，西安 710049）

近年來(lái)，超低頻技術(shù)（VLF）的應(yīng)用和發(fā)展，為電纜現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)檢測(cè)提供了新的思路。常用的0.1Hz高壓源包括余弦方波、三角波等。本文闡述了一種新型的指數(shù)波發(fā)生器。發(fā)生器裝置主要由高壓交流源、高壓電力電子開關(guān)、高壓電阻構(gòu)成。本文在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了初期試驗(yàn)，驗(yàn)證了指數(shù)波發(fā)生器在電纜絕緣檢測(cè)領(lǐng)域的可行性和有效性。

超低頻；高壓；指數(shù)波；高壓開關(guān)

XLPE/PE電纜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，電力部門需要定期對(duì)其進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，但電纜電容量往往過(guò)大，因此在工頻電壓下對(duì)試驗(yàn)電源的容量要求較高[1-3]。近年來(lái)，超低頻技術(shù)的應(yīng)用為電纜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)提供了思路[4-5]，0.1Hz超低頻系統(tǒng)試驗(yàn)容量小，設(shè)備重量輕，便攜性好[6-8]。常用的超低頻試驗(yàn)設(shè)備按照波形分類，主要有超低頻正弦波和超低頻余弦方波等[9]。利用超低頻技術(shù)通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和介損試驗(yàn)，可以較為靈敏地反映電纜內(nèi)部受潮和水樹情況。本文提出了一種新型的超低頻指數(shù)波發(fā)生裝置，并通過(guò)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在電纜絕緣檢測(cè)方面的有效性和經(jīng)濟(jì)性，具有良好的工業(yè)發(fā)展前景。

1 指數(shù)波發(fā)生器工作原理

1.1 電路原理圖

圖1所示是指數(shù)波發(fā)生器的電路圖，輸入電壓為工頻220V交流源，并由調(diào)壓器T1控制電壓輸出。極性開關(guān)P1包含兩部分：正向高壓半導(dǎo)體開關(guān)Q1，反向高壓半導(dǎo)體開關(guān)Q2，可以通過(guò)光纖控制通斷。1為限流電阻，作用是限制變壓器的瞬態(tài)過(guò)電流。1為濾波電容；2的作用是調(diào)整電容試品上的電壓波形。S1和S2是一對(duì)AC開關(guān)，通過(guò)開關(guān)通斷與極性開關(guān)P1相配合，以防止變壓器T2磁心飽和。

圖1 指數(shù)波發(fā)生器示意圖

圖2描述了指數(shù)波發(fā)生器的工作原理，其中g(shù)是高壓半導(dǎo)體門極電壓，當(dāng)為高電位時(shí)開關(guān)導(dǎo)通。如圖2所示，半導(dǎo)體開關(guān)Q1和Q2在一周期（0～4）內(nèi)分別導(dǎo)通半周期。系統(tǒng)開始工作時(shí)，正向開關(guān)Q1導(dǎo)通，經(jīng)由電阻2，令試品電容充電至正極性預(yù)設(shè)電壓（0～1），然后Q1斷開，Q2導(dǎo)通，電容開始放電（1～2），并使電容電壓充電至負(fù)極性預(yù)設(shè)電壓（2～3），最后，Q1再次導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，電容在負(fù)極性狀態(tài)進(jìn)行放電（3～4）。開關(guān)S1是在充電過(guò)程中導(dǎo)通，而S2則是在放電過(guò)程中導(dǎo)通，目的是在磁心發(fā)生飽和時(shí)提供電流通道。

圖2 指數(shù)波發(fā)生器典型波形

1.2 高壓開關(guān)的相關(guān)設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含三大部分：供電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)單元和IGBT單元。整塊開關(guān)板由若干個(gè)IGBT開關(guān)相串聯(lián)組成，與其相關(guān)的還有驅(qū)動(dòng)電路、供電輸出、過(guò)沖保護(hù)電路。為了保證每個(gè)IGBT所承受的電壓相同，每個(gè)IGBT均與高壓電阻并聯(lián)，同時(shí)并聯(lián)上TVS管，以吸收瞬時(shí)過(guò)沖電壓。為了滿足開關(guān)板耐壓20kV的要求以及保證足夠的裕量，將整塊開關(guān)板設(shè)計(jì)為10個(gè)IGBT串聯(lián)，每個(gè)IGBT額定電壓為2kV。

（a）開關(guān)板整體圖

（b）局部細(xì)節(jié)圖

圖3 高壓開關(guān)示意圖

1.3 指數(shù)波仿真分析

如圖2所示，試品電容兩端電壓在一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，in是試品電容上的電壓，常數(shù)表達(dá)式為

（2）

式中，s和s分別是試品的等效電容值和電阻值，一般s值非常大，可以忽略不計(jì)。

值得一提的是，指數(shù)波波形隨著試品電容值的變化而變化，而試品電容值與電纜長(zhǎng)度呈線性關(guān)系，假設(shè)試品在上述0～1階段充電至in以上，可得

式中，為指數(shù)波的周期（=10s），0.9≤≤1，由式（3）可得

（4）

根據(jù)式（4）可得電阻2可允許的取值范圍隨s變化而變化的曲線，如圖4所示。其中，常數(shù)取值為0.99，2的最小取值為540kW，而為了滿足最壞的情況，取2為500kW。

圖4 R2可允許取值范圍隨Cs變化的曲線

通過(guò)SABER Sketch仿真軟件在不同負(fù)載情況下，對(duì)指數(shù)波發(fā)生器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，指數(shù)波發(fā)生器輸出波形符合理論研究。圖5中的波形曲線分別是s為500nF和1mF的情況下得到的仿真結(jié)果，其中g(shù)(Q1)為Q1門極電壓，g(Q2)為Q2門極電壓，g(S1)為S1門極電壓，g(S2)為S2門極電壓，o為試品兩端電壓，o為流過(guò)試品的電流，P1為1上的功率損耗，P2為2上的功率損耗，in為1兩端電壓。通過(guò)對(duì)比，可以看出，由于負(fù)載電容值減小，所以圖5（a）中充放電速度要大于圖5（b） 所示。

（a）s取值為500nF

（b）s取值為1mF

圖5 指數(shù)波發(fā)生器的仿真輸出波形

2 平臺(tái)搭建及試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室中研制了指數(shù)波發(fā)生器系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如下：1=15kW，2=6MW，1=200nF，調(diào)壓器T1功率為500W，升壓變壓器T2二次側(cè)最大電壓20kV；S1和S2均是1kV 50A交流開關(guān)；Q1和Q2均是20kV 1A高壓半導(dǎo)體開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，圖6（a）為指數(shù)波系統(tǒng)實(shí)物圖，圖6（b）為系統(tǒng)輸出電壓波形，此時(shí)s為50nF，s為1660MW，可以看出，電壓峰值為20kV，符合預(yù)期設(shè)計(jì)，且波形也與仿真結(jié)果相似。

（a）實(shí)物平臺(tái)

（b）指數(shù)波輸出電壓波形

圖6 指數(shù)波系統(tǒng)

3 結(jié)論

基于IGBT研制的雙路20kV高壓開關(guān)，設(shè)計(jì)了一種新型0.1Hz指數(shù)波發(fā)生器，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了初步試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)平臺(tái)可以在不同負(fù)載條件下產(chǎn)生預(yù)期的指數(shù)波波形，并且為了提高指數(shù)波發(fā)生器的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，然后搭建指數(shù)波平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)可產(chǎn)生額定幅值20kV的指數(shù)波。另外，研制該新型指數(shù)波發(fā)生器的最終目的是利用指數(shù)波檢測(cè)電纜絕緣狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量激勵(lì)電壓o和響應(yīng)電流o來(lái)計(jì)算電纜的tan和介電譜，對(duì)比傳統(tǒng)0.1Hz正弦波，指數(shù)波系統(tǒng)不僅可以分析基礎(chǔ)頻率，而且還可以分析諧振頻率，在電纜狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的前景。

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Very Low Frequency (VLF) Exponential Wave Generator for Status Detection of Power Cables

Chen Shuo Hou Zhe Zeng Xiaoming Li Hongjie

(Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

It has a new approach for the field test of power cables in recent years, due to application and development of very low frequency (VLF) technique. Common 0.1Hz high voltage source includes cosine-rectangular waves, triangular waves, etc. This paper describes a new kind of exponential wave generator, which mostly consists of a high-voltage AC source, a HV power electronic switching and HV resistor. Furthermore, preliminary experiments have been conducted in the lab, proving that it’s feasible and effective in the field of cable insulation detection by using exponential wave generator.

VLF; high voltage; exponential wave; high voltage switch

陳 碩（1993-），男，河南省商丘市人，碩士研究生，主要從事超低頻技術(shù)在XLPE電纜狀態(tài)檢測(cè)方面的研究工作。