电缆状态检测用超低频指数波发生器的研制

陈 硕 侯 喆 曾肖明 李洪杰



电缆状态检测用超低频指数波发生器的研制

陈 硕 侯 喆 曾肖明 李洪杰

（西安交通大学，西安 710049）

近年来，超低频技术（VLF）的应用和发展，为电缆现场状态检测提供了新的思路。常用的0.1Hz高压源包括余弦方波、三角波等。本文阐述了一种新型的指数波发生器。发生器装置主要由高压交流源、高压电力电子开关、高压电阻构成。本文在实验室中对该设备进行了初期试验，验证了指数波发生器在电缆绝缘检测领域的可行性和有效性。

超低频；高压；指数波；高压开关

XLPE/PE电缆已经被广泛应用于电力行业，电力部门需要定期对其进行绝缘预防性试验，但电缆电容量往往过大，因此在工频电压下对试验电源的容量要求较高[1-3]。近年来，超低频技术的应用为电缆现场检测试验提供了思路[4-5]，0.1Hz超低频系统试验容量小，设备重量轻，便携性好[6-8]。常用的超低频试验设备按照波形分类，主要有超低频正弦波和超低频余弦方波等[9]。利用超低频技术通过对电缆进行耐压试验和介损试验，可以较为灵敏地反映电缆内部受潮和水树情况。本文提出了一种新型的超低频指数波发生装置，并通过仿真技术和实验室试验验证了该系统在电缆绝缘检测方面的有效性和经济性，具有良好的工业发展前景。

1 指数波发生器工作原理

1.1 电路原理图

图1所示是指数波发生器的电路图，输入电压为工频220V交流源，并由调压器T1控制电压输出。极性开关P1包含两部分：正向高压半导体开关Q1，反向高压半导体开关Q2，可以通过光纤控制通断。1为限流电阻，作用是限制变压器的瞬态过电流。1为滤波电容；2的作用是调整电容试品上的电压波形。S1和S2是一对AC开关，通过开关通断与极性开关P1相配合，以防止变压器T2磁心饱和。

图1 指数波发生器示意图

图2描述了指数波发生器的工作原理，其中g是高压半导体门极电压，当为高电位时开关导通。如图2所示，半导体开关Q1和Q2在一周期（0～4）内分别导通半周期。系统开始工作时，正向开关Q1导通，经由电阻2，令试品电容充电至正极性预设电压（0～1），然后Q1断开，Q2导通，电容开始放电（1～2），并使电容电压充电至负极性预设电压（2～3），最后，Q1再次导通，Q2关断，电容在负极性状态进行放电（3～4）。开关S1是在充电过程中导通，而S2则是在放电过程中导通，目的是在磁心发生饱和时提供电流通道。

图2 指数波发生器典型波形

1.2 高压开关的相关设计

高压开关的整体结构如图3所示，包含三大部分：供电系统、驱动单元和IGBT单元。整块开关板由若干个IGBT开关相串联组成，与其相关的还有驱动电路、供电输出、过冲保护电路。为了保证每个IGBT所承受的电压相同，每个IGBT均与高压电阻并联，同时并联上TVS管，以吸收瞬时过冲电压。为了满足开关板耐压20kV的要求以及保证足够的裕量，将整块开关板设计为10个IGBT串联，每个IGBT额定电压为2kV。

（a）开关板整体图

（b）局部细节图

图3 高压开关示意图

1.3 指数波仿真分析

如图2所示，试品电容两端电压在一个周期内的数学表达式为

式中，in是试品电容上的电压，常数表达式为

（2）

式中，s和s分别是试品的等效电容值和电阻值，一般s值非常大，可以忽略不计。

值得一提的是，指数波波形随着试品电容值的变化而变化，而试品电容值与电缆长度呈线性关系，假设试品在上述0～1阶段充电至in以上，可得

式中，为指数波的周期（=10s），0.9≤≤1，由式（3）可得

（4）

根据式（4）可得电阻2可允许的取值范围随s变化而变化的曲线，如图4所示。其中，常数取值为0.99，2的最小取值为540kW，而为了满足最坏的情况，取2为500kW。

图4 R2可允许取值范围随Cs变化的曲线

通过SABER Sketch仿真软件在不同负载情况下，对指数波发生器进行仿真，仿真结果表明，指数波发生器输出波形符合理论研究。图5中的波形曲线分别是s为500nF和1mF的情况下得到的仿真结果，其中g(Q1)为Q1门极电压，g(Q2)为Q2门极电压，g(S1)为S1门极电压，g(S2)为S2门极电压，o为试品两端电压，o为流过试品的电流，P1为1上的功率损耗，P2为2上的功率损耗，in为1两端电压。通过对比，可以看出，由于负载电容值减小，所以图5（a）中充放电速度要大于图5（b） 所示。

（a）s取值为500nF

（b）s取值为1mF

图5 指数波发生器的仿真输出波形

2 平台搭建及试验结果

为了验证仿真结果，实验室中研制了指数波发生器系统，系统参数如下：1=15kW，2=6MW，1=200nF，调压器T1功率为500W，升压变压器T2二次侧最大电压20kV；S1和S2均是1kV 50A交流开关；Q1和Q2均是20kV 1A高压半导体开关。

实验系统如图6所示，图6（a）为指数波系统实物图，图6（b）为系统输出电压波形，此时s为50nF，s为1660MW，可以看出，电压峰值为20kV，符合预期设计，且波形也与仿真结果相似。

（a）实物平台

（b）指数波输出电压波形

图6 指数波系统

3 结论

基于IGBT研制的双路20kV高压开关，设计了一种新型0.1Hz指数波发生器，并在实验室中进行了初步试验。仿真结果表明，系统平台可以在不同负载条件下产生预期的指数波波形，并且为了提高指数波发生器的稳定性，对系统参数进行重新计算，然后搭建指数波平台，根据实验结果，系统可产生额定幅值20kV的指数波。另外，研制该新型指数波发生器的最终目的是利用指数波检测电缆绝缘状态，通过测量激励电压o和响应电流o来计算电缆的tan和介电谱，对比传统0.1Hz正弦波，指数波系统不仅可以分析基础频率，而且还可以分析谐振频率，在电缆状态检测领域具有广阔的前景。

[1] 王永红, 何丽娟, 高庆政, 等. 用超低频方法进行XLPE/PE电缆试验[J]. 黑龙江电力技术, 1999, 21(5): 20-21.

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[3] 曹佳滨. 交联聚乙烯电缆现场耐压试验的特点分析[J]. 绝缘材料, 2008, 41(3): 63-65.

[4] 张鹏. XLPE电力电缆耐压试验的探讨[J]. 电气开关, 2007, 45(4): 25-26, 29.

[5] 樊伟成, 田立斌, 谭康, 等. XLPE电缆检测现场试验等效性研究概况[J]. 电气技术, 2013(11): 45-48.

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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

陈 硕（1993-），男，河南省商丘市人，硕士研究生，主要从事超低频技术在XLPE电缆状态检测方面的研究工作。