CN102412739A

CN102412739A - 一种超低频高压电源

Info

Publication number: CN102412739A
Application number: CN2011104054473A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 唐瑶; 李国锋; 刘志刚
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: CN102412739B

Abstract

本发明涉及一种对电力电缆进行耐压测试的超低频高压电源，由主电路和控制电路构成，所述的主电路，其特征在于由LCC谐振逆变器、高频升压变压器、飞盘式旋转整流装置构成。高频升压变压器采用Z型分段分层设计；其分布参数通过移相调频双重控制的LCC谐振逆变器进行补偿，并通过谐振实现软开关；旋转整流装置由固定电极和旋转电极构成，在飞盘上固定桥式整流电路，使之与飞盘一起旋转。所述的控制电路主要完成LCC软开关控制、串口数据通讯、故障状态采集、驱动步进电机的功能，实现智能化控制。本电源克服了现有超低频电源设备笨重、成本高、故障率高的缺点，可以对电力电缆进行超低频耐压测试。

Description

一种超低频高压电源

技术领域

本发明涉及一种超低频高压电源，属于电气产品领域。

背景技术

近30年来，国内外研究机构和实验室提出了众多电缆绝缘性能试验方法和检测手段，包括直流耐压、工频耐压、0.1Hz超低频耐压、变频谐振耐压、kHz振荡波耐压等测试手段。直流耐压试验不适用于对电缆进行耐压测试，因为在直流电场下形成的空间电荷会保存在电缆绝缘层中，当试验完毕重新投入运行后，残存的空间电荷产生的电场会与运行电压的电场叠加，给实际仍能运行的电缆造成击穿；交流工频耐压试验最为有效，但由于电力电缆的电容很大，需要大功率试验设备，设备笨重，难以对电缆进行预防性耐压试验。1990年奥地利学者Kruger首次提出橡塑电力电缆经过直流耐压试验以后存在累计破坏效应，建议停止直流耐压试验，提出用0.1Hz超低频耐压试验代替的理论；国际大电网会议(CIGRE)专门成立了一个工作组研究取代直流耐压试验的可能性，经过十多年时间的研究，发现超低频0.1Hz正弦电压、超低频0.1Hz余弦方波电压、振荡波测试电压、50Hz交流谐振试验电压可以适应于电缆绝缘检测。柏林工业大学经过数年的研究发现，50Hz交流谐振试验只能测出对电缆造成直接威胁的缺陷，研究认为PE/XLPE电缆进行电压测试的最好电压形式是0.1Hz余弦方波电压，因为它可以提供相对低的局部放电起始电压和相对高的通道增长速度。

由于0.1Hz耐压试验装置容量理论上是工频(50Hz)的1/500，耐压效果与工频具有等效性。在欧美发达国家，广泛采用0.1Hz超低频耐压试验技术，极大提高了电缆供电的可靠性。1995年德国制定VDE DIN 0276Part 1001(May1995)《中压橡塑电缆交接试验工频交流耐压和0.1Hz耐压试验电压标准》；1996年美国电力研究所(EPRI)发布了《中压电力电缆0.1Hz现场试行导则》；我国2004年颁布了电力行业标准《超低频高压发生器通用技术条件DL/T849.4-2004》，为推广超低频技术起了关键作用；0.1Hz超低频耐压测试方法已成为是国内电缆绝缘检测试验方法的一种趋势。

由于需要产生超低频数百千伏的高压，而变压器不能通过超低频的基波分量，因此，现在正在使用的超低频高压交流电源都有设计复杂、故障率高、成本高等缺点。国内的超低频高压发生器多是进口产品，产自德国。其结构主要分为电子式和机械式两种。电子式超低频电源主要通过谐振产生高压电，并通过开关管级联的方式进行极性转换，这个方法的缺点是多管级联控制电路复杂，成本高，一旦一个器件损坏，整个桥臂都会损坏；代替级联的方法就是使用氢闸管，但是现在氢闸管技术不很成熟，单管造价昂贵，驱动电路复杂，不适合大规模的生产和使用。另外一种电子式的方法，采用光控开关实现能量的双向传递，取代了机械式的极性转换开关，并且使用了单片机对整个电源进行控制，提高系统的自动化程度，其缺点是仍然采用50Hz的工频变压器进行升压，整个电源的体积大、质量重，其次，高压光控开关造价昂贵，设计过程复杂，不适合大规模工业生产。机械式装置有两种，一种是以每5s的间隔定期变换极性，从而得到0.1Hz频率为基础的电压，再通过一个能动的整流器，一个扼流线圈(电感)和一个由0.5uF的系统电容器和电缆本身的电容组成的电容器，产生了从一个极到另一个极的转换。这个装置基本上是一个大功率谐振回路。这种方法使用谐振方法产生超低频电压，调制波的频率相差0.2Hz，控制难度大，使输出电压和频率不易精确控制。另一种是通过接入幅值可以改变的变压器，变压器输出以正弦波模式周期性的增加或者减少，频率是两倍的输出频率，该调制工频电压经过高压变压器逐渐升压，该高压变压器的输出通过一个能产生单极电压的全波整流器来整流。最后，整流器与终端之间的一个极性开关每隔半个周期就会将整流后的电压的极性颠倒一下得到需要的高压超低频正弦波。这样方法由于使用工频变压器，变压器的体积很大，导致整个电源装置体积庞大，不利于便携式的要求。另外，幅值可以调节的变压器需要配有专用的电机实现，增加的设计的复杂性，故障率高。

发明内容

为了克服现有的超低频电源设备笨重，成本高、故障率高的缺点，本发明提供一种结构简单、智能化控制、便携式、低成本、故障率低的超低频高压交流电源，主要针对35kV及其以下电压等级的电力电缆进行耐压测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种电缆检测用超低频高压电源装置，包括主电路和控制电路。所述的主电路，包括整流滤波电路、LCC谐振逆变器、高频升压变压器和飞盘式旋转整流装置。

其中，LCC谐振逆变器采用四个IGBT组成的全桥逆变拓扑，每个桥臂并联一个缓冲电容以实现零电流关断。逆变器使用串联谐振电感L_S、串联谐振电容C_S、并联谐振电容C_P构成LCC谐振单元，其中，L_S包含了变压器的漏感，C_P包含了变压器的分布电容，这样可以利用高频升压变压器的分布参数作为谐振元件，既避免了变压器分布参数对电源产生的不利影响，又可以实现逆变器的软开关，从而提高变换器的效率。高频升压变压器的分布参数通过移相调频双重控制的LCC谐振逆变器进行补偿，相对于以前只使用调频的方式，有更大的灵活性，更有利于对逆变器的工作稳定性和输出滤波器的设计。其控制方式如下：

对电感电流值和负载电压电流值进行采样，当电感电流过零时，开通Q1，此时Q1是零电流开通；半个周期后，关断Q1，由于Q1两端有反并联电容，电容限制了开关管两端的电压上升率，从而实现零电压关断。电感电流i_Ls给C1充电，C3放电，当C3电压为零时，Q1～D3自然换向完成。由于C1的缓冲作用，Q1关断时电压上升率很小，近似于零电压关断。再经过一段时间，D3导通，Q3两端的电压为零，此时开通Q3，则Q3为零电压开通，经过半个周期关断Q3，同样由于其并联缓冲电容的作用，可以实现零电压关断。按照同样的方式在下半个周期里开通和关断Q2和Q4，可以实现每个开关管的零开关。为了保持输出电压的稳定，需要根据负载的电流电压值进行闭环控制。当负载电流增加时，减小开关频率，同时通过调节开关管的移相角，增加占空比，从而在保证软开关的同时仍然能够保持输出电压稳定；反之，在负载电流变小时，增大开关频率，同时通过调节开关管的移相角，减小占空比。采用移相和调频双重控制方式对LCC谐振电路进行控制，可以利用高频升压变压器的漏感和分布电容，实现三元件谐振，使开关管Q1、Q2、Q3、Q4实现零电流开通和零电压关断，反并联二极管D1、D2、D3、D4自然关断(ZVS)，不存在关断损耗。

高频升压变压器采用Z型分段分层缠绕，以减小分布参数的不利影响；变压器初级采用五根相互绝缘的导线按照逆时针方向缠绕在一起，以减小高频下的集肤效应；变压器次级的一层的末端与下一层的首端Z型相连，变压器次级分为四段，串级连接，每一段分为十层，高频升压变压器通过聚四氟乙烯膜和电缆纸配合使用进行绝缘，并通过在次级增加电缆纸制作的油道进行散热处理，当铜导线发热时，通过绝缘油的对流可以将热量快速带走，使其能够稳定工作。

飞盘式旋转整流装置由上下各两个固定电极：固定电极A、固定电极B、固定电极C、固定电极D，以及与之对应的四个旋转电极：旋转电极A、旋转电极B、旋转电极C、旋转电极D组成；顶部固定板上的两个固定电极A、固定电极B，分别接高频升压变压器的次级输出端；底部固定板上的固定电极C和固定电极D，分别接飞盘式旋转整流装置的输出端；四个相差90°的旋转电极A、旋转电极B、旋转电极C和旋转电极D分别安装在圆形飞盘的上、下两侧；旋转电极A和旋转电极B分别与固定电极A、固定电极B交替接触，构成一对电极；旋转电极C、旋转电极D分别与固定电极C、固定电极D交替接触，构成另一对电极；飞盘由步进电机带动旋转；步进电机旋转方式为正转180°，相隔固定时间后，反转180°，采用限位装置使步进电机停在180°的位置，避免突然停止产生的失步；飞盘转动的频率由步进电机的转速和脉冲停止的时间共同决定；飞盘上固定四个高压硅堆D₀₁、D₀₂、D₀₃、D₀₄组成桥式整流电路，四个高压硅堆随着飞盘旋转，使整流电路的输出极性改变从而得到需要的超低频波形。通过步进电机控制飞盘旋转，并控制其旋转速度使输出电压频率可调。高压输出端输出的电压最大幅值为100kV，并且可以从0到100kV连续可调，输出超低频频率由0.01Hz-10Hz连续可调。飞盘和固定板由厚度为10mm的绝缘材料有机玻璃制成，电极材料为钨铜。

本发明所述的控制电路，由外部采样芯片和控制芯片共同组成。外部采样芯片对被测电缆的电压电流实时采样并完成A/D转换；控制芯片主要完成以下功能：驱动波形发生器、LCC软开关控制，串口数据通讯、故障状态采集、故障分析输出、步进电机驱动器。其具体工作过程是：外部采样芯片对电力电缆的电压电流值快速采样并进行A/D转换，转换为控制芯片可以接受的数字信号。控制芯片主要实现以下功能：首先，通过驱动波形发生器产生PWM驱动波形，由驱动电路驱动后给LCC谐振逆变器中的IGBT提供驱动信号；其次，根据外部采样芯片的采样结果，通过串口数据通讯与上位机通信；通过调频和移相双重控制，实现LCC谐振逆变器中IGBT的软开关；进行故障状态采集，一旦出现故障，首先进行硬件故障判断，同时由控制芯片进行故障分析输出，产生的故障信号通过继电器输出，实现软件故障保护，产生故障显示与报警；最后，控制芯片产生频率可调的步进电机的控制信号，并通过步进电机驱动器为步进电机提供工作信号，使整个装置频率连续可调。

除此之外，本发明通过信号处理单元和驱动电路完成主电路和控制电路的连接，一旦被测电缆出现绝缘故障，故障状态通过继电器输出，并产生故障显示与报警。

本发明的有益效果是：通过使用微处理器提高产品智能化程度；采用特殊缠绕方式和的高频升压变压器，并配合LCC谐振电路使电源体积和质量较工频电源大幅减小；采用旋转整流装置，实现机械和电气的结合，简化电源结构，降低产品成本，减少故障率。此装置可以对电力电缆进行连续在线的耐压测试。

附图说明

图1是本发明所述的超低频高压交流电源的基本电路图。

图2是LCC谐振逆变器的电路原理图。

图3是高频升压变压器的绕组分布图。

图4是高频升压变压器结构剖面图。

图5是飞盘式旋转整流装置结构示意图。

图6是飞盘712的俯视图。

图中：1电网输入，2整流滤波电路，3初级电压采样，4初级电流采样，5LCC谐振逆变器，6高频升压变压器，7飞盘式旋转整流装置，

8次级电压采样，9保护电阻，10次级电流采样，11被测电力电缆芯，

12被测电力电缆外壳，13外部采样芯片，14控制芯片，15继电器16控制单元17信号处理单元，18驱动电路，19信号预处理单元，20故障显示与报警，

21和22为高频升压变压器的次级输出端，

23和24为飞盘式旋转整流装置的输出端；

601和602为变压器初级绕组，603和604为变压器次级绕组，605电缆纸，606磁芯，607骨架，608聚四氟乙烯膜，609油道；

701固定电极A，702固定电极B，703固定电极C、704固定电极D，

705旋转电极A，706旋转电极B，707旋转电极C，708旋转电极，

709步进电机，710顶部固定板，711底部固定板，712飞盘。

具体实施方式

在图1中，电网电压1经过整流滤波电路2后，得到直流电压，直流电压经过LCC谐振逆变器5高频逆变，得到频率为20kHz的高频交流电；再经过高频升压变压器6进行升压，最后通过飞盘式旋转整流装置7同时进行整流和逆变，通过保护电阻9连接被测电力电缆芯11，被测电力电缆外壳12接地。

控制单元16主要由外部采样芯片13和控制芯片14配合完成其功能，其具体工作过程是：对主电路初级电流和电压进行采样3、4，并通过信号处理单元17，变换为控制芯片14可以处理的信号，初级的电流电压信号直接由控制芯片14进行A/D转换。对主电路次级电流和电压进行采样10、8，并通过信号预处理单元19，变换为外部采样芯片13可以处理的信号；外部采样芯片主电路次级电流和电压流值进行A/D转换，转换为控制芯片可以接受的数字信号。控制芯片主要实现以下功能：首先，通过驱动波形发生器产生PWM驱动波形，由驱动电路18驱动后给LCC谐振逆变器中的IGBT提供驱动信号；其次，根据外部采样芯片的采样结果，通过串口数据通讯与上位机通信；通过调频和移相双重控制，实现LCC谐振逆变器中IGBT的软开关；进行故障状态采集，一旦出现故障，首先进行硬件故障判断，同时由控制芯片进行故障分析输出，产生的故障信号通过继电器15输出，实现软件故障保护，产生故障显示与报警20；最后，控制芯片产生频率可调的步进电机的控制信号，并通过步进电机驱动器为步进电机提供工作信号，使整个装置频率连续可调。

图2是LCC谐振逆变器5具体的电路原理图，按照图2对主电路中的谐振部分进行连接，其中，逆变电路采用4个IGBT组成的全桥拓扑，每个IBGT模块的源级和漏极之间并联一个二极管和一个缓冲电容，缓冲电容C₁，C₂，C₃，C₄均为0.1uF；串联谐振电感L_s和串联谐振电容C_s与高频升压变压器的初级侧串联，并联谐振电容C_p与高频升压变压器的初级侧并联，串联谐振电感L_s为110uH，串联谐振电容C_s为300nF，并联谐振电容C_p为260nF。高频升压变压器6的次级输出端21和22分别与飞盘式旋转整流装置7的固定电极A和固定电极B连接，飞盘式旋转整流装置7的输出端23和24分别与飞盘式旋转整流装置7的固定电极C和固定电极D连接；被测电力电缆等效为一个容性负载，因此，保护电阻R_L与被测电力电缆C_L组成RC网络，保护电阻阻值不小于100kΩ，其功率不小于800W。按照移相调频双重控制实现LCC谐振逆变器的软开关，频率的变化范围为18kHz到25kHz，占空比的变化范围为0.5到0.85。

图3阐述了高频升压变压器6的绕组的分布图。其初级绕组601和602用五根相互绝缘的导线按照逆时针方向缠绕在一起，导线线径为AWG28，其次级绕组603和604分成4段，每一段的末端与下一段的首段相连，每一段绕组又分为10层，缠绕方式选择Z型缠绕方式，即每一层的末端与下一层的首端连接，次级绕组线径为AWG32，变压器次级的最外层采用电缆纸605作为绝缘材料，磁芯采用一对U型磁芯，整个高频高压变压器浸泡在变压器油里，抽成真空环境后密封在铝做成的密闭装置内。

图4是高频升压变压器6结构剖面图，给出了高频升压变压器6的结构参数及所选用的绝缘材料。变压器骨架607固定在磁芯606和聚四氟乙烯膜608之间，由于聚四氟乙烯膜容易磨损，并且阻挡绝缘油的流动，导致变压器内部过热而损坏变压器，因此高频升压变压器的绝缘采用较硬的电缆纸605与高电压绝缘强度的聚四氟乙烯膜608搭配使用。为了达到快速散热的要求，初级绕组与二次侧绕组之间，二次侧绕组层与层之间添加了油道609，油道由聚四氟乙烯板制作。当铜导线发热时，通过绝缘油的对流可以将热量快速带走。高频高压升压器6各个部分的绝缘距离为：初级绕组和磁芯的绝缘距离是2.5mm，初级绕组和次级绕组之间的绝缘距离是3.5mm，次级绕组和次级绕组之间的绝缘距离是0.8mm。

图5是飞盘式旋转整流装置7结构示意图，图中，顶部固定板710上的两个固定电极A、固定电极B，分别接高频升压变压器的次级输出端29、30；底部固定板711上的固定电极C和固定电极D，分别接飞盘式旋转整流装置的输出端31、32，每一个固定电极分别开了一个弧形的槽，槽的直径为8mm；旋转电极A、旋转电极B、旋转电极C和旋转电极D各相差90度，分别安装在圆形飞盘712的上、下两侧，旋转电极末端固定一个直径6mm的圆球，与对应的固定电极直接接触。采用钨铜作为电极材料，有机玻璃作为绝缘材料，整个系统密闭在抽过真空环境的大箱体内部。

图6是飞盘712的俯视图，飞盘上固定四个高压硅堆D₀₁、D₀₂、D₀₃、D₀₄组成桥式整流电路，其耐压值为200kV，通过步进电机控制飞盘旋转，并控制其旋转速度使输出电压频率可调。本实例中，转动周期为10s，此时，超低频电源的输出频率为0.1Hz。

由于超低频耐压试验是破坏性试验，试验时，建议先使用10000伏兆欧表对试品电缆先进行绝缘电阻试验，在具体进行电力电缆的耐压测试，将超低频高压电源的输出端接被测电缆的缆芯，将试品电缆的接地极以及超低频高压电源的接地极全部采用裸铜线可靠接地。试验电压峰值Umax取值为3Uo，其中Uo为电缆相电压的定额值。按照需要确定测量的时间，一般选择为60min。用柔性连接电缆将试验设备与试品电缆相连接，合上电源，开始升压进行试验。升压过程应密切监视高压回路，监听试品电缆是否有异常响声。升至试验电压时，即开始记录试验时间并读取试验电压值。试验时间到后，先将电压降至零位，然后切断电源，连接接地线，试验中若无破坏性放电发生，则认为通过耐压试验。在升压和耐压过程中，如发现电压表指针摆动较大，电流表指示急剧增加，调压器继续升压值电压基本不变甚至显下降趋势，而电流增加幅度较大，试品电缆发出异味，烟雾或异常响声或闪络等现象，应立即停止升压，降压停电后查明原因，这些现象如查明是试品电缆绝缘部分簿弱引起的，则认为耐压试验不合格；如确定是试品电缆由于空气湿度或表面脏污等原因所致，应将试品电缆清洁干燥处理后，再进行试验。试验过程中，如果遇非试品电缆绝缘缺陷的失去电源，使试验中断，在查明原因恢复电源后，应重新进行全时间连续耐压试验，不能仅进行补足时间试验。需要注意的是，所有人体将触及操作，均应在接地线经确认连接良好后进行。

Claims

1.一种超低频高压电源，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述的主电路包括整流滤波电路、LCC谐振逆变器、高频升压变压器和飞盘式旋转整流装置；

LCC谐振逆变器采用四个IGBT组成的全桥逆变拓扑，每个桥臂并联一个缓冲电容；逆变器使用串联谐振电感L_S、串联谐振电容C_S、并联谐振电容C_P构成LCC谐振单元，其中，L_S包含了变压器的漏感，C_P包含了变压器的分布电容；高频升压变压器的分布参数通过移相调频双重控制的LCC谐振逆变器进行补偿；

高频升压变压器采用Z型分段分层缠绕；变压器初级采用五根相互绝缘的导线按照逆时针方向缠绕在一起；变压器次级的一层的末端与下一层的首端Z型相连，变压器次级分为四段，串级连接，每一段分为十层；

飞盘式旋转整流装置由上下各两个固定电极：固定电极A(701)、固定电极B(702)、固定电极C(703)、固定电极D(704)，以及与之对应的四个旋转电极：旋转电极A(705)、旋转电极B(706)、旋转电极C(707)、旋转电极D(708)组成；顶部固定板(710)上的两个固定电极A(701)、固定电极B(702)，分别接高频升压变压器的次级输出端29、30；底部固定板(711)上的固定电极C(703)和固定电极D(704)，分别接飞盘式旋转整流装置的输出端31、32；四个相差90°的旋转电极A(705)、旋转电极B(706)、旋转电极C(707)和旋转电极D(708)分别安装在圆形飞盘(712)的上、下两侧；旋转电极A(705)和旋转电极B(706)分别与固定电极A(701)、固定电极B(702)交替接触，构成一对电极；旋转电极C(707)、旋转电极D(708)分别与固定电极C(703)、固定电极D(704)交替接触，构成另一对电极；飞盘由步进电机(709)带动旋转；步进电机旋转方式为正转180°，相隔固定时间后，反转180°，采用限位装置使步进电机停在180°的位置，避免突然停止产生的失步；飞盘转动的频率由步进电机的转速和脉冲停止的时间共同决定；飞盘上固定四个高压硅堆D₀₁、D₀₂、D₀₃、D₀₄组成桥式整流电路，四个高压硅堆随着飞盘旋转，使整流电路的输出极性改变从而得到需要的超低频波形；通过步进电机控制飞盘旋转，并控制其旋转速度使输出电压频率可调；高压输出端输出的电压最大幅值为100kV，从0到100kV连续可调，输出超低频频率由0.01Hz-10Hz连续可调；飞盘和固定板由厚度为10mm的绝缘材料有机玻璃制成，电极材料为钨铜；

所述的控制电路，由外部采样芯片和控制芯片组成；外部采样芯片对被测电缆的电压电流实时采样并完成A/D转换；控制芯片完成以下功能：驱动波形发生器、LCC软开关控制，串口数据通讯、故障状态采集、故障分析输出、步进电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种超低频高压电源，其特征在于，高频升压变压器变压器的绝缘通过聚四氟乙烯膜和电缆纸配合使用进行绝缘，并通过在次级增加电缆纸制作的油道进行散热处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种超低频高压电源，其特征在于，LCC谐振逆变器控制方式如下：

对电感电流值和负载电压电流值进行采样，当电感电流过零时，开通Q1，此时Q1是零电流开通；半个周期后，关断Q1，由于Q1两端有反并联电容，电容限制了开关管两端的电压上升率，从而实现零电压关断；电感电流i_Ls给C₁充电，C₃放电，当C3电压为零时，Q1～D3自然换向完成；由于C1的缓冲作用，Q1关断时电压上升率很小，近似于零电压关断；再经过一段时间，D3导通，Q3两端的电压为零，此时开通Q3，则Q3为零电压开通，经过半个周期关断Q3，同样由于其并联缓冲电容的作用，实现零电压关断；按照同样的方式在下半个周期里开通和关断Q2和Q4，实现每个开关管的零开关；为了保持输出电压的稳定，需要根据负载的电流电压值进行闭环控制；当负载电流增加时，减小开关频率，同时通过调节开关管的移相角，增加占空比，从而在保证软开关的同时仍然能够保持输出电压稳定；反之，在负载电流变小时，增大开关频率，同时通过调节开关管的移相角，减小占空比；采用移相和调频双重控制方式对LCC谐振电路进行控制，利用高频升压变压器的漏感和分布电容，实现三元件谐振，使开关管Q1、Q2、Q3、Q4实现零电流开通和零电压关断，反并联二极管D1、D2、D3、D4自然关断(ZVS)，不存在关断损耗。