CN203858275U - 一种基于fpga的高压交联电缆测试电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型的基于FPGA的高压交联电缆测试电源，由控制继电器、整流电路、滤波电路、逆变电路、励磁变压器、谐振电抗器依次连接，所述逆变电路由所述控制电路控制，交流电源经变频器输出可调的交流电压，输入到所述励磁变压器，升压后，输入由所述谐振电抗器、电缆试品电容、励磁变压器组成的谐振回路。本实用新型采用串联谐振型电路，可对不同长度的XLPE电缆进行耐压试验，通过FPGA实现自动频率跟踪的智能化控制提高系统的控制精度，具有重量轻、电源容量需求小、控制结构简单、控制方便，很适宜现场使用等优点，在输出功率为6kW的情况下，使电缆试品上承受的电压稳步升高到18kV，满足18kV以下交联聚乙烯电缆的耐压测试要求。

Description

一种基于FPGA的高压交联电缆测试电源

技术领域

本实用新型涉及一种高压测试电源领域，尤其涉及一种在采用串联谐振型电路基础上的高压交联电缆测试电源。

背景技术

随着城市改造工程的不断实施，高电压等级的电力电缆使用的也越来越多，其中以交联聚乙烯电缆为主要代表的橡塑绝缘电缆应用的最为普遍。它是利用化学方法使线型分子结构的聚乙烯转变为立体网状结构的交联聚乙烯，从而大大的提高了电缆的机械-热性能，同时也保持了电缆良好的电气性能。XPLE电缆是交联聚乙烯绝缘电缆的简称。交联聚乙烯电缆具有重量很轻，安装方便, 热性能很好, ,传输容量大，允许工作温度比较高，维护容易,无漏油，可靠性高,故障率低，工艺简单,等许多优点，正由于交联聚乙烯(XLPE)电缆具有这些种种的优点，从而成为以后高压电缆发展的主要方向,在配电网中已经逐步取代了油纸电缆，成为了大型工程中高压电缆选取的主流品种。虽然交联聚乙烯电缆在出厂前，都已经过了非常严格的试验,但在运输、安装等过程中，很可能对电缆造成许多新的损伤。所以在安装好后，必须对新安装的电缆进行再次的安全检测试验。

目前, 高压电缆耐压测试的方法主要有直流耐压测试、超低频耐压测试、振荡波耐压测试、工频串联谐振以及调频谐振耐压测试等方法。直流耐压试验中，XLPE电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，电缆内部会存储直流残余电荷，叠加在工频电压峰值上，导致电缆绝缘层被击穿；XLPE电缆绝缘层内部容易产生水树枝，在直流电压下，会迅速的发展成电树枝，从而导致介质绝缘性能严重损坏。超低频(0.1Hz)耐压试验方法有很多优点，但目前开发出来的超低频试验设备最高输出电压不是很高，无法满足较高压电缆的试验要求。振荡波耐压测试由于每相电缆试验时，放电次数为50次，试验时间较长，放电响声较大，对30kV或35kV中压电缆，此方法显得比较繁琐。工频串联谐振试验靠调节电抗器电感值来达到调节电路谐振频率的目的，电感值变化有一定范围，所带的容性负载也就有相应的范围限制，由于交联聚乙烯绝缘电缆从几十米到几十千米都有可能，测试电缆的容量也会随之变化，工频串联谐振试验很难满足实际试验条件。

对于系统中控制部分来说，目前国内采用模拟模块实现PWM输出已经比较成熟了，并且因为其使用简单、方便、集成度高等优点在国内得到广泛应用。但是这类芯片最大的缺点就是波形不稳定，会受到电磁场和工作环境的影响，漂移现象严重，而且不易用微处理器控制，动态调节频率和功率困难。同时，当逆变器负载固有频率发生变化时，如果此时逆变器的工作频率不能随之改变，就会使逆变器偏离最佳工作点，这不仅使逆变器桥臂上的开关器件开关损耗增加，而且当逆变器偏离负载谐振点较远时，在一定的Q值下，还会使负载阻抗增大，使逆变器的功率容量不能充分利用，工作效率下降。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型采用串联谐振型电路，提供了一种基于FPGA的高压交联电缆测试电源。

本实用新型的技术解决方案是：一种基于FPGA的高压交联电缆测试电源，由控制电路、逆变电路、滤波电路、整流电路、控制继电器、整流滤波电路、励磁变压器、谐振电抗器、电缆试品电容组成，工作原理为：交流电源经变频器输出可调的交流电压，输入到励磁变压器，升压后，输入由高压谐振电抗器、电缆试品电容组成的谐振回路。

控制继电器可以实时判断系统故障并及时做出反应。为了减小系统控制的复杂度，所述整流电路采用单相桥式不可控整流电路；所述滤波电路是由电容和电感组成的π型滤波电路；所述逆变电路是由4个IGBT组成的全桥逆变电路，前级逆变电路的控制电路实现调压功能，后级逆变电路的控制电路实现调频功能，这就满足了电缆耐压测试电源中电压和频率同时可调的要求；所述控制电路具有自动频率跟踪功能，核心是全数字化的锁相环。

逆变器刚开始工作的时候需要驱动脉冲，因此必须先给一个他激频率信号，经过死区产生环节和PWM产生环节产生四路PWM波形来驱动全桥逆变，此时选择器的开关信号为0；当逆变电路工作使得负载侧电流达到一定的值后，选择器开关信号变为1，电路由他激模式转换为自激模式，取样负载侧电流经过数字锁相环后再产生四路PWM波来驱动全桥逆变。

本实用新型的有益效果是：本实用新型对于交联聚乙烯电缆而言，采用交流耐压试验，根据电缆实际电容的大小，选用变频串联谐振的试验方法，可以很好的模拟电缆的实际运行情况；当试验电缆被击穿时，失去谐振条件，高压电压和低压电流自动减小，因此不会扩大被试品的故障点；通过FPGA实现自动频率跟踪的智能化控制更加能够提高系统的控制精度，具有重量轻、电源容量需求小、控制结构简单、控制方便，很适宜现场使用等优点，在输出功率为6kW的情况下，可以使电缆试品上承受的电压稳步升高到18kV，满足18kV以下交联聚乙烯电缆的耐压测试要求。

附图说明

图1为本实用新型工作原理图。

图2为本实用新型主电路结构框图。

图3为本实用新型中控制电路设计框图。                      

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本实用新型技术方案做进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，图1为本实用新型工作原理图；图2为本实用新型主电路结构框图；图3为本实用新型中控制电路设计框图。

本实施例的基于FPGA的高压交联电缆测试电源，由控制电路、逆变电路、滤波电路、整流电路、控制继电器、整流滤波电路、励磁变压器、谐振电抗器、电缆试品电容组成，工作原理为：交流220V、50HZ的电源经变频器输出30-300HZ频率可调的电压，输入到励磁变压器，升压至0-2000V，再经谐振电抗器L或串并联组合的电抗器和被试电缆C_x，构成高压主谐振回路，电容分压器为纯电容式，用来测量试验电压。根据串联谐振的原理及表达式，有：，其中Q是品质因数，降低谐振电抗器和变压器的内阻，适当增大谐振电抗器的电感量L，就可以在较小的励磁电压U下，使被试电缆C_x上产生几十倍于U_e的试验输出电压^[1]，同时，如果被试品被击穿，电路立即失去谐振条件，被试品两端的电压急剧减小，从而起到了保护被试品的作用。

控制部分的核心是全数字化的锁相环，是由数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器组成，其中数字环路滤波器是由K变模可逆计数器构成；数控振荡器是由脉冲加减电路和除N计数器构成；K变模可逆计数器和脉冲加减电路的时钟分别设为Mf_c和2Nf_c，f_c是环路的中心频率，一般情况下，我们都取M和N是2的整数幂。

数字鉴相器是用来比较逆变负载侧反馈信号F_in和除N计数器的输出信号F_out的相位差，因为本系统采用的是串联谐振型电路，其逆变负载侧电流的高次谐波分量小，基波分量最大，因此F_in是取自负载侧的电流。数字鉴相器的输出信号u₀是F_in和F_out的异或信号，它直接输入到K变模可逆计数器，作为可逆计数器的方向脉冲。当u₀为高电平时，计数器做减运算，当减到0时，输出一个借位脉冲r2；当u₀为低电平时，计数器做加运算，当加到设置的K值时，输出一个进位脉冲r1。r1和r2信号分别输入到脉冲加减电路的inc端和dec端，当没有进位或者借位信号时，电路仅对输入时钟进行二分频；当有进位信号时，就在输入时钟中插入半个脉冲；当有借位信号时，就在输入时钟中减去半个脉冲，再将输出信号idout进行N分频，以此来调节输出信号F_out的频率来跟踪输入信号F_in的频率。

因为瞬时频率和瞬时相位的关系是：，如果锁相环的输入信号和输出信号的频率差为，相位差为，则有：，根据公式可以看出，若要实现输入信号和输出信号的频率相等，只要它们的相位差是一个恒定不变的常数即可，环路实现锁定。

以上所述仅为本实用新型之较佳实施例而已，并非以此限制本实用新型的实施范围，凡熟悉此项技术者，运用本实用新型的原则及技术特征，所作的各种变更及装饰，皆应涵盖于本权利要求书所界定的保护范畴之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的高压交联电缆测试电源，包括电缆试品电容、控制电路，其特征在于：它还由控制继电器、整流电路、滤波电路、逆变电路、励磁变压器、谐振电抗器依次连接，所述逆变电路由所述控制电路控制，交流电源经变频器输出可调的交流电压，输入到所述励磁变压器，升压后，输入由所述谐振电抗器、电缆试品电容、励磁变压器组成的谐振回路。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高压交联电缆测试电源，其特征在于：所述整流电路采用单相桥式不可控整流电路；所述滤波电路是由电容和电感组成的π型滤波电路；所述逆变电路是由4个IGBT组成的全桥逆变电路，前级逆变电路的控制电路实现调压，后级逆变电路的控制电路实现调频；所述控制电路能够自动频率跟踪，是一种全数字化的锁相环。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的高压交联电缆测试电源，其特征在于：所述锁相环是由数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器组成，所述数字环路滤波器是由K变模可逆计数器构成，所述数控振荡器是由脉冲加减电路和除N计数器构成；所述K变模可逆计数器和脉冲加减电路的时钟分别设为Mf_c和2Nf_c，f_c是环路的中心频率。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的高压交联电缆测试电源，其特征在于：所述数字鉴相器是用来比较逆变负载侧反馈信号F_in和除N计数器的输出信号F_out的相位差，所述数字鉴相器的输出信号u₀是F_in和F_out的异或信号，它直接输入到所述K变模可逆计数器，作为可逆计数器的方向脉冲。