20kV振蕩波測試系統的研制

李 婧 黃 鋒 郭金明

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，南寧 530000）

20kV振蕩波測試系統的研制

李 婧 黃 鋒 郭金明

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，南寧 530000）

本文研制了一種可用于6/10kV電纜局部放電測量的20kV阻尼振蕩波測試系統，并提出一種新型的基于IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistors）串聯的高壓開關結構，其由多路IGBT串聯組成，集成于一個直徑為60cm的圓形印刷電路板上。為了增強本系統的應用范圍同時符合IEC 60060-3的要求，本文結合磁矢位法（MVPM），精確計算并設計了適當的空心電抗器參數及結構。最后在實驗室條件下對本系統進行相關測試，試驗結果表明本系統可用于6/10kV電力電纜局部放電檢測及定位。

振蕩波測試系統；電力電纜；高壓電子開關

電力電纜作為電能傳輸的橋梁，是電力系統的重要組成部分。隨著對供電可靠性的要求的逐漸提高，以前對電力電纜進行故障維修的方式已不能滿足人們的要求，所以對電力電纜的“狀態檢修”就顯得越來越重要。局部放電量是評估電纜狀態的重要指標，其能直接反應電纜內部的絕緣水平［1］。準確測量電纜局部放電對評估電纜絕緣水平具有重要意義［2］。

常用的電纜現場試驗方法主要有工頻試驗法和直流試驗法。但研究表明工頻試驗法和直流試驗法并不適合于交聯聚乙烯電纜測試［3］，因此尋求一種適合于電纜現場測試的試驗方法具有重要意義。

阻尼振蕩波測試系統（Damped Oscillating Voltage Test System）是近年來國內外應用效果較為良好的一種電力電纜的檢測技術［4-5］。研究表明，該試驗方法相對于工頻交流耐壓試驗具有良好的等效性，能靈敏地發現XLPE電力電纜中的各種缺陷（尤其對于電纜的制造質量缺陷和施工質量缺陷），并在試驗過程中不會對電纜造成損傷。整個試驗系統具有輕便靈活所需電源容量小等特點，適合于現場試驗，因此阻尼振蕩波測試方法是一種良好的 XLPE電力電纜現場實驗方法。

本文主要介紹了一種新型的，6kV/10kV電纜局放測量用振蕩波測試系統的設計，開發和測試過程。本文提出一種新型的高壓電子開關結構，并詳細介紹了其工作原理及優點。又結合磁矢位法（MVPM），對空心電抗器的電感值進行了精確計算，并在實驗室條件下對本測試系統進行測試，試驗結果表明本系統可用于10kV電纜的局部放電檢測。

1　測試系統技術參數

振蕩波測試系統的拓撲結構圖如圖1（a）所示，其主要包括高壓直流電源，高壓電子開關，空心電抗器和電纜試品，電纜由導電線芯、絕緣材料和接地極構成，其中導電線芯和接地極可以看為電容器的兩極，絕緣材料就是電容器的絕緣介質［6］。首先，通過高壓直流電源對電纜試品充電到預設電壓值；然后閉合高壓電子開關并切斷直流電源，此時，電纜試品與串聯空心電抗器組成RLC振蕩電路（如圖1（b）所示），由于振蕩回路中電阻很小，在電纜試品上將會產生衰減振蕩的電壓，其電壓波形如圖 2所示。

圖1　振蕩波測試系統電路圖

圖2 阻尼振蕩波波形

圖1（b）所示為阻尼振蕩波測試系統的等效電路模型，圖中L表示空心電抗器；R1為空心電抗器的電阻值；C為電容性試品，一般為幾公里長的電力電纜；R2為電容性試品的泄漏電阻。當電容性試品上電壓為UP時閉合開關，可以得到電容性試品上電壓波形為

其中

2　振蕩波測試平臺的設計與搭建

根據IEC 60060—3標準可知，在對6/10kV電纜進行振蕩波測試需要試驗電壓最大為2.5U0，且其振蕩頻率應在 20～1000Hz之間，因此本系統中高壓開關最大可承受電壓應大于20kV，且空心電抗器的電感量需經過仔細計算以確保在大多數情況下測試系統的振蕩頻率滿足IEC標準。

2.1高壓開關設計

隨著現代電力電子技術的發展，半導體開關不但易于控制，導通速度快，通流能力強且耐壓值高，其以成為構建高壓電子開關的主要組件［7］。本文選用具有BIMOSFETTM技術的IGBT芯片作為此開關的基本單元，再結合IGBT均壓技術將10個這樣的IGBT串聯起來，使其整體耐壓值達到30kV。本文設計高壓電子開關結構如圖3所示，包含開關模塊，隔離供電單元及觸發單元共3部分，其中開關模塊由多個IGBT及其輔助電路組成。

圖3所示為裝配好的高壓開關，其由10個相同的開關單元串聯組成，其排列在直徑為 60cm的印刷電路板上。每個IGBT單元又可細分為供電電路、驅動電路、IGBT及其輔助均壓電路。IGBT輔助均壓電路由靜態均壓電路和動態均壓電路共同組成［8］，動態均壓電路由7個相同的TVS管串聯構成，以抑制可能出現在 IGBT兩端的瞬態過電壓，靜態均壓電路由多個兆歐級電阻串聯構成。為了確保不同電位之間有足夠的電氣距離，開關盤在需要高電壓隔離的位置刻槽以增加其爬電距離。

圖3　高壓電力電子開關

由于在IGBT串聯結構中，各個IGBT芯片的發射極電位不等，因此其不能簡單使用單一電源為其供電［9］。為解決此問題，本文提出一種新式的基于反激變換器的多路隔離供電技術。該技術通過松耦合的方式在狹小范圍內實現了多路輸入輸出隔離，既保證了50kV等級的隔離電壓又縮減了整體尺寸，大大提高了多路隔離供電系統的集成度，且其具有很強的可擴展性。

如圖4所示，電路中僅用了一個半導體開關M1，即減少了體積又提高了可靠性；鐵氧體磁心T1位于開關盤中間，一次側繞組從磁心中心穿過，通過電-磁-電的方式在二次側感應出 15V的電壓，為各個IGBT芯片供電。同時，電路中采用功率因數校正技術，保證一次側電流時刻跟隨整流濾波電壓波形，提高能量傳輸效率的同時降低了電流峰值，既降低了半導體開關所承受的電應力又防止了鐵氧體磁心過飽和，極大地提高供電系統的可靠性和穩定性。

圖4　多路隔離供電原理圖

為了增強驅動能力，本文采用推挽放大電路對觸發信號進行功率放大，如圖5所示。在IGBT串聯結構中，當各門極驅動信號不同步時，會出現部分IGBT已導通，而其他IGBT未導通的情況，此時未導通IGBT上將承受很大的電壓，導致IGBT芯片被擊穿，損壞高壓開關，因此應盡可能減小各個IGBT門極驅動之間的時間差。為此，本文通過多路光纖傳輸系統以確保每路觸發信號到達 IGBT門極時間基本相同，并選用了同一型號，同一時期，同一生產線上的器件以減少器件本身的分散性。經測試發現，各個IGBT門極信號的延時時間約為460ns，誤差在20ns以內，可有效避免IGBT因導通不同步而導致擊穿。

圖5　驅動單元原理圖

2.2空心電抗器設計

阻尼振蕩波測試系統中，空心電抗器用來與容性試品組成L-C振蕩回路，是阻尼交流振蕩波測試系統的重要組成部分。空心電抗器的電感量與線圈的匝數，繞線方式等多種因素有關［10］，直接計算有一定困難，因此本文借助磁矢位法對其電感量進行計算。磁矢位法基于迭代的思想，充分考慮每匝線圈的自感和任意兩匝線圈之間的互感，將所有線圈的自感及其相互之間的互感將疊加，最終得到其總電感量，因此其結果具有很高的精確度。

磁矢位法將每匝線圈都看為獨立個體并對其進行剖分計算，再將各匝線圈的磁鏈相疊加計算出整個線圈的自感。這種方法不僅考慮了線圈的實際繞法，還可以解決無效繞組和不足一匝的線圈繞組對電感量的影響。由于阻尼交流振蕩波測試系統中的振蕩頻率總小于1000Hz，所以可忽略集膚效應的影響，認為電流均勻的流過線圈截面。

空心電抗器的總電感由個線圈的自感和互感共同決定，其中自感又包括內部電感和外部電感。由于電流均勻的流過線圈界面，因此如圖6（a）所示的環形線圈的內部電感Li和外部電感Le分別為

將線圈的內部電感和外部電感相加和得到線圈的總電感為

其中

式中，K（k）和 E（k）分別表示第一類和第二類完全橢圓積分，當參數k一定時，其值可通過式（9）、式（10）分別求得。

對于一個由兩組線圈構成的繞組而言，互感可以通過諾伊曼磁矢勢公式得到，即

式中，I1、I2分別表示兩組線圈中的電流；l1和l2表示每匝長度；N1和N2表示每個線圈的匝數；r表示兩個線圈之間的絕緣距離；μ0是真空中的磁導率。

當兩個半徑分別為 R1和 R2的線圈相互平行且具有相同的對稱軸時，如圖 6（b）所示，式（6）可改寫為

圖6　計算示意圖

最后通過綜合計算每匝線圈自感和互感就可得到整個空心電抗器的電感量為713.5mH。

為了驗證計算結果，本文由通過有限元的方法對電感量進行再次計算，如圖7所示。圖7（a）所示為電感線圈的模型圖，對其進行剖分并在其上加上電流，仿真得到電感線圈及其周圍的磁通分布如圖7（b）所示，然后計算出其電感量為720.1mH，與磁矢位法計算結果基本相同。有限元仿真計算需要進行建模、剖分、加載、計算等大量計算，而磁矢位法的計算量就要小很多，且其計算結果與有限元仿真結果基本相同，具有很強的實用性和更高的效率。最終所設計空心電抗器實物圖如圖8所示，其由4部分組成，各部分分別有12、16、16和11層。

圖7　Ansys仿真結果

圖8　電抗器實物圖

圖9　試驗電路圖

3　實驗結果

在實驗室條件下對本系統進行測試，其實物圖如圖9所示。空心電抗器約為710mH，電纜試品用500nF無局放高壓電容代替。通過高精度電阻分壓器和局放耦合單元進行測量。試驗結果如圖 10所示，當在輸出電壓為 20kV時，所測到系統本身的局部放電幅值小于 10mV。通過局部放電標定源對本系統標定可知，當局部放電量為5pC時，所測得局部放電幅值為 10mV。因此可認為本系統為無局放測試系統。

圖10　系統自身局部放電水平測試波形

將試品換為一段200m長的6/10kV交聯聚乙烯電纜，在其中點處設置一個人造缺陷。得到試驗波形如圖11所示。結合時域反射法（TDR）對測試結果進行局放定位，如圖12所示。從圖上可以看出，局部放電信號主要集中于距首端 100m處，這與實際情況相符。因此，本文所研制阻尼振蕩波系統可應用于6/10kV電纜局部放電檢測及定位中。

圖11　老化電纜局部放電測試波形

圖12　電纜局部放電定位圖

4　結論

本文提出的新型高壓電子開關由開關模塊，隔離供電單元及觸發單元三部分構成，重量輕，體積小，工作穩定等優點，可適用于 10kV振蕩波測試系統。文中所提出的空心電抗器由多層線圈繞制而成，其總電感值為710mH。在實驗室條件下對該空心電抗器進行測試表明，當試驗電壓為 20kV時，其放電量小于5pC。本系統在實際電纜局放測試中，所測得的局部放電信號明顯，且其局部放電定位結果與實際情況相符。試驗結果表明本系統可用于10kV電纜局部放電測試。

接下來的工作應著重將本系統中的多個獨立部件集成在一個裝置中，并引入WiFi通信等技術，既保證了現場應用的安全又增加其便攜性，對電力電纜現場測試具有十分重大的意義。

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Development of a 20kV Damped Oscillating Voltage Generator

Li Jing Huang Feng Guo Jinming
（Guangxi Power Grid Electric Power Research Institute Co.， Ltd， Nanning 530012）

This paper describes the design and development of a 20kV rated damped oscillating voltage （DOV） generator that can detect the partial discharge condition in 6/10kV power cables. A complete system using a novel high-voltage switch consisting of a series of connected insulated gate bipolar transistors （IGBTs） is designed and tested. The switch consists of 10 identical IGBT switch units，a multiple output isolated power supply system and a trigger unit. Physically， it is a 60cm diameter fan-shaped printed circuit board （PCB）. To coordinate the various tested objects and to comply with the IEC 60060-3 standards， an air-core inductor is calculated to precisely fit the most general application conditions using the magnetic vector potentials method （MVPM）. A laboratory prototype is assembled and tested. Waveforms illustrating the performance of the IGBT switch and the output of the DOV are presented. Finally， an application-oriented test demonstrates that the scheme can successfully complete the partial discharge （PD） test and PD location test for a cable sample.

damped oscillating voltage testing system； power cable； high voltage switch

李 婧（1987-），女，廣西南寧人，助理工程師，主要研究方向為過電壓與絕緣技術。