電纜狀態檢測用超低頻指數波發生器的研制

陳 碩 侯 喆 曾肖明 李洪杰

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電纜狀態檢測用超低頻指數波發生器的研制

陳 碩 侯 喆 曾肖明 李洪杰

（西安交通大學，西安 710049）

近年來，超低頻技術（VLF）的應用和發展，為電纜現場狀態檢測提供了新的思路。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波發生器。發生器裝置主要由高壓交流源、高壓電力電子開關、高壓電阻構成。本文在實驗室中對該設備進行了初期試驗，驗證了指數波發生器在電纜絕緣檢測領域的可行性和有效性。

超低頻；高壓；指數波；高壓開關

XLPE/PE電纜已經被廣泛應用于電力行業，電力部門需要定期對其進行絕緣預防性試驗，但電纜電容量往往過大，因此在工頻電壓下對試驗電源的容量要求較高[1-3]。近年來，超低頻技術的應用為電纜現場檢測試驗提供了思路[4-5]，0.1Hz超低頻系統試驗容量小，設備重量輕，便攜性好[6-8]。常用的超低頻試驗設備按照波形分類，主要有超低頻正弦波和超低頻余弦方波等[9]。利用超低頻技術通過對電纜進行耐壓試驗和介損試驗，可以較為靈敏地反映電纜內部受潮和水樹情況。本文提出了一種新型的超低頻指數波發生裝置，并通過仿真技術和實驗室試驗驗證了該系統在電纜絕緣檢測方面的有效性和經濟性，具有良好的工業發展前景。

1 指數波發生器工作原理

1.1 電路原理圖

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

圖1 指數波發生器示意圖

圖2描述了指數波發生器的工作原理，其中g是高壓半導體門極電壓，當為高電位時開關導通。如圖2所示，半導體開關Q1和Q2在一周期（0～4）內分別導通半周期。系統開始工作時，正向開關Q1導通，經由電阻2，令試品電容充電至正極性預設電壓（0～1），然后Q1斷開，Q2導通，電容開始放電（1～2），并使電容電壓充電至負極性預設電壓（2～3），最后，Q1再次導通，Q2關斷，電容在負極性狀態進行放電（3～4）。開關S1是在充電過程中導通，而S2則是在放電過程中導通，目的是在磁心發生飽和時提供電流通道。

圖2 指數波發生器典型波形

1.2 高壓開關的相關設計

高壓開關的整體結構如圖3所示，包含三大部分：供電系統、驅動單元和IGBT單元。整塊開關板由若干個IGBT開關相串聯組成，與其相關的還有驅動電路、供電輸出、過沖保護電路。為了保證每個IGBT所承受的電壓相同，每個IGBT均與高壓電阻并聯，同時并聯上TVS管，以吸收瞬時過沖電壓。為了滿足開關板耐壓20kV的要求以及保證足夠的裕量，將整塊開關板設計為10個IGBT串聯，每個IGBT額定電壓為2kV。

（a）開關板整體圖

（b）局部細節圖

圖3 高壓開關示意圖

1.3 指數波仿真分析

如圖2所示，試品電容兩端電壓在一個周期內的數學表達式為

式中，in是試品電容上的電壓，常數表達式為

（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。

值得一提的是，指數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度呈線性關系，假設試品在上述0～1階段充電至in以上，可得

式中，為指數波的周期（=10s），0.9≤≤1，由式（3）可得

（4）

根據式（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SABER Sketch仿真軟件在不同負載情況下，對指數波發生器進行仿真，仿真結果表明，指數波發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果，其中g(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。通過對比，可以看出，由于負載電容值減小，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 指數波發生器的仿真輸出波形

2 平臺搭建及試驗結果

為了驗證仿真結果，實驗室中研制了指數波發生器系統，系統參數如下：1=15kW，2=6MW，1=200nF，調壓器T1功率為500W，升壓變壓器T2二次側最大電壓20kV；S1和S2均是1kV 50A交流開關；Q1和Q2均是20kV 1A高壓半導體開關。

實驗系統如圖6所示，圖6（a）為指數波系統實物圖，圖6（b）為系統輸出電壓波形，此時s為50nF，s為1660MW，可以看出，電壓峰值為20kV，符合預期設計，且波形也與仿真結果相似。

（a）實物平臺

（b）指數波輸出電壓波形

圖6 指數波系統

3 結論

基于IGBT研制的雙路20kV高壓開關，設計了一種新型0.1Hz指數波發生器，并在實驗室中進行了初步試驗。仿真結果表明，系統平臺可以在不同負載條件下產生預期的指數波波形，并且為了提高指數波發生器的穩定性，對系統參數進行重新計算，然后搭建指數波平臺，根據實驗結果，系統可產生額定幅值20kV的指數波。另外，研制該新型指數波發生器的最終目的是利用指數波檢測電纜絕緣狀態，通過測量激勵電壓o和響應電流o來計算電纜的tan和介電譜，對比傳統0.1Hz正弦波，指數波系統不僅可以分析基礎頻率，而且還可以分析諧振頻率，在電纜狀態檢測領域具有廣闊的前景。

[1] 王永紅, 何麗娟, 高慶政, 等. 用超低頻方法進行XLPE/PE電纜試驗[J]. 黑龍江電力技術, 1999, 21(5): 20-21.

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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在XLPE電纜狀態檢測方面的研究工作。