丁鑫龍
(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣工程系,243100)
隨著城市改造工程的不斷實施,高電壓等級的電力電纜使用的也越來越多,其中以交聯(lián)聚乙烯電纜為主要代表的橡塑絕緣電纜應(yīng)用的最為普遍.它是利用化學(xué)方法使線型分子結(jié)構(gòu)的聚乙烯轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚乙烯,從而大大的提高了電纜的機(jī)械-熱性能,同時也保持了電纜良好的電氣性能.雖然交聯(lián)聚乙烯電纜在出廠前,都已經(jīng)過了非常嚴(yán)格的試驗,但在運輸、安裝等過程中,很可能對電纜造成許多新的損傷.所以在安裝好后,必須對新安裝的電纜進(jìn)行再次的安全檢測試驗[1-3].目前,高壓電纜耐壓測試的方法主要有直流耐壓測試、超低頻耐壓測試、振蕩波耐壓測試、工頻串聯(lián)諧振等方法,調(diào)頻串聯(lián)諧振耐壓測試方法是近年普遍采用的一種方法,相比于其它試驗方法具有以下優(yōu)點:
(1)串聯(lián)諧振電路能在試品上獲得最佳的正弦電壓波形,有效防止了諧波峰值對試品產(chǎn)生誤擊穿.
(2)當(dāng)電路處在諧振狀態(tài)下運行時,電纜試品中絕緣比較薄弱的地方被擊穿后,電路會立即脫諧,電路中的短路電流就立刻下降,因此,串聯(lián)諧振耐壓試驗方法既能有效的找出電纜的絕緣薄弱點,也不存在電纜承受長時間的短路大電流,以至于燒傷故障點的隱患.
(3)該方法的試驗設(shè)備輕便,試品容量范圍幾乎不受限制.
調(diào)頻串聯(lián)諧振耐壓測試方法是目前對XPLE電纜檢測的最有效現(xiàn)場試驗方法,目前國外采用這種方法研制出的設(shè)備已經(jīng)可對500kV及500kV以下電壓等級的XPLE電纜進(jìn)行耐壓試驗檢測,電纜長度從10m~10km均可檢測[4-7].
在調(diào)頻諧振試驗中,輸出頻率可調(diào)的正弦波電源是關(guān)鍵技術(shù),目前頻率可調(diào)的正弦波電源通常采用SPWM調(diào)制技術(shù),即通過高頻載波調(diào)制,再在輸出端并聯(lián)電容將載波濾除,這種調(diào)制方式存在諧波濾除不徹底、需采用專用集成電路控制較復(fù)雜且諧振回路品質(zhì)因素較低等缺點,本文介紹一種結(jié)合串聯(lián)諧振電路自身的特性采用等脈寬PWM調(diào)制方式獲得調(diào)頻正弦波,這種方法利用通用的SG3525進(jìn)行控制,技術(shù)簡單、無須濾波、諧波成分少并且諧振回路品質(zhì)因素高.
調(diào)頻諧振試驗電路主要由調(diào)頻電路和串聯(lián)諧振電路組成,其工作原理如圖1所示.
圖1 調(diào)頻諧振試驗原理圖
由變頻電路輸出的交流電壓,經(jīng)過勵磁變壓器傳輸給由被試品電容Cx(交聯(lián)電纜等效電容)和電抗器L組成串聯(lián)諧振電路,由圖1可知,當(dāng)饋入的正弦波頻率等于被測回路的本征頻率時,將發(fā)生串聯(lián)諧振,從而在被試品(交聯(lián)電纜)兩極產(chǎn)生高出輸入電壓幅值數(shù)倍乃至數(shù)十倍的諧振電壓,不同的試品電容可以通過調(diào)節(jié)輸入電壓的頻率使之等于回路的本征頻率,讓后端諧振回路持續(xù)穩(wěn)定在諧振狀態(tài)下[8-9].
圖1調(diào)頻諧振試驗原理可以等效成如圖2所示的串聯(lián)諧振回路,圖中L、C分別可視為實驗電抗器電感、交聯(lián)電纜總電容,為了方便討論,圖中忽略了回路電阻,從圖中可以看出,這實際上是串聯(lián)諧振變換器的拓?fù)?
根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)情況和諧振電流的方向,全橋變換器存在:
①Q(mào)1Q4導(dǎo)通、Q2Q3關(guān)閉
②Q1Q4、Q2Q3均關(guān)閉
③Q2Q3導(dǎo)通、Q1Q4關(guān)閉
三種開關(guān)模態(tài)這三個開關(guān)模態(tài)的電路結(jié)構(gòu)完全一樣可以統(tǒng)一為一個電路,如圖3所示.只是每個開關(guān)模態(tài)的等效電源電壓Uin以及iL和uc的初始狀態(tài)不同.表1給出了等效電源電壓Uin與開關(guān)管導(dǎo)通情況的關(guān)系圖.
表1 等效電源電壓Uin與開關(guān)管導(dǎo)通情況關(guān)系
通過圖3的統(tǒng)一電路,可以解出不同開關(guān)模態(tài)中諧振電感電流iL和諧振電容電壓uc的統(tǒng)一表達(dá)式,由圖3所示,可得電路的微分方程為:
將式(2)代入式(1)得:
很顯然,uc=Uin是方程的一個特解,可得式(3)的通解為
圖4 諧振電路饋入電壓波形
結(jié)合初始條件可得電容電壓表達(dá)形式綜合整理如下:
由式(4)和式(5)可以看出諧振電路中電容上的 電壓波形以正弦波規(guī)律變化,并且其幅值不斷增加,這是可以理解的,因為每經(jīng)過一個開關(guān)周期,變換器向諧振回路充電,能量增加.同理可以證明電感上的電流波形也是以正弦波規(guī)律變化.
在實際電路中,變頻電源輸出的方波電壓先經(jīng)過變壓器,再傳輸?shù)絃C諧振電路中的,變壓器的作用有兩點:
①提升變換器輸出電壓.
②實現(xiàn)諧振高壓與變換器隔離.
由于變壓器和諧振電抗器都存在不可忽略的內(nèi)阻,所以實際的耐壓測試電路為RLC諧振電路,此時諧振電容上電壓波形為:
式中的α、A1、A2分別是與初始條件R、C、L等相關(guān)的常量,需要說明的是,在考慮到回路電阻時,諧振頻率w值有所變化,但可以證明,只要滿足:
該變化是可以忽略的.此時諧振回路的品質(zhì)因素為:
為了驗證推導(dǎo)的正確性,我們分別對LC、RCL串聯(lián)諧振電路進(jìn)行了仿真,LC仿真電路如圖5所示.
圖5 LC仿真電路
仿真電路參數(shù)如下:諧振電容C=0.02μF,諧振電感L=50H,諧振頻率f=159.155Hz,輸入方波電壓頻率159.155Hz,輸入方波電壓幅值Uin=1V,電容C的電壓變化如圖6所示.
圖6 LC諧振電路電容C的電壓變化
可以看出電容上的電壓按正弦規(guī)律不斷增加.
RCL仿真參數(shù)設(shè)置如下:諧振電感L=50H,諧振電容C=0.02μf諧振頻率,f=159.155Hz,方波電壓頻率f=159.155Hz,輸入方波電壓幅值Uin=1V,仿真結(jié)果如圖7所示.
圖7 諧振電容上電壓波形
由圖7可見,經(jīng)過若干個周期之后,電容上的電壓趨于穩(wěn)定.
(1)控制電路
由以上分析可知,結(jié)合RCL電路性質(zhì),采用等脈寬調(diào)制方式可以在電容上(被測電纜)獲得正弦波.鑒于此,我們控制電路中核心芯片是SG3525,該芯片可以輸出2路相位相反,脈寬可調(diào)得時鐘信號,其頻率通過改變積分電阻(R7)小范圍調(diào)節(jié),由于實際應(yīng)用中頻率控制在200~400Hz,該芯片可達(dá)到這個要求,變換器控制電路如圖8所示.
圖8 控制電路圖
(2)主回路
圖9 全橋逆變電路
(3)系統(tǒng)實驗
系統(tǒng)調(diào)試完畢后,我們按圖1的接線方式進(jìn)行了實驗,被試電纜常約50m,集總電容約為C=0.01μF,諧振電感L=1H,勵磁變壓器變比為1∶5,勵磁變壓器與諧振電感導(dǎo)線電阻約為5Ω,通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入工頻交流電壓,通過調(diào)節(jié)SG3525輸出時鐘調(diào)節(jié)諧振參數(shù),在對被試電纜進(jìn)行測量時,我們采用美國Tektronix公司重負(fù)荷無源P6015A型高壓探頭.圖10為方波幅值為200V時失諧時電容上電壓,圖11為方波幅值120V時諧振時電容上電壓.
圖9為電壓型逆變電路的原理圖,它共有四個橋臂,橋臂1和4作為一對,橋臂2和3作為一對,成對的二個橋臂同時導(dǎo)通,兩對交替各導(dǎo)通180°,其輸出電壓波形是矩形波,輸出交流電壓的幅值
圖11 電纜試品(電容)承受電壓19000V(高壓探頭衰減倍數(shù)1000)
由圖10、圖11可以看出,被試品上的電壓接近于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形,諧振回路Q值約為19,整個測試過程按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3min,系統(tǒng)散熱良好,性能穩(wěn)定.
文章針對交聯(lián)聚乙烯電纜的電容特性,通過理論分析計算證明了采用等脈寬控制技術(shù)在負(fù)載電容上同樣可以得到正弦波電壓,并進(jìn)行了仿真驗證和實驗.仿真和實驗的結(jié)果證明了理論分析的正確性,系統(tǒng)仍有一些地方有待改進(jìn)和繼續(xù)研究:
(1)該系統(tǒng)的控制電路中,我們采用的驅(qū)動芯片是EXB841,這種芯片提供負(fù)偏壓不足、電路外圍設(shè)計比較復(fù)雜.目前,EXB841芯片也已經(jīng)停產(chǎn).鑒于以上這些情況,在以后的進(jìn)一步研究中,可考慮采用其他大功率驅(qū)動集成芯片,如2ED系列的2ED300C17-S或者Driver系列的2SD315A等[12].
(2)本電源的諧振電感和勵磁變壓器都是向廠家定制的,在調(diào)試之初通過計算得到的參數(shù),與實際有些差別.在以后系統(tǒng)完善的過程中,可考慮設(shè)計模塊性單元電抗器與變壓器,通過模塊的串并聯(lián)方式滿足實際工程的不同需要.
(3)通過電感的串并聯(lián)可以增加負(fù)載端的電流,從而提高整個系統(tǒng)輸出的電壓值.達(dá)到30kV或更高.
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