電纜檢測用高壓發(fā)生器的拓撲及控制策略研究.pdf

1、隨著我國高壓及超高壓輸電事業(yè)的快速發(fā)展，與高壓電力電纜相關的產業(yè)及研究工作也得以快速的展開。目前，高壓電纜絕緣水平的常規(guī)檢測方法主要有兩種:高壓電纜預防性試驗及高壓電纜故障定位。雖然已有相關的高壓發(fā)生器可以滿足這兩種常規(guī)檢測的需求，但其體積與重量較大，無法滿足便攜性的要求。為了滿足測試設備的便攜性，本文采用高頻逆變技術及數(shù)字化控制方法研制了兩臺便攜式高壓發(fā)生器——超低頻正弦波高壓發(fā)生器及沖擊直流高壓發(fā)生器。前者用于高壓電纜的預防性試驗，

2、后者用于高壓電纜的故障定位。
　　本文主要研究與高壓發(fā)生器便攜性密切相關的電路拓撲、變壓器結構、控制策略以及控制策略所采用的數(shù)據(jù)處理方法。
　　在超低頻高壓發(fā)生器的拓撲上，提出采用雙高頻高壓變壓器產生正負直流高壓對電纜進行充放電，確保電纜所加電壓為相對于大地電勢的正弦波。并采用單變壓器多驅動的模式減小超低頻形成單元中高壓橋臂的體積，將100kV/250mA的高壓橋臂體積控制在260cm3。在沖擊直流高壓發(fā)生器的拓撲上，通過對

3、比傳統(tǒng)的沖擊直流高壓發(fā)生器與采用高頻逆變技術的沖擊直流高壓發(fā)生器放電時電流回路的不同，提出了雙氣隙隔離加隔斷開關管的抗干擾策略，減小了電暈及火花放電時產生的電磁波對低壓控制單元及其它電子元器件的干擾與損壞。在放電裝置距離低壓控制單元及開關管小于10cm的情況下，IGBT兩端干擾電壓由1200V降至200V，低壓控制部分干擾電壓由15V降至3V，并且消除了放電時所產生的高頻干擾振蕩，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
　　在控制策略上，首先采

4、用適合于高頻高壓變壓器的串并聯(lián)(LCC)諧振技術，充分利用高頻高壓變壓器的漏感與分布電容，通過電感電容的諧振使開關管處于軟開關狀態(tài)，同時使高頻高壓變壓器次級層間電容的充放電時間展寬至半個周期，避免了次級高頻振蕩而引起的變壓器損耗過大，提高了高壓發(fā)生器的效率，減小了變壓器的體積與重量?？蛰d時直流高壓發(fā)生器的效率為80％，60％-70％負載時直流高壓發(fā)生器的效率最高可達到94％，單獨的高頻高壓變壓器效率在全負載范圍內均大于98％。其次，為了

5、滿足兩種高壓發(fā)生器負載變動范圍大的特點，文中對LCC諧振變換器的靜態(tài)與動態(tài)進行了理論分析與建模。在此理論分析的基礎上，根據(jù)不同的負載采用調頻控制調整到不同的靜態(tài)工作點，在這一靜態(tài)工作點附近采用調整占空比的控制策略，以滿足兩種高壓發(fā)生器負載范圍變化大的特點，提高系統(tǒng)的響應速度及穩(wěn)定性。
　　為了使控制策略能夠應用于低成本的單片機進而舍棄體積較大的計算設備，滿足理論分析中小信號假設的條件。本文首次提出了分段化數(shù)據(jù)處理方法，將負載的變化

6、范圍進行分段化處理，每一段均包含符合該負載的一個穩(wěn)態(tài)工作點及與該工作點相關的參數(shù)，使系統(tǒng)在全負載范圍內均處于理論分析的有效范圍內，以提高系統(tǒng)的控制精度及響應速度。以此數(shù)據(jù)處理方法為基礎，對所研制的42kV直流高壓發(fā)生器進行了階躍響應實驗，其階躍響應時間小于120μs，并且在響應過程中，電壓波形未見任何振蕩及過沖。
　　針對高頻高壓變壓器，為了滿足便攜性的要求，本文對影響高頻高壓變壓器損耗的幾個因素進行了實驗。通過實驗與理論相結合的

7、方式，指出影響高頻高壓變壓器損耗的主要因素不是交流電阻而是分布電容。再通過對分布電容大小的理論分析，指出增加層數(shù)，增加分段數(shù)，增加層間距可以減小高頻高壓變壓器次級線包的分布電容。在此理論分析的基礎上，研制了3500W大功率密度高頻高壓變壓器，其功率密度達到4.3W/cm3，重量只有2.5kg，而同樣參數(shù)的工頻高壓變壓器的重量為30kg。
　　最終，本文分別研制了電纜常規(guī)檢測用的兩種高壓發(fā)生器的樣機用以驗證本文所提出的拓撲及控制理論

8、的正確性，并在電氣特性等效于XLPE高壓電纜(8.7/10kV/300mm2/5km)的高壓電容(1.5μF)上進行了試驗。首先對所設計的參數(shù)為35kV/0.1Hz超低頻正弦波高壓發(fā)生器進行了試驗，其輸出電壓精度優(yōu)于99％，(滿足《35KV及以下交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜超低頻(0.1HZ)耐壓試驗方法》的行業(yè)標準），總諧波失真(THD)小于1％，完全滿足IEEE400.2對THD小于5％的要求。其次將所研制的35 kV沖擊直流高壓發(fā)生器通