01Hz超低頻余弦方波極性轉(zhuǎn)換電路的設計

1、極性轉(zhuǎn)換電路在XLPE電纜超低頻耐壓試驗中的優(yōu)化設計張曉龍，羅欣沂，唐世虎，易亞元（西南交通大學電氣工程學院，成都，610031）摘要：0.1 Hz超低頻余弦方波耐壓系統(tǒng)，由于與工頻耐壓系統(tǒng)有良好的等效性且具備體積小，重量輕， 能有效的檢測出交聯(lián)聚乙烯電力電纜（簡稱XLPE電力電纜）的絕緣缺陷等優(yōu)點，在XLPE電力電纜耐 壓試驗的應用越來越多。但現(xiàn)有超低頻設備的極性轉(zhuǎn)換電路設計有二階阻尼震蕩，造成能量損失，使得 極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致；由于XLPE電纜的特殊空間結(jié)構，這樣會增加XLPE電力電纜的空間電荷 積累量，最終對電纜造成隱性傷害。針對以上問題，本文提出了采用反向可饋電的極性轉(zhuǎn)換電路的設

2、計 方法來解決此問題。通過Matlab/Simulink仿真表明：此方法能夠補充極性轉(zhuǎn)換過程的能量損失，使得 極性轉(zhuǎn)換后正負電壓一致；仿真結(jié)果與理論分析一致，驗證了設計的正確性。關鍵詞：反向饋電；超低頻；XLPE電纜；極性轉(zhuǎn)換；電荷積累中圖分類號：TM835文獻標識碼：B文章編號：1001-1390（2016）00-0000-00The optimum design of polarity switch circuit inultralow frequency withstand voltage test with XLPE cableZhang Xiaolong, Luo Xinyi, Ta

3、ng Shihu, Zhou Xinzhi, Yi Yayuan(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdi) 6l003l, ChinaAbstract: The 0.1Hz VLF cosine square-wave puncture test system, owing to have good equivalence with the system of power frequency withstand voltage and have small size, light weig

4、ht, etc., can effectively detect the deficiency of XLPE insulated power cables, and applies more and more in the withstand voltage test. But now, polarity switching circuit of ultra-low frequency device is designed with second order damped shocks with energy loss, resulting in inconsistent positive

5、and negative polarity voltage. That will lead to the accumulation of space charge of XLPE power cable, thus making the whole performance of the system decreases. To solve the above problem, this paper proposes to make use of reverse feedback in polarity switching circuit to solve this problem. The M

6、atlab/Simulink simulation shows that this method can complement the loss of polarity energy, making positive and negative polarity of the voltage reach agreement. Simulation results and theoretical analysis of the design are the same.Keywords: feedback, ultra-low frequency, XLPE cable, polarity swit

7、ch, charge accumulation0引言近年來，隨著我國電力行業(yè)的高速發(fā)展，大量 電力電纜被用于城市電網(wǎng)改造工程，這是城市電網(wǎng) 的主要發(fā)展趨勢E。其中XLPE電力電纜是城市電 網(wǎng)改造工程中使用最廣泛的電力電纜。由于XLPE 電纜在電網(wǎng)中的大量使用，所以XLPE電纜的安全 穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的安全運行息息相關。但是，隨著 對交聯(lián)聚乙烯絕緣特性的進一步研究，發(fā)現(xiàn)XLPE 電力電纜的絕緣層容易產(chǎn)生樹枝性，造成電纜絕緣 層老化3-4，從而影響電纜正常使用，甚至會造成電 力系統(tǒng)故障。因此，為了保證電力系統(tǒng)的正常運行， 必須加強對XLPE電力電纜的絕緣檢測，防止電力 電纜故障帶來的電力系統(tǒng)故障5。

8、所以很多XLPE 電纜的耐壓試驗應運而生。通過多年摸索，0.1 Hz 超低頻耐壓系統(tǒng)在眾多耐壓試驗中脫穎而出回。0.1 Hz超低頻余弦方波耐壓系統(tǒng)由兩部分組成：高壓直 流電源和形成余弦方波的極性轉(zhuǎn)換電路刀。但現(xiàn)有 的超低頻余弦方波試驗系統(tǒng)在極性轉(zhuǎn)換過程中有能 量損失，會造成極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致。由于 XLPE電纜的特殊空間結(jié)構，最終增加電纜中的電荷 積累量，它將對電纜造成隱性傷害，縮短其使用壽 命。因此文章專門針對此問題對超低頻余弦方波的 極性轉(zhuǎn)換電路進行了全新設計一一加入反向饋電電 路，彌補極性轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，有效的實現(xiàn) 極性轉(zhuǎn)換后正負電壓一致。1正負電壓不一致空間電荷積累的原因分

9、析極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致形成的空間電荷 積累原因分析如下：(1)當XLPE電纜中的偶極子(水,雜質(zhì))遇到 外部電場作用的時候，所有偶極子都要受到電場電 矩作用，它會向電場的方向轉(zhuǎn)動；當偶極距與電場 方向相同時偶極子的位能最小，這時處于穩(wěn)定，和 直流場中偶極子轉(zhuǎn)向相同。遇到交替的電場作用 時，偶極子會來回的轉(zhuǎn)動，具體情況涉及到正負電 場大小和頻率，遇到單一電場方向作用的時候，偶 極子順著電場方向的平均偶極矩如下兇：2 a 5945a 華 kT式中 與為偶極子固有偶極距；T是溫度；L(a)為 朗日凡函數(shù)，這是奇函數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；E 為電場強度；式(1)中電場強度和偶極子的平均 偶極距成正比

10、關系，是奇函數(shù)，在正負電壓不一致 的情況下其平均偶極距幅值也會不同，轉(zhuǎn)動量也并 不對稱。如果試驗電壓時間大于偶極子的極化時 間，負向電壓小于正向電壓，偶極子的轉(zhuǎn)向過程如 圖1所示，負向的轉(zhuǎn)動量q小于正向的轉(zhuǎn)動量弓 最終會產(chǎn)生de的轉(zhuǎn)動余量在每一次極性轉(zhuǎn)換周期 中。0.1 Hz VLF試驗時間長達1 h，這會導致宏觀 極距的出現(xiàn)。E正圖1偶極子轉(zhuǎn)向過程Fig.1 Dipole steering process(2)交聯(lián)聚乙烯電纜有多層結(jié)構9，在直流或低 頻情況下XLPE電纜會發(fā)生空間電荷極化，這些電 荷聚集在缺陷和界面中，如氣隙中，假定缺陷分布 均勻，正負電壓不一致會加劇電荷在這些缺陷中不 對稱

11、性聚集，最終形成宏觀電矩10。在10 kV測試 中，超低頻耐壓測試時間長，由于正負電壓不一致 會一定程度的增加空間電荷積累量，所以空間電荷 集聚需要引起重視11-12。2反向饋電極性轉(zhuǎn)換電路設計2.1極性轉(zhuǎn)換模型建立極性轉(zhuǎn)換電路是超低頻耐壓系統(tǒng)的核心，也是 設計的難點。要實現(xiàn)正負極性的轉(zhuǎn)換最簡單的方法 就是逆變。但在本系統(tǒng)中，逆變的方法不再使用。 一方面原因是由于交聯(lián)聚乙烯電纜是一個容性負 載，若采用逆變的方式，在正負極性轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生 很大的浪涌電流，會對開關管造成巨大的沖擊；另 一方面考慮到余弦方波的本質(zhì)是在極性轉(zhuǎn)換時能 產(chǎn)生一個光滑過度波形，這個波形類似于工頻余弦 波的換向前緣波，并且波寬

12、保持在26 ms之間， 采用逆變控制難度大。因此考慮用極性轉(zhuǎn)換電路代 替逆變電路。極性轉(zhuǎn)換用LC振蕩原理實現(xiàn)，此設 計一方面可以實現(xiàn)能量循環(huán)使用，降低輸入功率； 另一方面可在正負極性轉(zhuǎn)換時，波形光滑過度。極 性轉(zhuǎn)換電路的二階振蕩模型如下圖2所示。圖2極性轉(zhuǎn)換電路模型Fig.2 Polar conversion circuit model圖2中U 0為直流高壓源；C為試品電容的等 效電容和輔助電容；R為振蕩回路總電阻。在進 行0.1 Hz余弦試驗時，電纜被加壓到試驗電壓，5 s 后電容先向電感充電，電感再反向向電纜負極性充 電，完成極性轉(zhuǎn)換。極性轉(zhuǎn)換的時間可以由電感L 來控制，使其保證在26 m

13、s。2.2傳統(tǒng)極性轉(zhuǎn)換電路設計在進行10 kV XLPE電纜耐壓試驗時，超低頻余 弦方波中的直流部分試驗電壓約為27 kV3。傳統(tǒng) 極性轉(zhuǎn)換電路主要是只有高壓直流電源對試品進行 充電。拓撲結(jié)構如下圖3所示：圖3傳統(tǒng)極性轉(zhuǎn)換電路設計Fig.3 Design of traditional polarity switch circuit輸入電壓為直流30 kV, S1, S2、S3為單向?qū)?通管。在(0, 4.95)秒內(nèi)，S1導通，高壓直流電 源給電容C進行充電；在(4.95, 4.95+力，其中 3為極性轉(zhuǎn)換時間；S1斷開，S2導通，電容通過S2 首先對電感L進行儲能，電容電壓開始降低，當電 容放

14、電完畢后，即儲存在電容上的電量全部轉(zhuǎn)化為 電感的磁場能，緊接著L對電容C進行反充電。 在9.95 s，S2斷開，S3閉合，電容負極對電感充電。 在10 s時，斷開S3,閉合S1，完成一個極性轉(zhuǎn)換 周期。但在此過程中會伴有二階阻尼震蕩，此電路未設計反饋補償裝置，在轉(zhuǎn)換過程中會造成能量損轉(zhuǎn)換的時間，使其控制在26 ms，輔助電容C1 能夠避開開始充電瞬間，電路呈現(xiàn)的空載現(xiàn)象。極性轉(zhuǎn)換過程原理如下：(1) 0 s時刻，K1導通，其余全部斷開，試品 電容C2和輔助電容C1由系統(tǒng)提供的電源對其進行 充電；K5自動導通，在系統(tǒng)檢測達到30 kV的時候 K1斷開，并且電容電壓保持；假如沒有到達30 kV，

15、K1在4.9 s時斷開，K5導通。K5和K1的控制信號Fig.5 Test positive charge(2)在4.95 s時，K2和K5導通，其余斷開， C1和C2正向?qū)﹄姼蠰1進行充電，在電容電壓過零 時，電感磁能反向充電到電容的負極，實現(xiàn)高電位失，使得極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致，負電壓達不 到正電壓值。所以有必要對傳統(tǒng)極性轉(zhuǎn)換電路進行 優(yōu)化設計。2.3反向饋電的極性電路設計原理為解決極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致的情況， 加入反向饋電電路。設計通過極性轉(zhuǎn)換電感和前級 的整流橋很高效的實現(xiàn)了極性轉(zhuǎn)換后正負電壓一 致；設計還實現(xiàn)了由振蕩放電電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻 放電電路的功能，使放電更加快速有效。根

16、據(jù)系統(tǒng) 極性轉(zhuǎn)換電路要求，為極性轉(zhuǎn)換電路應提供30 kV 直流電源和經(jīng)整流的220 V反向饋電電源，電路拓 撲如圖4所示：Fig.6 Positive and negative polarity conversion(3) 5 s時，K2和K4均導通，前級整流橋?qū)?L1進行沖電。5.1 s，K2導通，K4斷開，此刻電感 L1向電容充電補充極性轉(zhuǎn)換過程的損失能量?？紤] 到轉(zhuǎn)換時間很短和高壓繼電器導通時間的限制，在 v5.15 s時，K2和K4導通，再次向L1充電，一個充 電周期時間為0.15 s。照此循環(huán)，當系統(tǒng)檢測到電 容電壓到達了-30 kV時，自動斷開K4。反向饋電過程中，K2 一直處于導

17、通狀態(tài)直到 9.9 s時斷開，這樣可以簡化控制電路；假定電容電 壓沒有達到-30 kV，K4也會在9.9 s時斷開。其過 程如圖7所示：正正圖4極性轉(zhuǎn)換電路拓撲結(jié)構Fig.4 Polarity switching circuit topology電容先對電感進行充電，電感再電纜進行負極性的充電，完成極性轉(zhuǎn)換。電感L1可以控制極性Fig.7 Inductance reversely charges the capacitor(4)在9.95 s時，K3和K5導通，其余全斷開， 電容負極先對電感L1充電，在電容電壓過零時， 電感的磁能就對正極反向充電，實現(xiàn)高電位從負極 向正極的轉(zhuǎn)換。由于有足夠的時

18、間余量，在10 s 時，K1導通，K5斷開，完成一個極性轉(zhuǎn)換周期， 后面周期則類似，其過程如圖8：圖8正負極性轉(zhuǎn)換Fig.8 Positive and negative polarity conversion(5)當試驗過程中發(fā)生擊穿或者系統(tǒng)測試完 畢需要對系統(tǒng)進行放電，這時K1和K4斷開，0.05 s 后K2后K3同時閉合，對試品進行振蕩放電，10 s 后結(jié)束試驗，其過程如圖9所示：圖9振蕩放電過程Fig.9 Oscillating discharge process2.3極性轉(zhuǎn)換電路控制電路設計2.3.1控制目標實現(xiàn)通過上文對極性轉(zhuǎn)換電路原理分析，要完成極 性轉(zhuǎn)換和保護需要分別對5個開關施

19、加不同時序控 制而達到，其目標控制波形為圖10所示。檢測達到設定電壓或 電纜擊穿，提前關斷圖10繼電器目標控制波形Fig.10 Waveform of relay control通過圖10，可以看出5路控制信號中有4路 控制信號是兩兩互補的，即K、K5與K2、K3。因 此、K5開關采用單刀雙擲型高壓繼電器，K2、 K3由于涉及到耐壓試驗完成放電需同時閉合，采 用電刀單擲，那么實際的控制信號只需要輸出四路 就可以實現(xiàn)。在極性轉(zhuǎn)換過程中，為了實現(xiàn)極性轉(zhuǎn) 換電路的調(diào)壓控制和擊穿保護，在時序控制的同 時，需要加入三個邏輯控制，即正向調(diào)壓控制、反 向饋電控制、擊穿保護。正向調(diào)壓控制是當試品達 到外部鍵盤

20、輸入的預設值時，迅速關斷開關K 反向饋電控制是當試品反向電壓達到預設值時，迅 速關斷開關k4；擊穿保護是當系統(tǒng)檢測到輸出電 流迅速增大時，迅速關斷開關K和K4,然后閉 合K2和K3放電，并提示試品擊穿。2.3.2極性轉(zhuǎn)換電路硬件控制設計本系統(tǒng)可采用AT89S52單片機作為極性轉(zhuǎn)換 電路控制核心。控制系統(tǒng)框圖如圖11所示：圖11基于AT89S52極性轉(zhuǎn)換電路控制框圖Fig.11 Control block diagram of polarity switchingcircuit based on AT89S52控制過程為：當系統(tǒng)上電后，單片機復位啟動， 首先通過單片機外接的鍵盤輸入試品需要充電的

21、電 壓值和耐壓時間，并在液晶屏上顯示；然后單片機 發(fā)出控制指令，通過驅(qū)動電路導通開關，然后開始 查詢AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果并顯示；當試品電壓達到 預設值，發(fā)出控制信號關斷相應開關；當試品擊穿 時，發(fā)出控制信號關斷相應開關，并在屏幕上提示 試品擊穿，記錄擊穿電壓和擊穿時間。3極性電路仿真結(jié)果分析通過反向饋電極性轉(zhuǎn)換電路分析，預測系統(tǒng)能 在6 ms之內(nèi)完成極性轉(zhuǎn)換；通過反向饋電，正負電 壓能夠保持一致；系統(tǒng)如果需要結(jié)束耐壓試驗，可 以通過有阻尼振蕩放電方式快速有效的完成放電過 程。Simulink仿真驗證如下。3.1極性轉(zhuǎn)換時間取直流輸入電壓為Uin=30 kV，反向饋電輸入 電壓取自工頻匕n=220

22、 V整流橋輸出側(cè)，其極性轉(zhuǎn) 時間仿真波形為圖12所示。圖12極性轉(zhuǎn)換時間仿真Fig.12 Polarity conversion time simulation通過圖12可以看出，系統(tǒng)在4.950 s時候開始 極性轉(zhuǎn)換，4.956 s時結(jié)束，極性轉(zhuǎn)換所需的時間 為6ms，與理論計算值一致。3.2反向饋電后負電壓圖13電感多次反向饋電波形圖Fig.13 Inductance repeatedly reverses feedback waveforms從圖13中可以看出，經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換電容的電 壓沒有達到-30 kV，只有-29 165 V；電感在5.05 s時進行反向饋電，經(jīng)11次饋能后電壓到達-

23、30 k V，饋電開關斷開，電壓保持在-30 kV。圖中仿真 饋電次數(shù)與理論計算值相吻合，并且經(jīng)過多次饋能 后使正負電壓達到一致；通過仿真驗證了設計的合 理性。3.3系統(tǒng)放電仿真由于系統(tǒng)的功率限制，系統(tǒng)需要通過23個 周期左右才能夠充電到達額定30 kV，運用 Simulink進行耐壓試驗系統(tǒng)仿真時受到Simulink 中示波器存在最大采樣點（約為3 000 000個）和 仿真需要步長短的限制，因此在整個系統(tǒng)的仿真 時，取4 s作為極性轉(zhuǎn)換的周期。圖14為系統(tǒng)的放電過程，在5.9 s時設置試驗 結(jié)束，在5.85 s時，%，K4斷開，5.9 s時，K2和 K3均導通，系統(tǒng)進行放電，這是二階有阻尼

24、振蕩的 過程，波形是隨時間而快速衰減的正弦波，在7.02 s 時，系統(tǒng)經(jīng)過大概1.1s，放電過程基本結(jié)束，試品 上的電壓降為0 V。通過仿真結(jié)果可以表明這種有阻 尼振蕩放電方式能夠有效的去除兩極的電荷殘留， 并且放電時間快，遠優(yōu)于電阻單邊放電方式的效果。圖14耐壓系統(tǒng)試驗結(jié)束放電過程Fig.14 Puncture withstand voltage test systemdischarge4結(jié)束語本文分析了極性轉(zhuǎn)換后正負電壓不一致對 XLPE電力電纜造成空間電荷積累的的原因及其危 害，提出了反向饋電的極性轉(zhuǎn)換電路設計方案，有效的解決了此系統(tǒng)的缺陷。通過仿真驗證了設計的 正確性：6 ms內(nèi)完成極

25、性轉(zhuǎn)換，通過增加220 V前 級整流橋?qū)﹄姼性谝欢ㄖ芷趦?nèi)饋電，彌補了極性轉(zhuǎn) 換過程中的能量損耗，使得極性轉(zhuǎn)換電路正負電壓 一致，并且仿真結(jié)果與理論分析相吻合。該設計應 用于超低頻系統(tǒng)會使該系統(tǒng)與工頻耐壓試驗有更 好的等效性，更能有效的測試出XLPE電纜的絕緣 缺陷，且不會造成隱性傷害，此設計方案會有很大 的應用前景。參考文獻袁野，陳劍，賈志東，等10 kV XLPE電纜受潮絕緣特性研究J.電網(wǎng)技術，2014, 38(10): 2875-2880.Yuan Ye, Chen Jian, JIA Zhidong, et al. Study about insulating properties o

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