（测试计量技术及仪器专业论文）电力电缆故障检测信号源的研究.pdf

摘要 本文源于电力电缆故障检测的工程实际，从电力电缆的基本参数出发，对 电力电缆故障检测信号源作了研究和探讨，并结合现场实验讨论了所设计的信 号源的频率特性和功率特性，其频率在4 0 0 i k h z 。平均功率可达2 5 k w 。同 时，将c p l d 技术与传统的功率控制技术相结合，设计了一种全数字的p w m 信 号发生器，实现了信号源中p w m 信号发生电路的数字化、智能化。另外，对信 号源与负载( 故障电力电缆) 的阻抗匹配问题作了比较详细的理论分析，该理 论分析加以拓展，还可以作为研究其它功率控制设备与起负载的匹配关系的理 论基础，同时为以后设计更加精确、高效的信号源起到了重要的指导作用。 关键词：电力电缆；故障检测；信号源；阻抗匹配；i g b t ；c p l d a b s t r a c t t h e r ea r ea l a r g ea m o u n to fc a b l e si nt h ei n d u s t r yf i e l d w h e t h e r o rn o tt h ee l e c t r icp o r t i o nw o r kw e l lw i l ld e c i d et h ee f f i c i e n c yo ft h e w h o l ei n d u s t r ye q u i p m e n t s u n f o r t u n a t e l y ，t h ec a b l ef a u l t sb r i n gm a n y t r o u b l e si nt h e i n d u s t r yf i e l de v e r yy e a r t h ist h e s i sisr o o t e di nt h ep r a c t i c eo ft h ec a b l ef a u l td e t e c t i o n i nt h is t h e s i s ，t h es i g n a lg e n e r a t o rw i t hh i g hp o w e ro u t p u ta n da u d i o f r e q u e n c yi sd e v e l o p e d t h em e a np o w e ro u t p u ti sa b o u t2 5 k wa n dt h e f r e q u e n c y i sa b o u t 4 0 0 1 k h z s e c o n d c o m b i n e dw i t ht h e u p t o t h e m i n u t ed i g i t a lt e c h n o l o g yo fc p l d ，an e wp w ms i g n a lg e n e r a t o r is d e v e l o p e d ，t h u st h ed i g i t a la n di n t e l l i g e n tz e ds i g n a lg e n e r a t o ri s w o r k e do u t 。a l s o ，t h et h e o r yo ft h em a t c h i n gc i r c u i ti s d i s c u s s e di n d e t a i l t h ist h e o r yw i l lb et h ed i r e c t i o nt o d e s i g nm o r ea c c u r a t ea n d s m a r t e rs i g n a lg e n e r a t o r i ft h et h e o r yise x p a n d e dr e a s o n a b l e ，i ta l s o c a nb eu s e dz od is c u s st h em a t c h i n gp r o b l e m sb e t w e e nt h e o t h e rp o w e r c o n t r o l e q u i p m e n t sa n d i t sl o a d s k e yw o r d s ：c a b f e ：f a u i t d e t e c t i o n ：s i g n a lg e n e r a t o r ：i m p e d a n o e m a t c h i n gc ir o u i t ：i g b t ：c p l d 电力电缆故障检测信号源的研究 第一章绪论 1 1 电力电缆故障检测的意义及方法 随着经济和生产的发展，电力电缆以其占地少，对人身比较安全；供电+ 可靠，受外界影响较小；运行简单方便，维护工作量小；电缆的电容较大， 有利于提高电力系统的功率因数等优点得到了广泛的应用。但是目前在供电系 统中的电力电缆有相当大的一部分是带病运行，电力电缆故障在所有供电故障 中占有相当大的比重。快速、准确地确定故障点位置和故障类型成为电力电缆 使用和运行过程中十分关键的技术之一。迅速、准确地确定电力电缆的故障点 能提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电损失。随着国家城市及乡村电网 改造工作的开展以及各企业现代化设备的引进与应用，电力电缆的数量大量增 加，广大供电部门及企业十分重视电力电缆的运行质量及在故障情况下电力电 缆的故障定位及类型确定。 长久以来，电力电缆故障测寻技术是随着电力电缆的应用、理论与实践紧 密结合，相互发展的。先后发展出电桥法、低压脉冲反射法、脉冲电流法以及 应用光纤技术、计算机技术发展出来的新的测试方法和系统等。下面分别简要 介绍： 1 最初现场应用的是电桥法【。1 ：其理论基于认为电力电缆是一种集中参数 的导体，电缆的直流电阻和电缆的长度成正比。电桥法又可分为h i l l b o r n 电 桥、m u r r a y 电桥、m u r r a y t w oe n d 电桥、m u r r y f i s h e r 电桥、o p e n & c l o s e d 电 桥、v a r l e y 电桥、w e r r e n 电桥等。 2 低压脉冲反射法：又叫雷达法，是b y r e s 和f e s e r 受二次世界大战雷达 的启发而发明的。该方法利用长线的波过程原理，认为电力电缆的长度与脉冲 信号波长相比拟时。电缆可视为一长线，由许多电阻r 、电导g 、电感l 、电 容c 等分布参数组成的，脉冲电压或电流以波的形式以一定速度v 在这样的 电力电缆故障检测信号源的研究 电缆中传播，在阻抗不匹配点( 如断路点、短路点、中间接头等) 将发生反射 和折射。低压脉冲反射法就是通过测量发射脉冲与故障点反射脉冲的时间差f 来测距的。 3 ，脉冲电流法1 l 6 】：脉冲电流法也是利用电缆中的波过程原理，只不过是 人为地用高压将故障点击穿或使故障点发生闪络，通过记录产生的电流波到达 测试端的时间和波形来判断故障点的位置和故障类型。这种方法又分为直流高 压闪络测试法和冲击高压闪络测试法。 4 光纤技术的发展也给电力电缆的故障检测提供了新的手段。其原理是利 用一组基于f a r a d a y 效应制成的光学电流传感器( o p t i c a lc t ) 检测电力电缆 故障各段电流的幅值和相位，通过比较不同c t 的输出值确定出故障段。利用 光纤技术测寻电力电缆故障的优点是：当电力电缆发生故障时可以不必将整条 故障线路与供电系统分开，也省却了将测量设备连接到故障电缆上的麻烦；另 外，光学电流传感器的输出可以直接由o e 转换成数字量。通过光纤传输测量 信号，这样不但可以避免故障电流引起的电磁感应对测量结果的影响而且可 以直接与计算机测试与分析系统接口，组成测试系统，为故障电流的存储与分 析带来了极大的方便。同时通过对测试系统功能的扩展可以实现对电力电缆运 行状态的实时监测，在故障时对故障电流做记录，为电力电缆的故障测寻提供 了第一手资料。这是一个新的发展方向，是个十分活跃的领域，日本、美国及 英国等国内外很多机构在搞这方面的研究，也出了不少的研究成果【2 】【3 1 。 随着计算机技术的发展和应用，电力电缆故障检测技术也逐渐摆脱了以前 现场上的设备粗笨、接线繁琐，使用不便的历史，越来越多的高科技产品的应 用使电力电缆故障检测技术和设备朝着小型化、高精度、操作简便、安全性好 的方向发展。首先高精度、微机化测试设备的使用本身就使得检测结果比原来 老方法所得到的结果精确的多 4 】【5 1 。另外使用这些仪器也使检测过程得到了简 化，比如有了数字存储记录仪或数字存储示波器用低压脉冲法探测电力电缆 的故障就可以通过先后对电缆的非故障相和故障相注入相同的电压波，同时：己 电力电缆故障检测信号源的研究 录这两个电压波的反射波，然后将这两个反射波在示波器或记录仪上直接进行 比较，有分支的地方即为故障点【6 】。这种方法省却了很多经验上的分析与判断， 使经验不是很丰富的测试人员也能很容易地找到故障点。再次，这些先进仪器 本身具有强大的信号处理与分析功能，可以对存储的波形做时域、频域分析， 从而使故障类型的判断、故障点的分析方法更加多元化，为故障点的测寻提供 一了新的依据。 总之，电力电缆故障测寻技术是伴随电力电缆的应用而发展的，随着电力 电缆的普遍使用，电力电缆的故障测寻技术也在不断的发展，许多新的技术的 应用使得该技术得到了突飞猛进的发展。 1 2 论文选题及研究的主要内容 由于电力电缆故障问题长期困扰供电部门和企业，本论文就两公里长的 6 i o k v 交联聚乙烯电力电缆为研究对象，研究检测这种故障电缆的故障类型 以及故障定位所需要的信号源。并通过理论分析，讨论了信号源与负载( 故障 电缆) 的匹配关系。另外设计了全数字的p w m 信号发生器，实现了信号源的智 能化。 电力电缆故障检测信号源的研究 第二章电力电缆参数的测定 豢i 娥獾鎏溪! 麟 蘸瓣l 麒豢薹露l 隧囊震蒸麟鬟霉蓦j 蓑囊瓣骥懑纛 蘸寨鬻鬻；蜒季戮；麓饔麟溪霪麟簿蓊臻麓蘩鬻鞘囊藿稳薄颡瓣；鬻穗藜 蠢i 豢鬻：囊i ；戮鬣蘸；瓣；鲻i 豢溪i 蓬 2 1 电力电缆参数测定 作为信号源负载的电力电缆与其它类型的负载有很大的不同。研究电力电 缆在故障和非故障情况下的具体情况，对有针对性设计性能优良的信号源是十 分必要的，因此本节中对电力电缆的故障和非故障的具体情况做简要讨论和分 析。 无故障的电力电缆对外表现为纯容性负载，而且其电容量随着电缆长度的 增加正比例变化。这样我们可以通过测量几米长的电力电缆的电容量来计算和 估计两公里长电力电缆在无故障情况下的电容量。本论文用1 6 米左右的电力 电缆计算两公里长的电力电缆电容量的过程和测试结果如下： 电缆样本长度测量结果见表2 1 ： 表2 1 电力电缆睦度测量结果 t a b l e 2 1t h el e n g t ho f t h ec a b l e单位( c m ) l n i234567gq1 0 i l1 6 i5 01 6 1 0 01 6 1 4 01 6 26 i1 6 2 7 01 6 i 5 01 6 l0 01 6 4 0 01 6 i3 0l6 1 5 0 去掉极值后取平均值的结果为：1 6 1 5 6 m 。 用低压电桥对电缆样本测量所得的电容量见表2 2 ，计算单位长度电容值 为0 2 5 1 7 n f 。 电力电缆故障检测信号源的研究 表2 - 2 电力电缆电容量的测量结果 t a b l e 22t h ec a p a c i t a n c eo ft h ec a b l e s e r i e s单位( n f ) nl234567891 0平均 1 0 0 h z0 4 5 6 0o4 4 1 004 9 l o04 3 3 00 4 1 0 00 ，4 l5 00 4 3 2 004 6 1 00 4 9 2 0o4 2 2 004 4 4 0 lk h z04 0 3 20 4 i8 40 4 0 6 904 0 7 60 4 0 8 704 0 4 604 0 6 50 4 0 7 30 3 6 7 l04 0 7 804 0 6 6 p a r单位( n f ) n i23 4567891 0平均 1 0 0 h z04 2 0 004 18 004 i5 004 l3 004 1 1 00 3 4 3 004 i5 004 1 4 00 4 2 3 00 4 4 2 004 1 6 0 l k h z04 2 1804 l5 904 2 6 3o 4 2 2 804 2 2 l04 0 7 604 1 1 80 4 0 3 60 4 0 4 704 0 1 7o4 l3 8 注：平均值为去掉极值再取平均的结果。 为了验证实测结果，采取理论计算的方法计算所得单位长度电容值。电缆 的电容值与电缆的电器结构密切相关，对于交联聚乙烯电力电缆：其结构如图 2 1 7 1 ，这种电缆单位长度的电容量可按照式( 2 1 ) 【7 1 计算： 篡 c q 矿：等 陋， 绝缘 。一u 一n 旦一l 以旦 ( 2 1 l n l 以 内半导电层其中：8 0 ；8 ，8 6 1 0 - 1 2 f m 外半导电层s = 2 5 ( 交联聚乙烯) 幽2 i 交联聚乙烯叱力电缆结构 f i 9 2 ，1t h es t r u c t u r eo ft h ec a b l e 由此计算电力电缆的电容量的过程如表2 3 - 5 电力电缆故障检测信号源的研究 表2 - 3 电力电缆容量计算 t a b l e 2 3t h er e s u l to ft h ec a b l e sc a p a c i t a n c e 单位( m m )精度( 00 2 r a m ) 1234567891 0 平均 d i77 0i7 7 41 74 8l73 21 72 0l76 81 73 81 76 8 176 2l78 6 l75 7 5 d c 1 1 4 293 293 894 092 89 4 894 094 89 5 69 ，4 8 9 4 0 2 5 注：平均长度为去掉极值取平均 故：单位长度电缆电容量： c 2 n i s o e ：垒坐堕樊幽：2 2 2 4 9 7 x1 0 f ：0 2 2 2 5 删m ，d i，1 7 5 7 5 l n 。一l n 。 n9 4 0 2 5 可见实测值和理论计算值很接近，我们可以用测得的单位电缆的电容值去估计 两公里长的交联聚乙烯电力电缆的电容量。考虑测量误差，两公里长的6 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆的电容量约为：o 4 5 0 5 p f 。 2 2 电力电缆故障系统模型 当电力电缆发生故障的时候，故障点可用图2 2 所示电路【6 】来等效 c f 图2 - 2 故障点等效电路 f i 9 2 2t h ee q u iv a le n tc i i cl i i to ft h ec a b lef a u i ti o c a t i o t q 其中r f c t 表绝缘电阻，g 是击穿电压为v g 的击穿间隙，c r 代表局部分邻 电容，这三个数值随不同的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然的联 电力电缆故障检测信号源的研究 系。间隙击穿电压v 。的大小取决于放电通道的距离，电阻r f 的大小取决于电 缆介质的碳化程度而电容c f 的大小取决于故障点受潮的程度，数值很小， 一般可忽略。 根据故障点绝缘电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻 与闪络性故障，见表2 4 i 引。故障类型主要决定于绝缘电阻r f 的大小。 以上分析了两公里长的6 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆在非故障下以及故障 情况下的参数，它作为本论文所设计的信号源的负载，决定了信号源的主电路、 保护电路等参数的选取。 表2 - 4 故障点类型 t a b l e 2 4t h et y p e so ft h ec a b l ef a u i t 故障性质 r f间隙的击穿情况 开路无穷大在直流或高压脉冲作用下击穿 低阻小于1 0 z or f 不是太低时可用高压脉冲击穿 高阻大于1 0 z o高压脉冲击穿 闪络无穷大直流或高压脉冲击穿 注：表中z o 为电缆的波阻抗值电力电缆的波阻抗一般在1 0 4 0 q 之问。 电力电缆故障检测信号源的讲究 第三章信号源的研制 镬鬻t 罐罐鎏囊蘩篓鹾黧簧蘸囊蘸熟鬻黼繁翳鞘鞭黧暖瀚蒸戮瓣辫囊 熏；i 囊囊i 囊濂囊i 戮舔囊麟i 黉镳豢懑嚣纛漆：鬟i 蠹瀵i 蔓l 耩嚣i 蒸蘩鬻j 蘩蘸糕i 穗蘩蠹豢 鼷纂i 鬻蒺豢麟蘸i 鬻缫麟邋黧黼羹鎏溅溪鬻：鍪 3 1 概述 信号源( s i g n a lg e n e r a t o r ) 是电子技术中的常用的一种设备，用于产生各 种形状、频率和幅度的信号。在应用中，信号源产生什么样的信号是由应用场 合决定的。不同的应用条件和对象对信号源产生的信号的形状、频率和幅度的 要求不同，在电力电缆的故障检测技术中，主要应用的是矩形波、指数波、钟 形波( 又叫升余弦) 等，由于矩形脉冲形成比较容易，故应用的比较多。通常 整个电力电缆故障检测系统由信号源和信号检测与分析等部分组成。如图3 1 所示： 图3 i 电力电缆故障幢测系统的组成 f i 9 3 it h ec o m p o s eo ft h ew h o l ed e t e c t i o ns y s t e m 本论文将被测故障电缆视为一个系统，信号源作为该系统的输入( 系统激 励) ，信号检测与分析部分提取系统的输出( 系统响应) ，并对检测到的信号按 照一定的分析方法进行分析与处理得到故障点和故障类型等参数。由此，信号 源能否产生符合测试系统以及信号检测与分析部分要求的信号就成为能否成 电力电缆故障检测信号源的研究 功进行故障定位与故障类型判断的基础，是衡量故障检测系统性能的重要指 标。 本信号源采用i g b t ( i n s u l a t e dg r i db i p o l a rt r a n s i s t o r ) 作为信号发生元件。 电力电缆的长度和型号决定了信号源的信号发生部分元件的参数。从经济性和 可行性的角度出发，本信号源采用i g b t 半桥电路作为信号发生的主电路。本 信号源以长度为。2 k i n ，电压等级为6 1 0 k v 的交联聚乙烯电力电缆( 该电缆长 度约为大连石油七厂一套化工装置所用的电力电缆的总长度) 为研究对象，以 该电缆的基本特性参数作为本信号源设计条件。 3 2 信号源的组成 本信号源由i g b t 主电路、p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制电路、 驱动电路、保护电路、辅助电源以及升压变压器等部分组成，具体结构及相互 关系见图3 - 2 虚线部分： - 一“一一一一。一一一一。一一一一一。、 2 2 0 v 图3 2 信号源组成框| 星| f i 9 32t h ec o m p o s eo ft h es i g n a lg e n e r a t o r 电力电缆故障检测信号源的研究 其中各部分功能如下： 主电路部分：包括a c d c 和d c a c 两部分。a c d c 部分完成对工频市 电的整流滤波，d c a c 部分对整流滤波后的直流电进行调制，将其调制成方 波脉冲输出。它是本信号源的核心部分。 p w m 控制电路：产生频率、占空比符合要求、稳定的低压控制脉冲信号， 该信号用于控制半导体开关元件i g b t 一的工作周期以及占空比等参数。 驱动电路：驱动电路是i g b t 主电路和p w m 控制电路之间的接口，驱动 i g b t 的开通与关断该部分电路对整个逆变部分的性能有很大影响。好的驱 动电路可使i g b t 工作在良好的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗对整 个信号源的运行效率、可靠性及安全性都有重要意义。 过流过压保护电路：对信号源的输出进行监测，当负载或者信号源本身出 现非正常工作状态时封锁控制信号的输出或给出保护信号，包括过流保护、过 压保护两种，当然为了保证信号源的安全与稳定运行，保护措施越完善越好。 升压变压器：将低压方波脉冲变换成符合要求的高压方波脉冲。 辅助电源：给本信号源各部分提供不同电压等级的电源。 各部分的具体结构和参数选取将在以下各节中详述。 3 3 主电路结构 3 3 1 主电路工作原理 主电路是信号源的核心部分，实现能量的转换。主要包括a c d c 和d c a c 两部分。a c d c 实现对交流市电的整流滤波，d c a c 是信号源的逆变部分， 实现直流电到交流电的转换即把整流滤波后的直流电转换成一定频率、一定 占空比的方波脉冲。d c a c 部分是信号源的关键部分，它决定了信号源的效 率、应用场合等，对现场应用起决定作用。现有常用的逆变的方式主要有：单 电力电缆战障检测信号源的研究 管逆变电路、推挽逆变电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路。单管逆变电路结 构简单，只应用在小功率场合。后三者都是产生双向脉冲的逆变电路，在推挽 逆变电路中开关晶体管上承受的电压为输入电压的两倍，如果加上由变压器漏 电感引起的尖峰脉冲电压。则需采用耐压很高的开关晶体管。半桥逆变电路、 全桥逆变电路都具有所需功率开关管耐压低( 为输入电压与漏电感电压引起的 电压之和) ，变压器利用率高的特点。二者比较半桥逆变电路的控制电路较 全桥逆变电路简单，并且比全桥逆变电路少两个功率开关管，多用于中大功率 的逆变电路中，而全桥逆变电路需要四个开关管，往往用于大功率的逆变电路。 而且很重要的一点是半桥电路抗偏磁能力是这几种电路中最强的，其本身就具 有抗偏磁能力。下面就半桥电路抗偏磁的原理做以介绍。 图3 - 3 为半桥电路抗偏磁能力的原理图。 图3 3 半桥电龉f 5 平衡腺脞幽 f i 9 33 t h es k e t c hm a po fb a l a n c eo ft h es e m i - b r i d g ec i r c u i t 假设： 只研究t r l 、t r 2 稳态过程。 c l 、c 2 以两倍于电网频率充放电，其周期远大于t r l 、t r 2 的开关周期。 因此可以认为v d 在t r l 、t r 2 开关周期内相对保持不变。实际上，c i = c 2 。 不计开关管的前后沿，其作用可用k l 、k 2 表示，饱和压降的不同可用 串联等效电阻r 1 、r 2 表示。 变压器用低频等效电路表示。原副边绕组直流电阻等效为r 0 ，副边负 载折合到原边等效为r l 。 电力电缆故障检测信号源的研究 由以上假设电路有两种工作状态，第一种为k 2 闭，k 1 断，c 2 充电，c 1 放电。第二种为k 2 断，k l 闭，c 2 放电，c 1 充电。可以用微积分法求当k t 、 k 2 闭合时间不同( ，l 。：) 和r l 、r 2 不等( k 。，k 。：) 时，两个导通 时间内加在变压器上( r 0 + r l ) 的“伏一秒”数。具体计算过程如- f ： 前半周期：k 2 闭，k 1 断。设c 1 、c 2 初始电压为u l ( 0 ) 、u 2 ( 0 ) 。设 一 c = c 1 + c 2 = 2 c 1 = 2 c 2 ，则变压器原边电压： m 。地( 0 ) 半毒 ( 3 _ 1 ) 其中：r 2 = r 2 + r o + r l 同理：负半周期变压器原边电压： u ( f ) 圳l ( o ) - 半蔷 ( 3 _ z ) 其中：r l = r l + r o + r 利用积分公式：_ ，= j “( ，皿求其伏- 秒数_ 。分别为： ：氅c ( ”叭卜e 一等) ( 3 _ 3 ) 1 一p c r 2 “( r i “ t 。：= 毪c ( r 。+ 尺。) ( 1 1 一p m 。h “ 由式( 3 3 ) 、式( 3 - 4 ) 可得 以n l = n 2 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 由式( 3 - 5 ) 可知两伏一秒数相等，即平衡，起到了抗偏磁作用。这种优异的特 性决定了在中小功率场合，采用半桥电路非常经济和可靠。 根据现场需要，本信号源用于中等的功率情况下，结合价格、复杂度以及 电力电缆故障检测信号源的研究 体积结构等多方面的考虑，本信号源采用半桥逆变方式，即选择两个开关管作 为主电路的两个桥臂。其它两个桥臂采用脉冲电容。主电路结构如下： 文 0 - 图3 - 4 主电路原理图 f i 9 34t h em a 0o ft h em a i nc i r c u i t d 1 d 4 、r 1 、c 1 构成主电路的a c d c 部分，c 2 c 5 、v t l 、v t 2 、r 2 、 r 3 构成主电路的d c a c 部分。其工作原理如下：在交流输入的正负半周，d l 、 d 3 和1 3 2 、d 4 两组轮流导通向电容c 1 充电，经c l 滤波后在c 、d 两端得到 一个稳定的直流电压。该直流电压值经c 2 、c 3 分压，并通过r 4 、r 5 均压。 此时控制v t i 和v t 2 轮流导通，则可在a 、b 两端获得一个交流的方波电压。 具体工作过程分两个阶段：设b 点电压为零点，在控制电路和驱动电路的触发 下，当v t l 导通v t 2 截止时，a 、b 两端为c 2 上的电压此时升压变压器输入 为正的方波脉冲，当v t 2 导通v t l 截止对，a 、b 两端为c 3 上的电压值，因 为b 点电压为参考点，故此时输入升压变压器的为负的方波脉冲。这种交流方 波脉冲经过变压器升压后便可得到所需的电压。在交流输入端用条压气进行调 压，可实现变压器次级输出连续可调。通过调整控制电路和驱动电路的参数实 现开关管( i g b t ) 工作频率以及占空比的调整。 电力电缆故障检测信号源的研究 3 3 2 功率主回路参数选取 功率主回路包括a c d c 变换电路、d c a c 变换电路、过压保护缓冲电路。 功率主回路的设计和参数选取就是根据实际需要合理设计和选择元器件。 i g b t 作为复合型电力电子功率器件同时具有双极型功率器件的离电压、大电 流及导通压降低的优点，同时又具有m o s f e t 等单极型功率器件输入阻抗高， 开关速度快的优点。是一种很有发展前景的新型功率器件，本论文采用i g b t 作为功率主回路的开关元件。由于这种功率器件通常工作在高电压、大电流、 高开关速度的情况下，所以在使用中，必须十分注意参数的选取。i g b t 的主 要参数有最高集射电压( 额定电压) 、门射电压、开启电压、漏电流、集电极 电流、最大功耗、额定结温、饱和压降、开关时间、热阻等。在使用中关键是 要选好额定电压、额定电流、峰值电流三个参数。 额定电压就是其允许的最高集射电压，根据全波整流电路的原理以及实测 结果在c l 上获得的直流电压约为1 2 1 4 倍的交流输入电压。那么在交流市 电输入经过调压器调压为最大2 5 0 v 时，c l 上将得到3 3 0 v 左右的直流电压， 那么在正常的工作情况下当一只开关管导通，另一只开关管截止的情况下，截 止的开关管承受的最大电压为3 3 0 v 左右。考虑到由开关管在关断时感性电路 引起的反向电压和变压器漏电感引起的尖峰电压，以及f u j ie l e c t r i c 的使 用手册i ”，选择i g b t 的耐压值为6 0 0 v 。 额定电流i 。为当i g b t 导通时，集电极允许通过的最大电流有效值。峰值 电流i c m 是集电极允许通过的电流最大值。在实际应用中必须使集电极通过的 最大电流小于i g b t 的峰值电流i c m 。集电极电流计算公式为： p ，( m = ( 3 - 6 ) n u 其中，只为信号源的输出功率( 2 ，5 k w ) ：u 为变压器初级电压有效值，即主 电路输出电压有效值。变压器初级上的电压波形为方波，它的峰值即为有效值， 电力电缆故障检测信号源的研究 在半桥电路中等于输入电压的一半，约为1 6 0 v 。由于本信号源要求输出电压、 频率和占空比可调，所以该值的选取应该取调压器输出为2 5 0 v 时、占空比最 大为4 8 时主电路输出的有效值，取3 3 0 v 。，7 为变换电路的效率，一般r 8 0 ， 则： ，。，：昱：互5 蔓1 0 0 0 ：1 9 。5 3 a( 3 7 ) “” 7 7 u0 8 1 6 0 因此必须选择，f 。1 95 3 a 的功率开关管。本论文中信号源的负载为电力 电缆，当存在接地故障时，会产生很大的电流脉冲，另外，在信号源工作的过 程中，主电路分布电感和负载之间( 电力电缆相地之间的电容) 还会不可避免 地产生振荡，因此选择i g b t 时留出5 倍的余量，即将i g b t 的集电极峰值电 流设定为9 7 7 a 。参考f u j ie l e c t r i c 的使用手册，选择i g b t 的额定电流为 15 0 a 。 因此论文选用的i g b t 模块为f u j l 2 m b l l 5 0 l 0 6 0 其参数为额定电压值 6 0 0 v ，额定电流值1 5 0 a 。 主回路中分压电容c 2 、c 3 的选取应在考虑耐压的情况下电容量取的要尽 量大这样有利于输出波形的稳定。所以选择c 2 、c 3 的参数为4 7 0uf 6 0 0 v 。 滤波电容c l 的选择方法同c 2 、c 3 。但是电容量选的应更大一些，以保证 输出波形的稳定和足够的功率输出，本论文选择4 7 0 0uf 6 0 0 v 的电容。 分压电阻r 4 、r 5 应选择有一定功率的分压电阻，而且两电阻的分布参数 要相一致。本论文中选择两只1 0 0 k 1 w 的电阻。 当然在特殊场合下还要更仔细她选取其它参数，本论文不再详述。 3 3 3 保护和吸收电路的设计及参数选取 在本信号源主电路中包含用于功率传递的感性元件变压器和引线电感，当 i g b t 快速关断时会在电感上产生开关浪涌电压，根据浪涌电压的强度和持续 电力电缆故障检测信号源的研究 时间，将会危害i g b t 的安全工作。当然通过减小变压器的漏感，合理布线来 减小电感，对减小i g b t 的过压工作是有利的，但是还应该采取其它的过压抑 制的措施来积极的减小过压的发生。 在i g b t 的正常工作时，出于对信号源输出波形的考虑，希望i g b t 的开 关速度要快，另外在过流保护过程中，集电极电压迅速下降时，电流硪出在 布线电感上产生的反电势将加到处于关断状态的那只i g b t 上，造成i g b t 的 c e 电压强烈过冲。所以必须想办法抑制该过电压，方法是在i g b t 的c e 间 增加缓冲回路【9 】，以减小在i g b t 开关过程中产生的过电压。目前常用的缓冲 网络有c 型缓冲网络、r c 型缓冲网络、r c d 型缓冲网络，如图3 - 5 所示： j 图3 - 5 缓冲网络 f i 9 35 t h ea b s o r p t i o nc i r c u i to fi g b t 图3 5 c 是个典型的r c d 缓冲网络，其工作原理为：当i g b t 关断期间，线路 电感和感性负载产生的浪涌电压及电容两端的直流基压玑通过二极管d 对电 容c 充电，吸收回路起到旁路续流作用；在随后的i g b t 导通期间，电容上存 储的电荷通过电阻r 向i g b t 放电，电阻r 起到限制电流作用。在通过对单只 i g b t 的触发导通实验发现，对于图3 5 a 所示的缓冲网络，主电路电感和缓冲 回路中的电容形成l c 回路，在i g b t 开关的过程中产生大的电压波动。对于 图3 5 b 充电和放电时间常数都为r = r c ；图3 5 c 所示的缓冲网络其充电和放 电时间常数不同，充电常数比图3 5 b 小得多，能更快地吸收i g b t 导通与关断 过程中产生的浪涌电压，而且二极管的价格也很低，综合以上分析及实验结论， r c d 型缓冲网络以简单经济的办法实现了i g b t 的缓冲与吸收电路，因此本论 露 嘻蚴争m 电力电缆故障检测信号源的川f 究 文采用r c d 型缓冲网络作为本信号源主开关管的缓冲网络。 对于缓冲网络回路参数的选取 1 。l 【1 ，可按经验公式计算得出。以下为缓冲 网络参数的选取方法及具体参数计算以及元件的选取。 在关断时电感能量可写成 e = 2 1c u 。，2 = ；，。u 。( f ，+ f ，) ( 3 8 ) 其中：c 一一吸收缓冲回路电容( f ) u 。一一i g b t 最大发射极一集电极电压( v ) ，一一i g b t 最大集电极电流( a ) f ，一一i g b t 关断时最大集电极电压上升时间( s ) t一一igbt导通时最大集电极电压下降时间()t s 解得的电容表达式为： c ；i 量，托)( 3 - 9 ) u ，e 如上所述，i g b t 关断时，回路对c 充电；i g b t 导通时间0 内，电容c 上的电量经r 放电，电容c 两端的电压变化为： u ，= u z e ” ( 3 - 1 0 ) 为避免因电容c 每次在i g b t 导通时间内放电不完全产生积累电荷而造成 缓冲吸收电路失效，一般地让导通时间。大于3 倍的放电时间常数，即 t 。3 r c ( 3 一l1 ) r 丘 ( 3 - 1 2 ) 3 c 。 由上式计算褥r 值，但作为放电限流电阻，必须限制放电电流，。的大小a 即： ，m。i1(3-1 3 ) 电力电缆故障检测信号源的研究 其帆= 警 只u c e( 3 - 1 4 ) 4 r ， 电阻r 功率为： 最= ：f c u , 。2 ( 3 - 1 5 ) 其中，一一变换器工作频率( h z ) 所以，。的取值为回路电流有效值的5 倍，即1 0 0 a ：( f ，+ f ，) 取值为( 1 十2 ) ps ：t 。的取值为方波脉冲的脉宽，它的最小值为0 5 m s 则： c ：生虹! 型：1 _ o o ( 1 + 2 ) l o - 6 ：9 0 0 甩f( 3 一1 6 ) u ， 3 3 0 r = 纽= 3 7 0 2( 3 一1 7 ) 3 c 只= c u , e 2 = ! 3 x 1 0 3 x 4 5 0 x 1 0 - 9x3 3 0 2 = 7 3 5 w( 3 1 8 ) 由于在选取i g b t 的时候留的余量较大，因此r 值不必严格符合式( 3 - 1 7 ) 、 ( 3 一1 8 ) 的计算结果，取限流电阻r = 2 5q 1 0 0 w 无感电阻，储能电容采用 4 7 0 n f 1 2 0 0 v 的无感电容。 3 4 控制电路的设计 控制电路是信号源的核心部分，信号源输出波形的具体参数都是由信号源 的控制电路决定的。其主要功能是根据输入条件控制主回路的工作状态，输出 符合现场需要的方波脉冲，当信号源出现故障或者外电路出现故障等做出及时 的响应，封锁方波脉冲的输出对信号源实施保护。本节主要讨论控制电路的 设计方法及设计实例。 电力电缆故障检测信号源的研究 目前常见的用于控制i g b t 导通与关断的集成控制器主要有两种：一种是 电压脉宽调制型如s g l 5 2 4 s g 3 5 2 4 ，s g i5 2 5 a s g 3 5 2 5 a ，t l 4 9 4 等，另一种 为电流脉宽调制型，如u c 3 8 4 2 a 、l t l 8 4 6 3 8 4 6 等。由于前一种控制器较易控 制而且应用方便，本信号源要求信号源输出的信号频率和脉宽都可调，而且可 以在其他控制信号输入的时候能够按照该信号的频率输出控制脉冲( 即外同 步) ，考虑到现场应用的实际环境( 户外应用) ，因此选择电压脉宽调制型控制 器，具体型号选择l i n f i n i t ym i c r o e l e c t r o n i c s 公司的军品级控翎器 s g l 5 2 5 a 作为控制电路的核心器件。 s g l5 2 5 a 系列电压脉宽调制器在应用时外接元件少，性能好，而且具有 外同步、软启动、死区调节、欠压锁定、误差放大以及封锁输出驱动信号等功 能。其主要特点是： 工作电压8 v 3 5 v ： 5 1 v 基准； 振荡器频率范围宽，l o o h z 5 0 0 k h z 分离的振荡器同步端： 可调的死区时间控制； 软启动时间可由外设电容值整定 逐个脉冲关闭： 具有滞后电压的欠压锁定电路； 防止多重脉冲输出； 双源出吸入输出驱动器。 其中，尤其是特点，给本信号源的设计带来了极大的方便。宽范围的 振荡频率使得本信号源可用于被测量的故障电缆的长度范围很宽：应用独立的 外同步端可以实现本信号源根据数字p w , i 信号发生系统的输出的信号输出一 定频率的控制脉冲，可以实现与故障分析系统的智能接口；双源出吸入输出 驱动从机制上保证了两只i g b t 在完全反向的驱动信号下工作，大大降低了两 电力电缆故障检测信号源的研究 只i g b t 直通的短路故障。 图3 6 为核心控制器s g l 5 2 5 a 的外观引脚图。其引出端功能为：l 脚( i n 一) 为误差放大器反向输入端。2 脚( i n + ) 为误差放大器同向输入端。3 脚( s y n ) 为同步端。4 脚( o u t o s c ) 为振荡器输出端。5 脚( c t ) 外接定时电容。6 脚 ( r t ) 外接定时电阻。7 脚( d i s ) 为放电端。8 脚( s s ) 为软启动端。9 脚( c o m p ) 为误差放大器输出补偿端。1 0 脚( s d ) 为关闭端。1 1 脚( o u t a ) 为a 输出端。 l2 脚( g n d ) 为地。1 3 脚( u c ) 为集电集输出端。1 4 脚( o u t b ) 为b 输出端。 1 5 脚( v c c ) 为电源电压输入端。1 6 脚 s g l5 2 5 a ( u r e f ) 为基准电源输出端。其内部包括 11 6 215 314 41 3 512 61 1 一710 89 ij r f f v c c 0 u t 日 c g n d n lj t a s d c o m p 基准电源、欠压锁定电路、振荡器、误差 放大器、脉宽比较器及触发器、锁存器等 组成部分。基准电源能提供5 1 v 的基准 电压。在软启动端外接一个电容器即可实 现软启动，电容量越大，软启动时间越长。 圈3 - 6s g l 5 2 5 a 外舰引脚图关闭端能控制软启动电路和输出级，向 f i 9 3 6t h ep in so fs g l 5 2 5 a关闭端加上正5 v 电压，则p w m 锁存器就发 出关闭信号使电路关闭。同时，外接的软启动电容上的电荷也可通过内部电路 放电，在关闭端正电压信号取出后软启动又可起作用。欠压锁定电路在输入电 压低于正常工作电压时，使软启动电容放电，输出关断，欠压锁定电路中的 5 0 0 m v 滞后电压使电路工作稳定。s g l 5 2 4 a 内部电路的显著特点是在脉宽调制 比较器的输出端连接一个锁存器，然后再送到双路输出的或非门。该锁存器由 关断电路置位并由时钟脉冲复位。这样可保证每周期内只有比较器送来的脉 冲，而将无偿放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动或振荡消除掉。当一个 电流信号引起关断时，即使该信号已消失，锁存器可能维持一个周期关断输出 直到下一个周期的时钟信号使锁存器复位为止。所以关断电路能有效地控制输 出。同步输入可使主电路带几个从电路同步工作。单个电路可由系统外的时钟 电力电缆故障检测信号源的研究 同步。振荡器的工作频率由r t 端和c t 端所接的电阻和电容值来定，其频率由 式( 3 一t 9 ) 式决定： 厂= 1 c r ( o 7 r r + 3 r d ) ( 3 1 9 ) 在c t 端和放电端加一个电阻如就可使死区时间在宽范围内调节，尺。阻值 越大，死区时间越长。 一 本论文中，由s g l5 2 5 a 为核心组成的控制电路如图3 7 ，其中： l 脚( o u t a ) 1 4 脚( o u t b ) 为两路反向的脉冲输出，送给驱动电路； 1 0 脚用于输入外接过流脉冲封锁信号，也可以接受各种程序控制的信号， 这个功能是与其它p w m 控制芯片显著不同的地方，可以通过这个脚实现信号 源与微机接口： v c c 图3 7p w m 控制电路 f i 9 3 7t h e , l a po fc o n t r 0 1c ir t u i t c 5 为振荡电容( 信号源中为两只型号为1 0 5 和1 0 3 的电容并联) ： r 6 为充电电阻( 信号源中为9 k o 电阻和2 2 k q 电位器串联) ； r 7 端连接的是放电电阻( 信号源中为6 6 0 q 和1 0 0 k q 电位器) ； 由此，实现了其频率和死区可以在一定范围内独立调节，给电力电缆故障 检测提供频率和死区可调的脉冲信号。 电力电缆故障检测信号源的研究 3 5 驱动与保护电路的设计 驱动电路将p w m 控制器的脉冲信号变成可以直接驱动i g b t 的驱动脉冲， 有的驱动器还带有保护电路。 就自身的性能和特点而言，i g b t 的确是目前市场上一种理想的大功率开 关器件但在应用中需要特别注意的是以下几个方面： l 、由于是绝缘栅极，i g b t 的栅极有很高的输入阻抗，因此在无栅极放电 回路的情况下其栅极易积累电荷，并且栅极氧化层很脆弱，仅能承受20v 的耐压，这很容易造成栅源极间的击穿，使i g b t 损坏。为了防止这类情况的 发生，必须在i g b t 的栅极与源极间并接一只5 0 100k q 的电阻。另外，由 于各种原因，以及栅