01Hz超低频余弦方波极性转换电路的设计

1、极性转换电路在XLPE电缆超低频耐压试验中的优化设计张晓龙，罗欣沂，唐世虎，易亚元（西南交通大学电气工程学院，成都，610031）摘要：0.1 Hz超低频余弦方波耐压系统，由于与工频耐压系统有良好的等效性且具备体积小，重量轻， 能有效的检测出交联聚乙烯电力电缆（简称XLPE电力电缆）的绝缘缺陷等优点，在XLPE电力电缆耐 压试验的应用越来越多。但现有超低频设备的极性转换电路设计有二阶阻尼震荡，造成能量损失，使得 极性转换后正负电压不一致；由于XLPE电缆的特殊空间结构，这样会增加XLPE电力电缆的空间电荷 积累量，最终对电缆造成隐性伤害。针对以上问题，本文提出了采用反向可馈电的极性转换电路的设

2、计 方法来解决此问题。通过Matlab/Simulink仿真表明：此方法能够补充极性转换过程的能量损失，使得 极性转换后正负电压一致；仿真结果与理论分析一致，验证了设计的正确性。关键词：反向馈电；超低频；XLPE电缆；极性转换；电荷积累中图分类号：TM835文献标识码：B文章编号：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引言近年来，随着我国电力行业的高速发展，大量 电力电缆被用于城市电网改造工程，这是城市电网 的主要发展趋势E。其中XLPE电力电缆是城市电 网改造工程中使用最广泛的电力电缆。由于XLPE 电缆在电网中的大量使用，所以XLPE电缆的安全 稳定运行和电网的安全运行息息相关。但是，随着 对交联聚乙烯绝缘特性的进一步研究，发现XLPE 电力电缆的绝缘层容易产生树枝性，造成电缆绝缘 层老化3-4，从而影响电缆正常使用，甚至会造成电 力系统故障。因此，为了保证电力系统的正常运行， 必须加强对XLPE电力电缆的绝缘检测，防止电力 电缆故障带来的电力系统故障5。

8、所以很多XLPE 电缆的耐压试验应运而生。通过多年摸索，0.1 Hz 超低频耐压系统在众多耐压试验中脱颖而出回。0.1 Hz超低频余弦方波耐压系统由两部分组成：高压直 流电源和形成余弦方波的极性转换电路刀。但现有 的超低频余弦方波试验系统在极性转换过程中有能 量损失，会造成极性转换后正负电压不一致。由于 XLPE电缆的特殊空间结构，最终增加电缆中的电荷 积累量，它将对电缆造成隐性伤害，缩短其使用寿 命。因此文章专门针对此问题对超低频余弦方波的 极性转换电路进行了全新设计一一加入反向馈电电 路，弥补极性转换过程中的能量损失，有效的实现 极性转换后正负电压一致。1正负电压不一致空间电荷积累的原因分

9、析极性转换后正负电压不一致形成的空间电荷 积累原因分析如下：(1)当XLPE电缆中的偶极子(水,杂质)遇到 外部电场作用的时候，所有偶极子都要受到电场电 矩作用，它会向电场的方向转动；当偶极距与电场 方向相同时偶极子的位能最小，这时处于稳定，和 直流场中偶极子转向相同。遇到交替的电场作用 时，偶极子会来回的转动，具体情况涉及到正负电 场大小和频率，遇到单一电场方向作用的时候，偶 极子顺着电场方向的平均偶极矩如下凶：2 a 5945a 华 kT式中 与为偶极子固有偶极距；T是温度；L(a)为 朗日凡函数，这是奇函数；k为玻尔兹曼常数；E 为电场强度；式(1)中电场强度和偶极子的平均 偶极距成正比

10、关系，是奇函数，在正负电压不一致 的情况下其平均偶极距幅值也会不同，转动量也并 不对称。如果试验电压时间大于偶极子的极化时 间，负向电压小于正向电压，偶极子的转向过程如 图1所示，负向的转动量q小于正向的转动量弓 最终会产生de的转动余量在每一次极性转换周期 中。0.1 Hz VLF试验时间长达1 h，这会导致宏观 极距的出现。E正图1偶极子转向过程Fig.1 Dipole steering process(2)交联聚乙烯电缆有多层结构9，在直流或低 频情况下XLPE电缆会发生空间电荷极化，这些电 荷聚集在缺陷和界面中，如气隙中，假定缺陷分布 均匀，正负电压不一致会加剧电荷在这些缺陷中不 对称

11、性聚集，最终形成宏观电矩10。在10 kV测试 中，超低频耐压测试时间长，由于正负电压不一致 会一定程度的增加空间电荷积累量，所以空间电荷 集聚需要引起重视11-12。2反向馈电极性转换电路设计2.1极性转换模型建立极性转换电路是超低频耐压系统的核心，也是 设计的难点。要实现正负极性的转换最简单的方法 就是逆变。但在本系统中，逆变的方法不再使用。 一方面原因是由于交联聚乙烯电缆是一个容性负 载，若采用逆变的方式，在正负极性转换时会产生 很大的浪涌电流，会对开关管造成巨大的冲击；另 一方面考虑到余弦方波的本质是在极性转换时能 产生一个光滑过度波形，这个波形类似于工频余弦 波的换向前缘波，并且波宽

12、保持在26 ms之间， 采用逆变控制难度大。因此考虑用极性转换电路代 替逆变电路。极性转换用LC振荡原理实现，此设 计一方面可以实现能量循环使用，降低输入功率； 另一方面可在正负极性转换时，波形光滑过度。极 性转换电路的二阶振荡模型如下图2所示。图2极性转换电路模型Fig.2 Polar conversion circuit model图2中U 0为直流高压源；C为试品电容的等 效电容和辅助电容；R为振荡回路总电阻。在进 行0.1 Hz余弦试验时，电缆被加压到试验电压，5 s 后电容先向电感充电，电感再反向向电缆负极性充 电，完成极性转换。极性转换的时间可以由电感L 来控制，使其保证在26 m

13、s。2.2传统极性转换电路设计在进行10 kV XLPE电缆耐压试验时，超低频余 弦方波中的直流部分试验电压约为27 kV3。传统 极性转换电路主要是只有高压直流电源对试品进行 充电。拓扑结构如下图3所示：图3传统极性转换电路设计Fig.3 Design of traditional polarity switch circuit输入电压为直流30 kV, S1, S2、S3为单向导 通管。在(0, 4.95)秒内，S1导通，高压直流电 源给电容C进行充电；在(4.95, 4.95+力，其中 3为极性转换时间；S1断开，S2导通，电容通过S2 首先对电感L进行储能，电容电压开始降低，当电 容放

14、电完毕后，即储存在电容上的电量全部转化为 电感的磁场能，紧接着L对电容C进行反充电。 在9.95 s，S2断开，S3闭合，电容负极对电感充电。 在10 s时，断开S3,闭合S1，完成一个极性转换 周期。但在此过程中会伴有二阶阻尼震荡，此电路未设计反馈补偿装置，在转换过程中会造成能量损转换的时间，使其控制在26 ms，辅助电容C1 能够避开开始充电瞬间，电路呈现的空载现象。极性转换过程原理如下：(1) 0 s时刻，K1导通，其余全部断开，试品 电容C2和辅助电容C1由系统提供的电源对其进行 充电；K5自动导通，在系统检测达到30 kV的时候 K1断开，并且电容电压保持；假如没有到达30 kV，

15、K1在4.9 s时断开，K5导通。K5和K1的控制信号Fig.5 Test positive charge(2)在4.95 s时，K2和K5导通，其余断开， C1和C2正向对电感L1进行充电，在电容电压过零 时，电感磁能反向充电到电容的负极，实现高电位失，使得极性转换后正负电压不一致，负电压达不 到正电压值。所以有必要对传统极性转换电路进行 优化设计。2.3反向馈电的极性电路设计原理为解决极性转换后正负电压不一致的情况， 加入反向馈电电路。设计通过极性转换电感和前级 的整流桥很高效的实现了极性转换后正负电压一 致；设计还实现了由振荡放电电路代替传统的电阻 放电电路的功能，使放电更加快速有效。根

16、据系统 极性转换电路要求，为极性转换电路应提供30 kV 直流电源和经整流的220 V反向馈电电源，电路拓 扑如图4所示：Fig.6 Positive and negative polarity conversion(3) 5 s时，K2和K4均导通，前级整流桥对 L1进行冲电。5.1 s，K2导通，K4断开，此刻电感 L1向电容充电补充极性转换过程的损失能量。考虑 到转换时间很短和高压继电器导通时间的限制，在 v5.15 s时，K2和K4导通，再次向L1充电，一个充 电周期时间为0.15 s。照此循环，当系统检测到电 容电压到达了-30 kV时，自动断开K4。反向馈电过程中，K2 一直处于导

17、通状态直到 9.9 s时断开，这样可以简化控制电路；假定电容电 压没有达到-30 kV，K4也会在9.9 s时断开。其过 程如图7所示：正正图4极性转换电路拓扑结构Fig.4 Polarity switching circuit topology电容先对电感进行充电，电感再电缆进行负极性的充电，完成极性转换。电感L1可以控制极性Fig.7 Inductance reversely charges the capacitor(4)在9.95 s时，K3和K5导通，其余全断开， 电容负极先对电感L1充电，在电容电压过零时， 电感的磁能就对正极反向充电，实现高电位从负极 向正极的转换。由于有足够的时

18、间余量，在10 s 时，K1导通，K5断开，完成一个极性转换周期， 后面周期则类似，其过程如图8：图8正负极性转换Fig.8 Positive and negative polarity conversion(5)当试验过程中发生击穿或者系统测试完 毕需要对系统进行放电，这时K1和K4断开，0.05 s 后K2后K3同时闭合，对试品进行振荡放电，10 s 后结束试验，其过程如图9所示：图9振荡放电过程Fig.9 Oscillating discharge process2.3极性转换电路控制电路设计2.3.1控制目标实现通过上文对极性转换电路原理分析，要完成极 性转换和保护需要分别对5个开关施

19、加不同时序控 制而达到，其目标控制波形为图10所示。检测达到设定电压或 电缆击穿，提前关断图10继电器目标控制波形Fig.10 Waveform of relay control通过图10，可以看出5路控制信号中有4路 控制信号是两两互补的，即K、K5与K2、K3。因 此、K5开关采用单刀双掷型高压继电器，K2、 K3由于涉及到耐压试验完成放电需同时闭合，采 用电刀单掷，那么实际的控制信号只需要输出四路 就可以实现。在极性转换过程中，为了实现极性转 换电路的调压控制和击穿保护，在时序控制的同 时，需要加入三个逻辑控制，即正向调压控制、反 向馈电控制、击穿保护。正向调压控制是当试品达 到外部键盘

20、输入的预设值时，迅速关断开关K 反向馈电控制是当试品反向电压达到预设值时，迅 速关断开关k4；击穿保护是当系统检测到输出电 流迅速增大时，迅速关断开关K和K4,然后闭 合K2和K3放电，并提示试品击穿。2.3.2极性转换电路硬件控制设计本系统可采用AT89S52单片机作为极性转换 电路控制核心。控制系统框图如图11所示：图11基于AT89S52极性转换电路控制框图Fig.11 Control block diagram of polarity switchingcircuit based on AT89S52控制过程为：当系统上电后，单片机复位启动， 首先通过单片机外接的键盘输入试品需要充电的

21、电 压值和耐压时间，并在液晶屏上显示；然后单片机 发出控制指令，通过驱动电路导通开关，然后开始 查询AD转换器转换结果并显示；当试品电压达到 预设值，发出控制信号关断相应开关；当试品击穿 时，发出控制信号关断相应开关，并在屏幕上提示 试品击穿，记录击穿电压和击穿时间。3极性电路仿真结果分析通过反向馈电极性转换电路分析，预测系统能 在6 ms之内完成极性转换；通过反向馈电，正负电 压能够保持一致；系统如果需要结束耐压试验，可 以通过有阻尼振荡放电方式快速有效的完成放电过 程。Simulink仿真验证如下。3.1极性转换时间取直流输入电压为Uin=30 kV，反向馈电输入 电压取自工频匕n=220

22、 V整流桥输出侧，其极性转 时间仿真波形为图12所示。图12极性转换时间仿真Fig.12 Polarity conversion time simulation通过图12可以看出，系统在4.950 s时候开始 极性转换，4.956 s时结束，极性转换所需的时间 为6ms，与理论计算值一致。3.2反向馈电后负电压图13电感多次反向馈电波形图Fig.13 Inductance repeatedly reverses feedback waveforms从图13中可以看出，经过极性转换电容的电 压没有达到-30 kV，只有-29 165 V；电感在5.05 s时进行反向馈电，经11次馈能后电压到达-

23、30 k V，馈电开关断开，电压保持在-30 kV。图中仿真 馈电次数与理论计算值相吻合，并且经过多次馈能 后使正负电压达到一致；通过仿真验证了设计的合 理性。3.3系统放电仿真由于系统的功率限制，系统需要通过23个 周期左右才能够充电到达额定30 kV，运用 Simulink进行耐压试验系统仿真时受到Simulink 中示波器存在最大采样点（约为3 000 000个）和 仿真需要步长短的限制，因此在整个系统的仿真 时，取4 s作为极性转换的周期。图14为系统的放电过程，在5.9 s时设置试验 结束，在5.85 s时，%，K4断开，5.9 s时，K2和 K3均导通，系统进行放电，这是二阶有阻尼

24、振荡的 过程，波形是随时间而快速衰减的正弦波，在7.02 s 时，系统经过大概1.1s，放电过程基本结束，试品 上的电压降为0 V。通过仿真结果可以表明这种有阻 尼振荡放电方式能够有效的去除两极的电荷残留， 并且放电时间快，远优于电阻单边放电方式的效果。图14耐压系统试验结束放电过程Fig.14 Puncture withstand voltage test systemdischarge4结束语本文分析了极性转换后正负电压不一致对 XLPE电力电缆造成空间电荷积累的的原因及其危 害，提出了反向馈电的极性转换电路设计方案，有效的解决了此系统的缺陷。通过仿真验证了设计的 正确性：6 ms内完成极

25、性转换，通过增加220 V前 级整流桥对电感在一定周期内馈电，弥补了极性转 换过程中的能量损耗，使得极性转换电路正负电压 一致，并且仿真结果与理论分析相吻合。该设计应 用于超低频系统会使该系统与工频耐压试验有更 好的等效性，更能有效的测试出XLPE电缆的绝缘 缺陷，且不会造成隐性伤害，此设计方案会有很大 的应用前景。参考文献袁野，陈剑，贾志东，等10 kV XLPE电缆受潮绝缘特性研究J.电网技术，2014, 38(10): 2875-2880.Yuan Ye, Chen Jian, JIA Zhidong, et al. Study about insulating properties o

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