基于FPGA的高壓交聯電纜測試電源的研制

摘要：分析了串聯諧振的原理并通過推導得出諧振電容兩端電壓的關系式，結合目前國內高壓電纜耐壓測試的發展現狀，證明了變頻串聯諧振試驗方法的優越性。對于控制部分，利用現場可編程門陣列(FPCA)實現了自動頻率跟蹤，使得整套系統的控制精度得以提高。經測試結果表明，研制的耐壓測試電源樣機具有操作簡單、控制方便、體積小、重量輕等優點，在輸出功率為6 kW的情況下，可以使電纜試品上承受的電壓穩步升高到18 kV，滿足了18 kV以下交聯聚乙烯(XLPE)電纜的耐壓測試要求。
關鍵詞：電源；耐壓測試；串聯諧振；自動頻率跟蹤

1 引言
近年來，XLPE絕緣電力電纜已經取代油紙絕緣電力電纜，并逐步取代PVC絕緣電力電纜和充油電力電纜，且電壓等級已發展到500kV。
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、工頻串聯諧振以及調頻諧振耐壓測試等方法。通過分析可知，對XLPE絕緣電纜進行耐壓試驗時，采用直流耐壓試驗是不恰當的，它存在很大的缺陷。超低頻(0．1 Hz)耐壓試驗方法和工頻串聯諧振試驗方法由于電壓等級的限制和自身條件的限制也不易采用，而采用調頻串聯諧振試驗方法，可方便地對任意長度的XLPE絕緣電纜進行耐壓試驗。因此它也是目前對XLPE橡塑電纜進行耐壓試驗的最有效、最有前景的方法。此處系統為在調壓變頻諧振試驗技術的基礎上利用FPGA對高壓交聯電纜進行的智能化設計。

2 主電路結構
圖1為調頻諧振式耐壓試驗樣機的硬件電路結構框圖，其主電路由兩套整流和逆變電路構成。前級、后級逆變電路的控制電路實現調壓、調頻功能。滿足了電纜耐壓測試電源中電壓和頻率同時可調的要求。在主電路中，控制繼電器可實時判斷系統故障并及時做出反應。為減小系統控制的復雜度，整流部分采用單相橋式不可控整流電路。濾波電路是由電容和電感組成的π型濾波電路。逆變電路是由4個IGBT組成的全橋逆變電路，后級逆變電路輸出的是頻率可調的交流電壓，通過勵磁變壓器T1變換后，輸入由高壓諧振電抗器L、電纜試品電容Cx組成的諧振回路。通過諧振在Cx上產生高壓，達到對電纜進行耐壓試驗的目的。

3 變頻串聯諧振試驗原理
圖2示出串聯諧振變換器的原理圖，在全橋變換器中，以PWM進行控制時，對角的兩只開關管VQ1和VQ4，VQ2和VQ3同時開通和關斷，且它
們處于近似于180°的互補導通。當VQ1和VQ4(或VD1和VD4)同時導通時，A，B兩點電壓uAB=Uin；當VQ2和VQ3(或VD2和VD3)同時導通時，uAB=-Uin，因此uAB為幅值Uin，近似180°寬的交流方波電壓，具體波形如圖3a所示。