基于FPGA的高壓交聯(lián)電纜測試電源的研制

摘要：分析了串聯(lián)諧振的原理并通過推導(dǎo)得出諧振電容兩端電壓的關(guān)系式，結(jié)合目前國內(nèi)高壓電纜耐壓測試的發(fā)展現(xiàn)狀，證明了變頻串聯(lián)諧振試驗方法的優(yōu)越性。對于控制部分，利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPCA)實現(xiàn)了自動頻率跟蹤，使得整套系統(tǒng)的控制精度得以提高。經(jīng)測試結(jié)果表明，研制的耐壓測試電源樣機(jī)具有操作簡單、控制方便、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，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(wěn)步升高到18 kV，滿足了18 kV以下交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的耐壓測試要求。
關(guān)鍵詞：電源；耐壓測試；串聯(lián)諧振；自動頻率跟蹤

1 引言
近年來，XLPE絕緣電力電纜已經(jīng)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(fā)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(lián)諧振以及調(diào)頻諧振耐壓測試等方法。通過分析可知，對XLPE絕緣電纜進(jìn)行耐壓試驗時，采用直流耐壓試驗是不恰當(dāng)?shù)?，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(lián)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(diào)頻串聯(lián)諧振試驗方法，可方便地對任意長度的XLPE絕緣電纜進(jìn)行耐壓試驗。因此它也是目前對XLPE橡塑電纜進(jìn)行耐壓試驗的最有效、最有前景的方法。此處系統(tǒng)為在調(diào)壓變頻諧振試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上利用FPGA對高壓交聯(lián)電纜進(jìn)行的智能化設(shè)計。

2 主電路結(jié)構(gòu)
圖1為調(diào)頻諧振式耐壓試驗樣機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，其主電路由兩套整流和逆變電路構(gòu)成。前級、后級逆變電路的控制電路實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻功能。滿足了電纜耐壓測試電源中電壓和頻率同時可調(diào)的要求。在主電路中，控制繼電器可實時判斷系統(tǒng)故障并及時做出反應(yīng)。為減小系統(tǒng)控制的復(fù)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(diào)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(chǎn)生高壓，達(dá)到對電纜進(jìn)行耐壓試驗的目的。

3 變頻串聯(lián)諧振試驗原理
圖2示出串聯(lián)諧振變換器的原理圖，在全橋變換器中，以PWM進(jìn)行控制時，對角的兩只開關(guān)管VQ1和VQ4，VQ2和VQ3同時開通和關(guān)斷，且它
們處于近似于180°的互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)VQ1和VQ4(或VD1和VD4)同時導(dǎo)通時，A，B兩點(diǎn)電壓uAB=Uin；當(dāng)VQ2和VQ3(或VD2和VD3)同時導(dǎo)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。