20kV振荡波测试系统的研制

李 婧 黄 锋 郭金明

（广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530000）

20kV振荡波测试系统的研制

李 婧 黄 锋 郭金明

（广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530000）

本文研制了一种可用于6/10kV电缆局部放电测量的20kV阻尼振荡波测试系统，并提出一种新型的基于IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistors）串联的高压开关结构，其由多路IGBT串联组成，集成于一个直径为60cm的圆形印刷电路板上。为了增强本系统的应用范围同时符合IEC 60060-3的要求，本文结合磁矢位法（MVPM），精确计算并设计了适当的空心电抗器参数及结构。最后在实验室条件下对本系统进行相关测试，试验结果表明本系统可用于6/10kV电力电缆局部放电检测及定位。

振荡波测试系统；电力电缆；高压电子开关

电力电缆作为电能传输的桥梁，是电力系统的重要组成部分。随着对供电可靠性的要求的逐渐提高，以前对电力电缆进行故障维修的方式已不能满足人们的要求，所以对电力电缆的“状态检修”就显得越来越重要。局部放电量是评估电缆状态的重要指标，其能直接反应电缆内部的绝缘水平［1］。准确测量电缆局部放电对评估电缆绝缘水平具有重要意义［2］。

常用的电缆现场试验方法主要有工频试验法和直流试验法。但研究表明工频试验法和直流试验法并不适合于交联聚乙烯电缆测试［3］，因此寻求一种适合于电缆现场测试的试验方法具有重要意义。

阻尼振荡波测试系统（Damped Oscillating Voltage Test System）是近年来国内外应用效果较为良好的一种电力电缆的检测技术［4-5］。研究表明，该试验方法相对于工频交流耐压试验具有良好的等效性，能灵敏地发现XLPE电力电缆中的各种缺陷（尤其对于电缆的制造质量缺陷和施工质量缺陷），并在试验过程中不会对电缆造成损伤。整个试验系统具有轻便灵活所需电源容量小等特点，适合于现场试验，因此阻尼振荡波测试方法是一种良好的 XLPE电力电缆现场实验方法。

本文主要介绍了一种新型的，6kV/10kV电缆局放测量用振荡波测试系统的设计，开发和测试过程。本文提出一种新型的高压电子开关结构，并详细介绍了其工作原理及优点。又结合磁矢位法（MVPM），对空心电抗器的电感值进行了精确计算，并在实验室条件下对本测试系统进行测试，试验结果表明本系统可用于10kV电缆的局部放电检测。

1　测试系统技术参数

振荡波测试系统的拓扑结构图如图1（a）所示，其主要包括高压直流电源，高压电子开关，空心电抗器和电缆试品，电缆由导电线芯、绝缘材料和接地极构成，其中导电线芯和接地极可以看为电容器的两极，绝缘材料就是电容器的绝缘介质［6］。首先，通过高压直流电源对电缆试品充电到预设电压值；然后闭合高压电子开关并切断直流电源，此时，电缆试品与串联空心电抗器组成RLC振荡电路（如图1（b）所示），由于振荡回路中电阻很小，在电缆试品上将会产生衰减振荡的电压，其电压波形如图 2所示。

图1　振荡波测试系统电路图

图2 阻尼振荡波波形

图1（b）所示为阻尼振荡波测试系统的等效电路模型，图中L表示空心电抗器；R1为空心电抗器的电阻值；C为电容性试品，一般为几公里长的电力电缆；R2为电容性试品的泄漏电阻。当电容性试品上电压为UP时闭合开关，可以得到电容性试品上电压波形为

其中

2　振荡波测试平台的设计与搭建

根据IEC 60060—3标准可知，在对6/10kV电缆进行振荡波测试需要试验电压最大为2.5U0，且其振荡频率应在 20～1000Hz之间，因此本系统中高压开关最大可承受电压应大于20kV，且空心电抗器的电感量需经过仔细计算以确保在大多数情况下测试系统的振荡频率满足IEC标准。

2.1高压开关设计

随着现代电力电子技术的发展，半导体开关不但易于控制，导通速度快，通流能力强且耐压值高，其以成为构建高压电子开关的主要组件［7］。本文选用具有BIMOSFETTM技术的IGBT芯片作为此开关的基本单元，再结合IGBT均压技术将10个这样的IGBT串联起来，使其整体耐压值达到30kV。本文设计高压电子开关结构如图3所示，包含开关模块，隔离供电单元及触发单元共3部分，其中开关模块由多个IGBT及其辅助电路组成。

图3所示为装配好的高压开关，其由10个相同的开关单元串联组成，其排列在直径为 60cm的印刷电路板上。每个IGBT单元又可细分为供电电路、驱动电路、IGBT及其辅助均压电路。IGBT辅助均压电路由静态均压电路和动态均压电路共同组成［8］，动态均压电路由7个相同的TVS管串联构成，以抑制可能出现在 IGBT两端的瞬态过电压，静态均压电路由多个兆欧级电阻串联构成。为了确保不同电位之间有足够的电气距离，开关盘在需要高电压隔离的位置刻槽以增加其爬电距离。

图3　高压电力电子开关

由于在IGBT串联结构中，各个IGBT芯片的发射极电位不等，因此其不能简单使用单一电源为其供电［9］。为解决此问题，本文提出一种新式的基于反激变换器的多路隔离供电技术。该技术通过松耦合的方式在狭小范围内实现了多路输入输出隔离，既保证了50kV等级的隔离电压又缩减了整体尺寸，大大提高了多路隔离供电系统的集成度，且其具有很强的可扩展性。

如图4所示，电路中仅用了一个半导体开关M1，即减少了体积又提高了可靠性；铁氧体磁心T1位于开关盘中间，一次侧绕组从磁心中心穿过，通过电-磁-电的方式在二次侧感应出 15V的电压，为各个IGBT芯片供电。同时，电路中采用功率因数校正技术，保证一次侧电流时刻跟随整流滤波电压波形，提高能量传输效率的同时降低了电流峰值，既降低了半导体开关所承受的电应力又防止了铁氧体磁心过饱和，极大地提高供电系统的可靠性和稳定性。

图4　多路隔离供电原理图

为了增强驱动能力，本文采用推挽放大电路对触发信号进行功率放大，如图5所示。在IGBT串联结构中，当各门极驱动信号不同步时，会出现部分IGBT已导通，而其他IGBT未导通的情况，此时未导通IGBT上将承受很大的电压，导致IGBT芯片被击穿，损坏高压开关，因此应尽可能减小各个IGBT门极驱动之间的时间差。为此，本文通过多路光纤传输系统以确保每路触发信号到达 IGBT门极时间基本相同，并选用了同一型号，同一时期，同一生产线上的器件以减少器件本身的分散性。经测试发现，各个IGBT门极信号的延时时间约为460ns，误差在20ns以内，可有效避免IGBT因导通不同步而导致击穿。

图5　驱动单元原理图

2.2空心电抗器设计

阻尼振荡波测试系统中，空心电抗器用来与容性试品组成L-C振荡回路，是阻尼交流振荡波测试系统的重要组成部分。空心电抗器的电感量与线圈的匝数，绕线方式等多种因素有关［10］，直接计算有一定困难，因此本文借助磁矢位法对其电感量进行计算。磁矢位法基于迭代的思想，充分考虑每匝线圈的自感和任意两匝线圈之间的互感，将所有线圈的自感及其相互之间的互感将叠加，最终得到其总电感量，因此其结果具有很高的精确度。

磁矢位法将每匝线圈都看为独立个体并对其进行剖分计算，再将各匝线圈的磁链相叠加计算出整个线圈的自感。这种方法不仅考虑了线圈的实际绕法，还可以解决无效绕组和不足一匝的线圈绕组对电感量的影响。由于阻尼交流振荡波测试系统中的振荡频率总小于1000Hz，所以可忽略集肤效应的影响，认为电流均匀的流过线圈截面。

空心电抗器的总电感由个线圈的自感和互感共同决定，其中自感又包括内部电感和外部电感。由于电流均匀的流过线圈界面，因此如图6（a）所示的环形线圈的内部电感Li和外部电感Le分别为

将线圈的内部电感和外部电感相加和得到线圈的总电感为

其中

式中，K（k）和 E（k）分别表示第一类和第二类完全椭圆积分，当参数k一定时，其值可通过式（9）、式（10）分别求得。

对于一个由两组线圈构成的绕组而言，互感可以通过诺伊曼磁矢势公式得到，即

式中，I1、I2分别表示两组线圈中的电流；l1和l2表示每匝长度；N1和N2表示每个线圈的匝数；r表示两个线圈之间的绝缘距离；μ0是真空中的磁导率。

当两个半径分别为 R1和 R2的线圈相互平行且具有相同的对称轴时，如图 6（b）所示，式（6）可改写为

图6　计算示意图

最后通过综合计算每匝线圈自感和互感就可得到整个空心电抗器的电感量为713.5mH。

为了验证计算结果，本文由通过有限元的方法对电感量进行再次计算，如图7所示。图7（a）所示为电感线圈的模型图，对其进行剖分并在其上加上电流，仿真得到电感线圈及其周围的磁通分布如图7（b）所示，然后计算出其电感量为720.1mH，与磁矢位法计算结果基本相同。有限元仿真计算需要进行建模、剖分、加载、计算等大量计算，而磁矢位法的计算量就要小很多，且其计算结果与有限元仿真结果基本相同，具有很强的实用性和更高的效率。最终所设计空心电抗器实物图如图8所示，其由4部分组成，各部分分别有12、16、16和11层。

图7　Ansys仿真结果

图8　电抗器实物图

图9　试验电路图

3　实验结果

在实验室条件下对本系统进行测试，其实物图如图9所示。空心电抗器约为710mH，电缆试品用500nF无局放高压电容代替。通过高精度电阻分压器和局放耦合单元进行测量。试验结果如图 10所示，当在输出电压为 20kV时，所测到系统本身的局部放电幅值小于 10mV。通过局部放电标定源对本系统标定可知，当局部放电量为5pC时，所测得局部放电幅值为 10mV。因此可认为本系统为无局放测试系统。

图10　系统自身局部放电水平测试波形

将试品换为一段200m长的6/10kV交联聚乙烯电缆，在其中点处设置一个人造缺陷。得到试验波形如图11所示。结合时域反射法（TDR）对测试结果进行局放定位，如图12所示。从图上可以看出，局部放电信号主要集中于距首端 100m处，这与实际情况相符。因此，本文所研制阻尼振荡波系统可应用于6/10kV电缆局部放电检测及定位中。

图11　老化电缆局部放电测试波形

图12　电缆局部放电定位图

4　结论

本文提出的新型高压电子开关由开关模块，隔离供电单元及触发单元三部分构成，重量轻，体积小，工作稳定等优点，可适用于 10kV振荡波测试系统。文中所提出的空心电抗器由多层线圈绕制而成，其总电感值为710mH。在实验室条件下对该空心电抗器进行测试表明，当试验电压为 20kV时，其放电量小于5pC。本系统在实际电缆局放测试中，所测得的局部放电信号明显，且其局部放电定位结果与实际情况相符。试验结果表明本系统可用于10kV电缆局部放电测试。

接下来的工作应着重将本系统中的多个独立部件集成在一个装置中，并引入WiFi通信等技术，既保证了现场应用的安全又增加其便携性，对电力电缆现场测试具有十分重大的意义。

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Development of a 20kV Damped Oscillating Voltage Generator

Li Jing Huang Feng Guo Jinming
（Guangxi Power Grid Electric Power Research Institute Co.， Ltd， Nanning 530012）

This paper describes the design and development of a 20kV rated damped oscillating voltage （DOV） generator that can detect the partial discharge condition in 6/10kV power cables. A complete system using a novel high-voltage switch consisting of a series of connected insulated gate bipolar transistors （IGBTs） is designed and tested. The switch consists of 10 identical IGBT switch units，a multiple output isolated power supply system and a trigger unit. Physically， it is a 60cm diameter fan-shaped printed circuit board （PCB）. To coordinate the various tested objects and to comply with the IEC 60060-3 standards， an air-core inductor is calculated to precisely fit the most general application conditions using the magnetic vector potentials method （MVPM）. A laboratory prototype is assembled and tested. Waveforms illustrating the performance of the IGBT switch and the output of the DOV are presented. Finally， an application-oriented test demonstrates that the scheme can successfully complete the partial discharge （PD） test and PD location test for a cable sample.

damped oscillating voltage testing system； power cable； high voltage switch

李 婧（1987-），女，广西南宁人，助理工程师，主要研究方向为过电压与绝缘技术。