專利名稱：一種超低頻高壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超低頻高壓電源，屬于電氣產(chǎn)品領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近30年來，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室提出了眾多電纜絕緣性能試驗(yàn)方法和檢測(cè)手段，包括直流耐壓、工頻耐壓、0. IHZ超低頻耐壓、變頻諧振耐壓、kHz振蕩波耐壓等測(cè)試手段。直流耐壓試驗(yàn)不適用于對(duì)電纜進(jìn)行耐壓測(cè)試，因?yàn)樵谥绷麟妶?chǎng)下形成的空間電荷會(huì)保存在電纜絕緣層中，當(dāng)試驗(yàn)完畢重新投入運(yùn)行后，殘存的空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)與運(yùn)行電壓的電場(chǎng)疊加，給實(shí)際仍能運(yùn)行的電纜造成擊穿；交流工頻耐壓試驗(yàn)最為有效，但由于電力電纜的電容很大，需要大功率試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備笨重，難以對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)防性耐壓試驗(yàn)。 1990年奧地利學(xué)者Kruger首次提出橡塑電力電纜經(jīng)過直流耐壓試驗(yàn)以后存在累計(jì)破壞效應(yīng)，建議停止直流耐壓試驗(yàn)，提出用0. IHz超低頻耐壓試驗(yàn)代替的理論；國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)專門成立了一個(gè)工作組研究取代直流耐壓試驗(yàn)的可能性，經(jīng)過十多年時(shí)間的研究， 發(fā)現(xiàn)超低頻0. IHz正弦電壓、超低頻0. IHz余弦方波電壓、振蕩波測(cè)試電壓、50Hz交流諧振試驗(yàn)電壓可以適應(yīng)于電纜絕緣檢測(cè)。柏林工業(yè)大學(xué)經(jīng)過數(shù)年的研究發(fā)現(xiàn)，50Hz交流諧振試驗(yàn)只能測(cè)出對(duì)電纜造成直接威脅的缺陷，研究認(rèn)為PE/XLPE電纜進(jìn)行電壓測(cè)試的最好電壓形式是0. IHz余弦方波電壓，因?yàn)樗梢蕴峁┫鄬?duì)低的局部放電起始電壓和相對(duì)高的通道增長(zhǎng)速度。由于0. IHz耐壓試驗(yàn)裝置容量理論上是工頻(50Hz)的1/500，耐壓效果與工頻具有等效性。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，廣泛采用0. IHz超低頻耐壓試驗(yàn)技術(shù)，極大提高了電纜供電的可靠性。1995年德國(guó)制定VDE DIN 0276Part 1001 (Mayl995)《中壓橡塑電纜交接試驗(yàn)工頻交流耐壓和0. IHz耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)》；1996年美國(guó)電力研究所(Erai)發(fā)布了《中壓電力電纜0. IHz現(xiàn)場(chǎng)試行導(dǎo)則》；我國(guó)2004年頒布了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《超低頻高壓發(fā)生器通用技術(shù)條件DL/T849. 4-2004》，為推廣超低頻技術(shù)起了關(guān)鍵作用；0. IHz超低頻耐壓測(cè)試方法已成為是國(guó)內(nèi)電纜絕緣檢測(cè)試驗(yàn)方法的一種趨勢(shì)。由于需要產(chǎn)生超低頻數(shù)百千伏的高壓，而變壓器不能通過超低頻的基波分量，因此，現(xiàn)在正在使用的超低頻高壓交流電源都有設(shè)計(jì)復(fù)雜、故障率高、成本高等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的超低頻高壓發(fā)生器多是進(jìn)口產(chǎn)品，產(chǎn)自德國(guó)。其結(jié)構(gòu)主要分為電子式和機(jī)械式兩種。電子式超低頻電源主要通過諧振產(chǎn)生高壓電，并通過開關(guān)管級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，這個(gè)方法的缺點(diǎn)是多管級(jí)聯(lián)控制電路復(fù)雜，成本高，一旦一個(gè)器件損壞，整個(gè)橋臂都會(huì)損壞；代替級(jí)聯(lián)的方法就是使用氫間管，但是現(xiàn)在氫間管技術(shù)不很成熟，單管造價(jià)昂貴，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)和使用。另外一種電子式的方法，采用光控開關(guān)實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，取代了機(jī)械式的極性轉(zhuǎn)換開關(guān)，并且使用了單片機(jī)對(duì)整個(gè)電源進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，其缺點(diǎn)是仍然采用50Hz的工頻變壓器進(jìn)行升壓，整個(gè)電源的體積大、質(zhì)量重，其次，高壓光控開關(guān)造價(jià)昂貴，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。機(jī)械式裝置有兩種，一種是以每^的間隔定期變換極性，從而得到0. IHz頻率為基礎(chǔ)的電壓，再通過一個(gè)能動(dòng)的整流器，一個(gè)扼流線圈(電感)和一個(gè)由0. 5uF的系統(tǒng)電容器和電纜本身的電容組成的電容器，產(chǎn)生了從一個(gè)極到另一個(gè)極的轉(zhuǎn)換。這個(gè)裝置基本上是一個(gè)大功率諧振回路。這種方法使用諧振方法產(chǎn)生超低頻電壓，調(diào)制波的頻率相差0. 2Hz，控制難度大，使輸出電壓和頻率不易精確控制。另一種是通過接入幅值可以改變的變壓器，變壓器輸出以正弦波模式周期性的增加或者減少，頻率是兩倍的輸出頻率，該調(diào)制工頻電壓經(jīng)過高壓變壓器逐漸升壓， 該高壓變壓器的輸出通過一個(gè)能產(chǎn)生單極電壓的全波整流器來整流。最后，整流器與終端之間的一個(gè)極性開關(guān)每隔半個(gè)周期就會(huì)將整流后的電壓的極性顛倒一下得到需要的高壓超低頻正弦波。這樣方法由于使用工頻變壓器，變壓器的體積很大，導(dǎo)致整個(gè)電源裝置體積龐大，不利于便攜式的要求。另外，幅值可以調(diào)節(jié)的變壓器需要配有專用的電機(jī)實(shí)現(xiàn)，增加的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，故障率高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的超低頻電源設(shè)備笨重，成本高、故障率高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能化控制、便攜式、低成本、故障率低的超低頻高壓交流電源，主要針對(duì)35kV 及其以下電壓等級(jí)的電力電纜進(jìn)行耐壓測(cè)試。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種電纜檢測(cè)用超低頻高壓電源裝置，包括主電路和控制電路。所述的主電路，包括整流濾波電路、LCC諧振逆變器、高頻升壓變壓器和飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置。其中，LCC諧振逆變器采用四個(gè)IGBT組成的全橋逆變拓?fù)?，每個(gè)橋臂并聯(lián)一個(gè)緩沖電容以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。逆變器使用串聯(lián)諧振電感Ls、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)諧振電容Cp 構(gòu)成LCC諧振單元，其中，Ls包含了變壓器的漏感，Cp包含了變壓器的分布電容，這樣可以利用高頻升壓變壓器的分布參數(shù)作為諧振元件，既避免了變壓器分布參數(shù)對(duì)電源產(chǎn)生的不利影響，又可以實(shí)現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)，從而提高變換器的效率。高頻升壓變壓器的分布參數(shù)通過移相調(diào)頻雙重控制的LCC諧振逆變器進(jìn)行補(bǔ)償，相對(duì)于以前只使用調(diào)頻的方式，有更大的靈活性，更有利于對(duì)逆變器的工作穩(wěn)定性和輸出濾波器的設(shè)計(jì)。其控制方式如下對(duì)電感電流值和負(fù)載電壓電流值進(jìn)行采樣，當(dāng)電感電流過零時(shí)，開通Q1，此時(shí)Ql 是零電流開通；半個(gè)周期后，關(guān)斷Q1，由于Ql兩端有反并聯(lián)電容，電容限制了開關(guān)管兩端的電壓上升率，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。電感電流‘給Cl充電，C3放電，當(dāng)C3電壓為零時(shí)， Ql D3自然換向完成。由于Cl的緩沖作用，Ql關(guān)斷時(shí)電壓上升率很小，近似于零電壓關(guān)斷。再經(jīng)過一段時(shí)間，D3導(dǎo)通，Q3兩端的電壓為零，此時(shí)開通Q3，則Q3為零電壓開通，經(jīng)過半個(gè)周期關(guān)斷Q3，同樣由于其并聯(lián)緩沖電容的作用，可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。按照同樣的方式在下半個(gè)周期里開通和關(guān)斷Q2和Q4，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)開關(guān)管的零開關(guān)。為了保持輸出電壓的穩(wěn)定，需要根據(jù)負(fù)載的電流電壓值進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，減小開關(guān)頻率，同時(shí)通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的移相角，增加占空比，從而在保證軟開關(guān)的同時(shí)仍然能夠保持輸出電壓穩(wěn)定；反之，在負(fù)載電流變小時(shí)，增大開關(guān)頻率，同時(shí)通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的移相角，減小占空比。采用移相和調(diào)頻雙重控制方式對(duì)LCC諧振電路進(jìn)行控制，可以利用高頻升壓變壓器的漏感和分布電容，實(shí)現(xiàn)三元件諧振，使開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷， 反并聯(lián)二極管D1、D2、D3、D4自然關(guān)斷(ZVS)，不存在關(guān)斷損耗。高頻升壓變壓器采用Z型分段分層纏繞，以減小分布參數(shù)的不利影響；變壓器初級(jí)采用五根相互絕緣的導(dǎo)線按照逆時(shí)針方向纏繞在一起，以減小高頻下的集膚效應(yīng)；變壓器次級(jí)的一層的末端與下一層的首端Z型相連，變壓器次級(jí)分為四段，串級(jí)連接，每一段分為十層，高頻升壓變壓器通過聚四氟乙烯膜和電纜紙配合使用進(jìn)行絕緣，并通過在次級(jí)增加電纜紙制作的油道進(jìn)行散熱處理，當(dāng)銅導(dǎo)線發(fā)熱時(shí)，通過絕緣油的對(duì)流可以將熱量快速帶走，使其能夠穩(wěn)定工作。飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置由上下各兩個(gè)固定電極固定電極A、固定電極B、固定電極 C、固定電極D，以及與之對(duì)應(yīng)的四個(gè)旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)電極A、旋轉(zhuǎn)電極B、旋轉(zhuǎn)電極C、旋轉(zhuǎn)電極D組成；頂部固定板上的兩個(gè)固定電極A、固定電極B，分別接高頻升壓變壓器的次級(jí)輸出端；底部固定板上的固定電極C和固定電極D，分別接飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置的輸出端；四個(gè)相差90°的旋轉(zhuǎn)電極A、旋轉(zhuǎn)電極B、旋轉(zhuǎn)電極C和旋轉(zhuǎn)電極D分別安裝在圓形飛盤的上、 下兩側(cè)；旋轉(zhuǎn)電極A和旋轉(zhuǎn)電極B分別與固定電極A、固定電極B交替接觸，構(gòu)成一對(duì)電極； 旋轉(zhuǎn)電極C、旋轉(zhuǎn)電極D分別與固定電極C、固定電極D交替接觸，構(gòu)成另一對(duì)電極；飛盤由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式為正轉(zhuǎn)180°，相隔固定時(shí)間后，反轉(zhuǎn)180°，采用限位裝置使步進(jìn)電機(jī)停在180°的位置，避免突然停止產(chǎn)生的失步；飛盤轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和脈沖停止的時(shí)間共同決定；飛盤上固定四個(gè)高壓硅堆Dc^ D02, D03> D04組成橋式整流電路，四個(gè)高壓硅堆隨著飛盤旋轉(zhuǎn)，使整流電路的輸出極性改變從而得到需要的超低頻波形。通過步進(jìn)電機(jī)控制飛盤旋轉(zhuǎn)，并控制其旋轉(zhuǎn)速度使輸出電壓頻率可調(diào)。高壓輸出端輸出的電壓最大幅值為100kV，并且可以從0到IOOkV連續(xù)可調(diào)，輸出超低頻頻率由 0. OIHz-IOHZ連續(xù)可調(diào)。飛盤和固定板由厚度為IOmm的絕緣材料有機(jī)玻璃制成，電極材料為鎢銅。本發(fā)明所述的控制電路，由外部采樣芯片和控制芯片共同組成。外部采樣芯片對(duì)被測(cè)電纜的電壓電流實(shí)時(shí)采樣并完成A/D轉(zhuǎn)換；控制芯片主要完成以下功能驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器、LCC軟開關(guān)控制，串口數(shù)據(jù)通訊、故障狀態(tài)采集、故障分析輸出、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其具體工作過程是外部采樣芯片對(duì)電力電纜的電壓電流值快速采樣并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為控制芯片可以接受的數(shù)字信號(hào)?？刂菩酒饕獙?shí)現(xiàn)以下功能首先，通過驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)波形，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后給LCC諧振逆變器中的IGBT提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；其次，根據(jù)外部采樣芯片的采樣結(jié)果，通過串口數(shù)據(jù)通訊與上位機(jī)通信；通過調(diào)頻和移相雙重控制， 實(shí)現(xiàn)LCC諧振逆變器中IGBT的軟開關(guān)；進(jìn)行故障狀態(tài)采集，一旦出現(xiàn)故障，首先進(jìn)行硬件故障判斷，同時(shí)由控制芯片進(jìn)行故障分析輸出，產(chǎn)生的故障信號(hào)通過繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)軟件故障保護(hù)，產(chǎn)生故障顯示與報(bào)警；最后，控制芯片產(chǎn)生頻率可調(diào)的步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，并通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為步進(jìn)電機(jī)提供工作信號(hào)，使整個(gè)裝置頻率連續(xù)可調(diào)。除此之外，本發(fā)明通過信號(hào)處理單元和驅(qū)動(dòng)電路完成主電路和控制電路的連接， 一旦被測(cè)電纜出現(xiàn)絕緣故障，故障狀態(tài)通過繼電器輸出，并產(chǎn)生故障顯示與報(bào)警。本發(fā)明的有益效果是通過使用微處理器提高產(chǎn)品智能化程度；采用特殊纏繞方式和的高頻升壓變壓器，并配合LCC諧振電路使電源體積和質(zhì)量較工頻電源大幅減小；采用旋轉(zhuǎn)整流裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣的結(jié)合，簡(jiǎn)化電源結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品成本，減少故障率。此裝置可以對(duì)電力電纜進(jìn)行連續(xù)在線的耐壓測(cè)試。


圖1是本發(fā)明所述的超低頻高壓交流電源的基本電路圖。圖2是LCC諧振逆變器的電路原理圖。圖3是高頻升壓變壓器的繞組分布圖。圖4是高頻升壓變壓器結(jié)構(gòu)剖面圖。圖5是飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是飛盤712的俯視圖。圖中1電網(wǎng)輸入，2整流濾波電路，3初級(jí)電壓采樣，4初級(jí)電流采樣，5LCC諧振逆變器，6高頻升壓變壓器，7飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置，8次級(jí)電壓采樣，9保護(hù)電阻，10次級(jí)電流采樣，11被測(cè)電力電纜芯，12被測(cè)電力電纜外殼，13外部采樣芯片，14控制芯片，15繼電器16控制單元17 信號(hào)處理單元，18驅(qū)動(dòng)電路，19信號(hào)預(yù)處理單元，20故障顯示與報(bào)警，21和22為高頻升壓變壓器的次級(jí)輸出端，23和M為飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置的輸出端；601和602為變壓器初級(jí)繞組，603和604為變壓器次級(jí)繞組，605電纜紙，606磁芯，607骨架，608聚四氟乙烯膜，609油道；701固定電極A，702固定電極B，703固定電極C、704固定電極D，705旋轉(zhuǎn)電極A，706旋轉(zhuǎn)電極B，707旋轉(zhuǎn)電極C，708旋轉(zhuǎn)電極，709步進(jìn)電機(jī)，710頂部固定板，711底部固定板，712飛盤。
具體實(shí)施例方式在圖1中，電網(wǎng)電壓1經(jīng)過整流濾波電路2后，得到直流電壓，直流電壓經(jīng)過LCC 諧振逆變器5高頻逆變，得到頻率為20kHz的高頻交流電；再經(jīng)過高頻升壓變壓器6進(jìn)行升壓，最后通過飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置7同時(shí)進(jìn)行整流和逆變，通過保護(hù)電阻9連接被測(cè)電力電纜芯11，被測(cè)電力電纜外殼12接地。控制單元16主要由外部采樣芯片13和控制芯片14配合完成其功能，其具體工作過程是對(duì)主電路初級(jí)電流和電壓進(jìn)行采樣3、4，并通過信號(hào)處理單元17，變換為控制芯片14可以處理的信號(hào)，初級(jí)的電流電壓信號(hào)直接由控制芯片14進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。對(duì)主電路次級(jí)電流和電壓進(jìn)行采樣10、8，并通過信號(hào)預(yù)處理單元19，變換為外部采樣芯片13可以處理的信號(hào)；外部采樣芯片主電路次級(jí)電流和電壓流值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為控制芯片可以接受的數(shù)字信號(hào)?？刂菩酒饕獙?shí)現(xiàn)以下功能首先，通過驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)波形，由驅(qū)動(dòng)電路18驅(qū)動(dòng)后給LCC諧振逆變器中的IGBT提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；其次，根據(jù)外部采樣芯片的采樣結(jié)果，通過串口數(shù)據(jù)通訊與上位機(jī)通信；通過調(diào)頻和移相雙重控制，實(shí)現(xiàn)LCC 諧振逆變器中IGBT的軟開關(guān)；進(jìn)行故障狀態(tài)采集，一旦出現(xiàn)故障，首先進(jìn)行硬件故障判斷， 同時(shí)由控制芯片進(jìn)行故障分析輸出，產(chǎn)生的故障信號(hào)通過繼電器15輸出，實(shí)現(xiàn)軟件故障保護(hù)，產(chǎn)生故障顯示與報(bào)警20;最后，控制芯片產(chǎn)生頻率可調(diào)的步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，并通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為步進(jìn)電機(jī)提供工作信號(hào)，使整個(gè)裝置頻率連續(xù)可調(diào)。圖2是LCC諧振逆變器5具體的電路原理圖，按照?qǐng)D2對(duì)主電路中的諧振部分進(jìn)行連接，其中，逆變電路采用4個(gè)IGBT組成的全橋拓?fù)?，每個(gè)IBGT模塊的源級(jí)和漏極之間并聯(lián)一個(gè)二極管和一個(gè)緩沖電容，緩沖電容C1, C2, C3, C4均為0. IuF ；串聯(lián)諧振電感Ls和串聯(lián)諧振電容Cs與高頻升壓變壓器的初級(jí)側(cè)串聯(lián)，并聯(lián)諧振電容Cp與高頻升壓變壓器的初級(jí)側(cè)并聯(lián)，串聯(lián)諧振電感Ls為IlOuH,串聯(lián)諧振電容Cs為300nF，并聯(lián)諧振電容Cp為^OnF。高頻升壓變壓器6的次級(jí)輸出端21和22分別與飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置7的固定電極A和固定電極B連接，飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置7的輸出端23和M分別與飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置7的固定電極C和固定電極D連接；被測(cè)電力電纜等效為一個(gè)容性負(fù)載，因此，保護(hù)電阻&與被測(cè)電力電纜Q組成RC網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)電阻阻值不小于IOOkQ，其功率不小于800W。按照移相調(diào)頻雙重控制實(shí)現(xiàn)LCC諧振逆變器的軟開關(guān)，頻率的變化范圍為18kHz到25kHz，占空比的變化范圍為0. 5到0. 85。圖3闡述了高頻升壓變壓器6的繞組的分布圖。其初級(jí)繞組601和602用五根相互絕緣的導(dǎo)線按照逆時(shí)針方向纏繞在一起，導(dǎo)線線徑為AWG28，其次級(jí)繞組603和604分成 4段，每一段的末端與下一段的首段相連，每一段繞組又分為10層，纏繞方式選擇Z型纏繞方式，即每一層的末端與下一層的首端連接，次級(jí)繞組線徑為AWG32，變壓器次級(jí)的最外層采用電纜紙605作為絕緣材料，磁芯采用一對(duì)U型磁芯，整個(gè)高頻高壓變壓器浸泡在變壓器油里，抽成真空環(huán)境后密封在鋁做成的密閉裝置內(nèi)。圖4是高頻升壓變壓器6結(jié)構(gòu)剖面圖，給出了高頻升壓變壓器6的結(jié)構(gòu)參數(shù)及所選用的絕緣材料。變壓器骨架607固定在磁芯606和聚四氟乙烯膜608之間，由于聚四氟乙烯膜容易磨損，并且阻擋絕緣油的流動(dòng)，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部過熱而損壞變壓器，因此高頻升壓變壓器的絕緣采用較硬的電纜紙605與高電壓絕緣強(qiáng)度的聚四氟乙烯膜608搭配使用。 為了達(dá)到快速散熱的要求，初級(jí)繞組與二次側(cè)繞組之間，二次側(cè)繞組層與層之間添加了油道609，油道由聚四氟乙烯板制作。當(dāng)銅導(dǎo)線發(fā)熱時(shí)，通過絕緣油的對(duì)流可以將熱量快速帶走。高頻高壓升壓器6各個(gè)部分的絕緣距離為初級(jí)繞組和磁芯的絕緣距離是2. 5mm，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的絕緣距離是3. 5mm,次級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的絕緣距離是0. 8mm。圖5是飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置7結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，頂部固定板710上的兩個(gè)固定電極A、固定電極B，分別接高頻升壓變壓器的次級(jí)輸出端四、30;底部固定板711上的固定電極C和固定電極D，分別接飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置的輸出端31、32，每一個(gè)固定電極分別開了一個(gè)弧形的槽，槽的直徑為8mm ；旋轉(zhuǎn)電極A、旋轉(zhuǎn)電極B、旋轉(zhuǎn)電極C和旋轉(zhuǎn)電極D各相差 90度，分別安裝在圓形飛盤712的上、下兩側(cè)，旋轉(zhuǎn)電極末端固定一個(gè)直徑6mm的圓球，與對(duì)應(yīng)的固定電極直接接觸。采用鎢銅作為電極材料，有機(jī)玻璃作為絕緣材料，整個(gè)系統(tǒng)密閉在抽過真空環(huán)境的大箱體內(nèi)部。圖6是飛盤712的俯視圖，飛盤上固定四個(gè)高壓硅堆D^D.DmD^組成橋式整流電路，其耐壓值為200kV，通過步進(jìn)電機(jī)控制飛盤旋轉(zhuǎn)，并控制其旋轉(zhuǎn)速度使輸出電壓頻率可調(diào)。本實(shí)例中，轉(zhuǎn)動(dòng)周期為10s，此時(shí)，超低頻電源的輸出頻率為0. IHz0由于超低頻耐壓試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，建議先使用10000伏兆歐表對(duì)試品電纜先進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)，在具體進(jìn)行電力電纜的耐壓測(cè)試，將超低頻高壓電源的輸出端接被測(cè)電纜的纜芯，將試品電纜的接地極以及超低頻高壓電源的接地極全部采用裸銅線可靠接地。試驗(yàn)電壓峰值Umax取值為3Uo，其中Uo為電纜相電壓的定額值。按照需要確定測(cè)量的時(shí)間，一般選擇為60min。用柔性連接電纜將試驗(yàn)設(shè)備與試品電纜相連接，合上電源， 開始升壓進(jìn)行試驗(yàn)。升壓過程應(yīng)密切監(jiān)視高壓回路，監(jiān)聽試品電纜是否有異常響聲。升至試驗(yàn)電壓時(shí)，即開始記錄試驗(yàn)時(shí)間并讀取試驗(yàn)電壓值。試驗(yàn)時(shí)間到后，先將電壓降至零位，
8然后切斷電源，連接接地線，試驗(yàn)中若無破壞性放電發(fā)生，則認(rèn)為通過耐壓試驗(yàn)。在升壓和耐壓過程中，如發(fā)現(xiàn)電壓表指針擺動(dòng)較大，電流表指示急劇增加，調(diào)壓器繼續(xù)升壓值電壓基本不變甚至顯下降趨勢(shì)，而電流增加幅度較大，試品電纜發(fā)出異味，煙霧或異常響聲或閃絡(luò)等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止升壓，降壓停電后查明原因，這些現(xiàn)象如查明是試品電纜絕緣部分簿弱引起的，則認(rèn)為耐壓試驗(yàn)不合格；如確定是試品電纜由于空氣濕度或表面臟污等原因所致， 應(yīng)將試品電纜清潔干燥處理后，再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，如果遇非試品電纜絕緣缺陷的失去電源，使試驗(yàn)中斷，在查明原因恢復(fù)電源后，應(yīng)重新進(jìn)行全時(shí)間連續(xù)耐壓試驗(yàn)，不能僅進(jìn)行補(bǔ)足時(shí)間試驗(yàn)。需要注意的是，所有人體將觸及操作，均應(yīng)在接地線經(jīng)確認(rèn)連接良好后進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種超低頻高壓電源，包括主電路和控制電路，其特征在于所述的主電路包括整流濾波電路、LCC諧振逆變器、高頻升壓變壓器和飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置；LCC諧振逆變器采用四個(gè)IGBT組成的全橋逆變拓?fù)?，每個(gè)橋臂并聯(lián)一個(gè)緩沖電容；逆變器使用串聯(lián)諧振電感Ls、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)諧振電容Cp構(gòu)成LCC諧振單元，其中，Ls 包含了變壓器的漏感，Cp包含了變壓器的分布電容；高頻升壓變壓器的分布參數(shù)通過移相調(diào)頻雙重控制的LCC諧振逆變器進(jìn)行補(bǔ)償；高頻升壓變壓器采用Z型分段分層纏繞；變壓器初級(jí)采用五根相互絕緣的導(dǎo)線按照逆時(shí)針方向纏繞在一起；變壓器次級(jí)的一層的末端與下一層的首端Z型相連，變壓器次級(jí)分為四段，串級(jí)連接，每一段分為十層；飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置由上下各兩個(gè)固定電極固定電極A (701)、固定電極B (702)、固定電極C (703)、固定電極D (704)，以及與之對(duì)應(yīng)的四個(gè)旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)電極A (705)、旋轉(zhuǎn)電極B(706)、旋轉(zhuǎn)電極C(707)、旋轉(zhuǎn)電極D(708)組成；頂部固定板(710)上的兩個(gè)固定電極 A(701)、固定電極B(702)，分別接高頻升壓變壓器的次級(jí)輸出端四、30 ；底部固定板(711) 上的固定電極C(7(X3)和固定電極D(704)，分別接飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置的輸出端31、32 ；四個(gè)相差90°的旋轉(zhuǎn)電極A (705)、旋轉(zhuǎn)電極B (706)、旋轉(zhuǎn)電極C (707)和旋轉(zhuǎn)電極D (708)分別安裝在圓形飛盤(712)的上、下兩側(cè)；旋轉(zhuǎn)電極A(705)和旋轉(zhuǎn)電極B(706)分別與固定電極A (701)、固定電極B (702)交替接觸，構(gòu)成一對(duì)電極；旋轉(zhuǎn)電極C (707)、旋轉(zhuǎn)電極D (708) 分別與固定電極C(703)、固定電極D(704)交替接觸，構(gòu)成另一對(duì)電極；飛盤由步進(jìn)電機(jī) (709)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式為正轉(zhuǎn)180°，相隔固定時(shí)間后，反轉(zhuǎn)180°，采用限位裝置使步進(jìn)電機(jī)停在180°的位置，避免突然停止產(chǎn)生的失步；飛盤轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和脈沖停止的時(shí)間共同決定；飛盤上固定四個(gè)高壓硅堆Dc^ D02, D03> D04組成橋式整流電路，四個(gè)高壓硅堆隨著飛盤旋轉(zhuǎn)，使整流電路的輸出極性改變從而得到需要的超低頻波形；通過步進(jìn)電機(jī)控制飛盤旋轉(zhuǎn)，并控制其旋轉(zhuǎn)速度使輸出電壓頻率可調(diào)；高壓輸出端輸出的電壓最大幅值為100kV，從0到IOOkV連續(xù)可調(diào)，輸出超低頻頻率由Ο.ΟΙΗζ-ΙΟΗζ 連續(xù)可調(diào)；飛盤和固定板由厚度為IOmm的絕緣材料有機(jī)玻璃制成，電極材料為鎢銅；所述的控制電路，由外部采樣芯片和控制芯片組成；外部采樣芯片對(duì)被測(cè)電纜的電壓電流實(shí)時(shí)采樣并完成A/D轉(zhuǎn)換；控制芯片完成以下功能驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器、LCC軟開關(guān)控制， 串口數(shù)據(jù)通訊、故障狀態(tài)采集、故障分析輸出、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低頻高壓電源，其特征在于，高頻升壓變壓器變壓器的絕緣通過聚四氟乙烯膜和電纜紙配合使用進(jìn)行絕緣，并通過在次級(jí)增加電纜紙制作的油道進(jìn)行散熱處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超低頻高壓電源，其特征在于，LCC諧振逆變器控制方式如下對(duì)電感電流值和負(fù)載電壓電流值進(jìn)行采樣，當(dāng)電感電流過零時(shí)，開通Ql，此時(shí)Ql是零電流開通；半個(gè)周期后，關(guān)斷Q1，由于Ql兩端有反并聯(lián)電容，電容限制了開關(guān)管兩端的電壓上升率，從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷；電感電流L給C1充電，C3放電，當(dāng)C3電壓為零時(shí)，Ql D3 自然換向完成；由于Cl的緩沖作用，Ql關(guān)斷時(shí)電壓上升率很小，近似于零電壓關(guān)斷；再經(jīng)過一段時(shí)間，D3導(dǎo)通，Q3兩端的電壓為零，此時(shí)開通Q3，則Q3為零電壓開通，經(jīng)過半個(gè)周期關(guān)斷Q3，同樣由于其并聯(lián)緩沖電容的作用，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷；按照同樣的方式在下半個(gè)周期里開通和關(guān)斷Q2和Q4，實(shí)現(xiàn)每個(gè)開關(guān)管的零開關(guān)；為了保持輸出電壓的穩(wěn)定，需要根據(jù)負(fù)載的電流電壓值進(jìn)行閉環(huán)控制；當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，減小開關(guān)頻率，同時(shí)通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的移相角，增加占空比，從而在保證軟開關(guān)的同時(shí)仍然能夠保持輸出電壓穩(wěn)定；反之，在負(fù)載電流變小時(shí)，增大開關(guān)頻率，同時(shí)通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的移相角，減小占空比；采用移相和調(diào)頻雙重控制方式對(duì)LCC諧振電路進(jìn)行控制，利用高頻升壓變壓器的漏感和分布電容，實(shí)現(xiàn)三元件諧振，使開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，反并聯(lián)二極管Dl、D2、 D3、D4自然關(guān)斷(ZVS)，不存在關(guān)斷損耗。全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)電力電纜進(jìn)行耐壓測(cè)試的超低頻高壓電源，由主電路和控制電路構(gòu)成，所述的主電路，其特征在于由LCC諧振逆變器、高頻升壓變壓器、飛盤式旋轉(zhuǎn)整流裝置構(gòu)成。高頻升壓變壓器采用Z型分段分層設(shè)計(jì)；其分布參數(shù)通過移相調(diào)頻雙重控制的LCC諧振逆變器進(jìn)行補(bǔ)償，并通過諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；旋轉(zhuǎn)整流裝置由固定電極和旋轉(zhuǎn)電極構(gòu)成，在飛盤上固定橋式整流電路，使之與飛盤一起旋轉(zhuǎn)。所述的控制電路主要完成LCC軟開關(guān)控制、串口數(shù)據(jù)通訊、故障狀態(tài)采集、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)智能化控制。本電源克服了現(xiàn)有超低頻電源設(shè)備笨重、成本高、故障率高的缺點(diǎn)，可以對(duì)電力電纜進(jìn)行超低頻耐壓測(cè)試。
文檔編號(hào)H02M7/02GK102412739SQ20111040544
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者劉志剛, 唐瑤, 李國(guó)鋒, 王志強(qiáng) 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)