30kV阻尼交流振蕩波測試系統用新型電力電子開關的研制

李 婧 黃晨曦 郭金明 黃 鋒 侯 喆

（1.廣西電網有限責任公司電力科學研究院，南寧 530000；2.西安交通大學，西安 710049）

對電力電纜進行局放測試是一種行之有效的電纜絕緣狀態評估方法[1]。阻尼交流振蕩波測試系統（DOVTS）由于具有體積小，重量輕，且與交流電壓試驗具有很好的等效性等優點，現已廣泛應用于電力電纜的現場測試中[2-3]。

如圖1所示，阻尼交流振蕩波測試系統由高壓直流電源，高壓開關，空心電抗器，電容性試品及高壓測量單元構成，其中，高壓開關是DOVTS 中的最重要組成部分。試驗開始時，先通過高壓直流電源對電容性試品（XLPE 電纜等）充電至預設電壓；然后閉合高壓開關，同時切斷高壓直流電源，此時，電容性試品通過空心電抗器經高壓開關放電，電抗器與電容性試品組成串聯諧振電路，在試品上產生衰減振蕩的交流電壓，通常該振蕩電壓將持續幾十個周期，約數百毫秒。當試品上電壓降為零后，斷開高壓開關，接通直流高壓電源，即可進行下一次試驗。

圖1 阻尼振蕩交流電壓試驗回路示意圖

目前常用的幾種高壓開關由于功率小，開關速度慢，開斷過程不穩定或開關體積過大等原因，并不適用于阻尼交流振蕩波測試系統。隨著半導體技術的不斷發展，基于晶閘管、MOSFET 和IGBT 等元件的電力電子開關發展迅速[4]。近20年來，不同種類的半導體開關大量應用于脈沖功率，核聚變，靜態無功補償器（STATCOM）和牽引應用[5]。但是，上述多種高壓開關體積和重量都很大，因此并不能滿足阻尼交流振蕩波現場試驗的要求。

本文著重介紹了一種新型高壓電子開關的設計過程和使用方法。此高壓開關由2 個開關模塊和一個輔助供電電源組成，每個開關模塊又由10 個相互隔離的開關單元串聯組成。與傳統的高壓開關相比，此開關通過松耦合變壓器實現了各路IGBT 之間的隔離供電。最終，實現的開關具有體積小，重量輕，價格低等優點，便于進行現場試驗。

1 系統結構設計

考慮到阻尼交流振蕩波試驗系統的應用情況，此開關應滿足以下幾點要求：①開關耐壓值達到30kV，導通電流不小于40A；②開通時間小于1μs；③體積小，重量輕，便于運輸。

本文所述高壓開關的結構和連接方式如圖2所示，其主要兩個相同的開關模塊和一個單獨的供電系統組成。當最大試驗電壓小于20kV 時，一個開關模塊單獨工作即可，當最大試驗電壓為30kV 時，需將兩個開關模塊串聯使用。每個開關模塊由多個IGBT 及其輔助電路共同組成。為了實現每路開關單元的可靠供電同時減少體積，本開關設計了基于反激式開關變換器的多路隔離供電系統[6]，該系統將能量通過松耦合的方式從前級傳遞到后級，為每個IGBT 單元單獨供電，且易于拓展。觸發控制單元通過多路光纖對IGBT 單元進行控制，采用同步觸發的方式避免了串聯IGBT 的門極信號延遲帶來的動態分壓不均。當觸發電路產生“導通”信號時，多路光纖觸發器將同時產生光信號，光纖接收器接受到此光信號后同步對多路IGBT 進行有效控制。與此同時，一路光信號傳遞到高壓直流源的控制電路，切斷高壓直流電源。開關導通一定時間后（通常為幾百毫秒，由阻尼振蕩電壓持續時間決定）系統復位，IBGT 重新恢復到斷開狀態。

圖2 高壓開關整體結構示意圖

1.1 驅動電路

IGBT 芯片的門極驅動電路如圖3所示，VH和VL分別為+15V 和-8V，且具有相同的中性點，+15V電壓可以使IGBT 迅速導通，-8V 電壓可以使IGBT關斷時不受米勒效應的影響，從而可靠關斷。為了增強驅動電路拉電流和灌電流的能力，控制單元輸出側需通過推挽放大電路進行功率放大。試驗結果如圖4（a）所示，當門極電阻過小時，門極驅動電壓VGE出現振鈴現象；當門極電阻過大時，門極驅動電壓VGE上升緩慢，從而大大影響IGBT 動作速度。經過綜合考慮，最終選取門極電阻為5.1Ω。

圖3 驅動電路電路圖

為了減少門極信號的分散性，本文通過多路光纖傳輸系統以確保每個觸發信號到達IGBT 門極時間基本相同，并選用了同一型號，同一時期，同一生產線上的器件以減少器件本身的分散性。經測試發現，各個IGBT 門極信號的延時時間基本相同，誤差在20ns 以內。圖4（b）為其中一路開關單元的觸發信號和IGBT 門級信號的波形圖，可以看出觸發信號動作到門級電壓上升之間的時間約為460ns。

圖4 驅動電路測試波形

1.2 供電單元設計

每個開關盤上都有10 個開關單元，當兩個開關盤串聯使用時共有20 個IGBT 同時工作，因此一共需要20 路相互隔離的電源來為其供電。文獻中介紹了一些隔離供電的方法，但是這些方法很難做到小型化。因此，本文提出了一種簡潔的拓撲結構和新的控制策略。電路中僅用了一個半導體開關M1，即減少了體積又提高了可靠性。從圖5可以看出，220V市電經降壓變壓器Tr1降壓到適當電壓范圍，后整流再穿過兩個鐵氧體磁心。通過控制MOSFET 的通斷來改變回路中的電流，從而改變鐵氧體磁心中的磁場強度，進而使二次側線圈中產生感應電壓，使能量從一次側傳遞到二次側。

鐵氧體磁心是本供電系統的核心元件，其作為能量傳輸的關鍵，采用松耦合的方式，在狹小范圍內實現里輸入輸出隔離，且具有很強的可拓展性。同時，采用功率因數控制技術，保證一次側電流時刻跟隨整流濾波電壓波形，提高能量傳輸效率的同時減少了電流峰值，防止松耦合變壓器的磁心飽和，提高供電系統的穩定性。

圖5 供電單元電路圖

圖6所示的是電路中關鍵點的理論波形，UT為整流橋輸出電壓波形，iP是一次側電流波形，iS是二次側電流波形，uP是一次側電壓波形，ug是MOSFET的門極驅動信號。由圖6可以看出，當二次側電流降為0 時，閉合半導體開關，即電路工作于即時模式（Transient mode）。控制器采用雙閉環控制，內環為電流環，通過一個電流傳感器對一次側電流進行采樣和電阻分壓器對原邊電壓采樣；外環為電壓環，由反饋電路和PI 補償器構成。內外環電路相互配合以確保二次側輸出電壓恒定。

圖6 關鍵點理論波形

2 開關模塊的實際設計

最終設計成型的高壓電力電子開關由三部分組成：兩個開關模塊和一個輔助電路板。輔助電路板由兩部分組成：供電單元前級和光纖傳輸部分。光纖傳輸部分包含多個光前發射器及其輔助電路，可對開關模塊進行控制；供電電路主要包含降壓變壓器、整流電路及功率因數校正電路，其通過一根高壓硅橡膠絕緣線穿過開關模塊中間的磁心，實現了多路IGBT 之間的隔離供電。如圖7所示，每個開關盤由10 路IGBT 單元組成，每個IGBT 單元又可細分為電源模塊、驅動模塊、IGBT 及其輔助均壓電路。IGBT 輔助均壓電路由靜態均壓電路和動態均壓電路共同組成[7]，動態均壓電路由7 個相同的TVS管串聯構成，以抑制可能出現在IGBT 兩端的瞬態過電壓，靜態均壓電路由多個兆歐級電阻串聯構成。為了確保不同電位之間有足夠的電氣距離，開關盤在需要高電壓隔離的位置刻槽以增加其爬電距離。

圖7 高壓電子開關實物圖

本文在滿載狀態下對電源進行測試，其波形如圖8所示。由圖8（a）可以看出電路輸出電壓約為18V，與設計值相符；由圖8（b）可以看出一次側電流波形的包絡線為正弦，且與整流橋輸出電壓相位相同；圖8（c）表示的是一次側電流波形與MOSFET 的門極驅動信號之間的關系，當MOSFET開通時，一次側電流沿直線上升到最大值7.5A，當MOSFET 關斷時，其迅速降為0；由圖8（d）可以看出在MOSFET 關斷瞬間，其兩端會出現一個尖峰，這是由一次側的雜散電感和其寄生電容產生振鈴效應所引起的。

圖8 供電單元測試結果

3 應用與實驗結果

如圖9所示，將本開關應用于30kV 阻尼交流振蕩波測試系統用以檢測其性能。試驗回路參數如下：所用電感為760mH 無局放空心電抗器，采用500nF 無局放高壓電容等效一定長度的電纜試品。通過計算可得，電路的諧振頻率為

從圖10（a）可以看出，觸發信號到達前IGBT集電極電壓線性增大，觸發動作給出后，被測開關單元幾乎同時導通，表明IGBT 的靜態均壓與動態均壓效果都到達的預期目標，且開關動作速度快，一致性好。最終得到試品電容上的振蕩波電壓如圖10（b）所示，衰減振蕩電壓經過10～11 個周波后衰減至半峰值處，說明振蕩回路中阻抗很小，在以后的電纜局放測試中，其能夠激發出電纜中的潛在缺陷，增強了本振蕩波測試系統的有效性。

圖9 試驗電路圖

圖10 實驗結果

4 結論

本系統基于模塊化設計理念，設計了一個由2個開關模塊和一個供電單元三部分組成的輕型電力電子開關。

供電系統通過松耦合的方式在狹小范圍內實現了輸入輸出隔離，既保證了50kV 等級的隔離電壓又縮減了整體尺寸，大大提高了多路隔離供電系統的集成度，且其具有很強的可擴展性，能為多個串聯運行的IGBT 同時供電。本文在滿載狀態下對此多路輸出隔離供電系統進行測試，試驗結果表明該供電方案完全可以滿足本裝置的要求。

最后將高壓開關接入一個阻尼交流振蕩波發生系統進行整體測試，試驗電壓為30kV 時，高壓開關中各路開關單元工作正常，且其均壓效果良好。試驗表明，本文設計的高壓電力電子開關適用于35kV 以下配電電纜的振蕩波測試試驗中。

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