基于FPGA的高压交联电缆测试电源的研制

摘要：分析了串联谐振的原理并通过推导得出谐振电容两端电压的关系式，结合目前国内高压电缆耐压测试的发展现状，证明了变频串联谐振试验方法的优越性。对于控制部分，利用现场可编程门阵列(FPCA)实现了自动频率跟踪，使得整套系统的控制精度得以提高。经测试结果表明，研制的耐压测试电源样机具有操作简单、控制方便、体积小、重量轻等优点，在输出功率为6 kW的情况下，可以使电缆试品上承受的电压稳步升高到18 kV，满足了18 kV以下交联聚乙烯(XLPE)电缆的耐压测试要求。
关键词：电源；耐压测试；串联谐振；自动频率跟踪

1 引言
近年来，XLPE绝缘电力电缆已经取代油纸绝缘电力电缆，并逐步取代PVC绝缘电力电缆和充油电力电缆，且电压等级已发展到500kV。
目前，高压电缆耐压测试的方法主要有直流耐压测试、超低频耐压测试、振荡波耐压测试、工频串联谐振以及调频谐振耐压测试等方法。通过分析可知，对XLPE绝缘电缆进行耐压试验时，采用直流耐压试验是不恰当的，它存在很大的缺陷。超低频(0．1 Hz)耐压试验方法和工频串联谐振试验方法由于电压等级的限制和自身条件的限制也不易采用，而采用调频串联谐振试验方法，可方便地对任意长度的XLPE绝缘电缆进行耐压试验。因此它也是目前对XLPE橡塑电缆进行耐压试验的最有效、最有前景的方法。此处系统为在调压变频谐振试验技术的基础上利用FPGA对高压交联电缆进行的智能化设计。

2 主电路结构
图1为调频谐振式耐压试验样机的硬件电路结构框图，其主电路由两套整流和逆变电路构成。前级、后级逆变电路的控制电路实现调压、调频功能。满足了电缆耐压测试电源中电压和频率同时可调的要求。在主电路中，控制继电器可实时判断系统故障并及时做出反应。为减小系统控制的复杂度，整流部分采用单相桥式不可控整流电路。滤波电路是由电容和电感组成的π型滤波电路。逆变电路是由4个IGBT组成的全桥逆变电路，后级逆变电路输出的是频率可调的交流电压，通过励磁变压器T1变换后，输入由高压谐振电抗器L、电缆试品电容Cx组成的谐振回路。通过谐振在Cx上产生高压，达到对电缆进行耐压试验的目的。

3 变频串联谐振试验原理
图2示出串联谐振变换器的原理图，在全桥变换器中，以PWM进行控制时，对角的两只开关管VQ1和VQ4，VQ2和VQ3同时开通和关断，且它
们处于近似于180°的互补导通。当VQ1和VQ4(或VD1和VD4)同时导通时，A，B两点电压uAB=Uin；当VQ2和VQ3(或VD2和VD3)同时导通时，uAB=-Uin，因此uAB为幅值Uin，近似180°宽的交流方波电压，具体波形如图3a所示。