用于电缆故障检测用的高频高压脉冲电源研制

摘要

电力电缆性能的优劣直接关系到电网的运行状况，当电力电缆发生故障时，利用电缆检测仪快速定位故障点并恢复供电，可以避免严重的经济损失，具有重要的实际意义。高压脉冲电源作为电缆检测仪中的重要组成部分，负责提供一定电压等级、一定能量的高压脉冲对故障电缆进行冲击放电试验。然而，现有的高压脉冲电源普遍存在体积大、效率低、携带运输不方便等缺点，针对以上问题，本文拟研制一台小体积、轻质量、高效率的高频高压脉冲电源，用于电力电缆故障点定位。其主要技术指标为:额定工作电压:35 kV±3％;额定工作电流:100 mA;最大放电能量:2450 J。
　　本文首先分析了串并联谐振变换器（又称LCC谐振变换器）的工作过程，利用数学方法对其进行稳态建模和小信号分析，并通过图示分别给出负载与占空比和频率的对应关系，由此得到LCC谐振变换器的参数确定方法，为高频高压电源的谐振软开关实现奠定了理论基础。在此基础上，对高频高压脉冲电源的主电路进行设计，重点阐述了高频逆变电路、驱动电路、高频高压变压器、倍压整流电路、充放电电路的设计原理和硬件实现，对高频高压变压器进行建模，并利用其分布参数实现谐振。为实现数字式一体化控制，设计了以dsPIC33F为核心的控制电路，主要实现以下功能:产生脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation-PWM)波形;对高频高压变压器一次侧和二次侧电压电流进行采样;通过PI调节控制输出电压稳定;根据负载变化实现谐振软开关;检测系统过流、过压等故障状态并进行实时保护。软件方面，编写了以dsPIC33F处理器为核心的汇编程序，对每个功能模块的寄存器进行配置并给出程序设计流程图。最后，对整机电源进行调试，详细分析了各个关键点的实验波形，并结合电力电缆故障点定位的发展，指出该电源的优缺点以及需要进一步完善的方面。
　　本文实现了以dsPIC33F为核心的数字式一体化控制，完成了整个高频高压脉冲电源的设计以及整机调试，并通过实验证明此电源能够应用于电力电缆的故障点定位中。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高压电源主要应用

1．2 电力电缆故障测试概述

1．3 高压电源国内外发展现状

1．3．1 工频高压电源

1．3．2 硬开关式高频高压电源

1．3．3 谐振软开关式高频高压电源

1．3．4 高压电源控制方式

1．3．5 高压电源设计难点

1．4 本文研究目的和意义

1．5 本文主要研究内容

2 LCC谐振变换器

2．1 LCC谐振变换器工作过程

2．2 LCC谐振变换器稳态建模

2．2．1 LCC谐振变换器数学建模

2．2．2 LCC谐振变换器参数设计

2．3 LCC谐振变换器小信号分析

2．4 LCC谐振变换器仿真

2．5 本章小结

3 高频高压脉冲电源主电路的设计

3．1 整流滤波电路

3．2 高频逆变电路的设计

3．2．1 IGBT的特点与选型

3．2．2 IGBT保护电路

3．3 IGBT的驱动电路

3．4 高频高压变压器的设计

3．4．1 高频变压器的一般建模

3．4．2 工作频率和磁芯选择

3．4．3 绕组匝数和线径设计

3．4．4 变压器结构设计

3．4．5 变压器绝缘和散热设计

3．5 倍压整流电路

3．6 充放电电路

3．6．1 充放电电路原理

3．6．2 反峰电压和电晕的抑制

3．7 本章小结

4 控制电路的设计

4．1 控制电路硬件

4．1．1 dsPIC33F简介

4．1．2 采样和保护电路

4．2 控制电路软件

4．2．1 软件开发工具

4．2．2 主程序设计

4．2．3 A／D采样

4．2．4 PI控制算法

4．2．5 PWM驱动波形的软件设计

4．3 本章小结

5 高频高压脉冲电源系统实验

5．1 高频高压脉冲电源系统设计

5．2 占空比和驱动测量波形

5．3 LCC谐振变换器测量波形

结论

参考文献

附录A 系统实物图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢