30kV阻尼交流振荡波测试系统用新型电力电子开关的研制

李 婧 黄晨曦 郭金明 黄 锋 侯 喆

（1.广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530000；2.西安交通大学，西安 710049）

对电力电缆进行局放测试是一种行之有效的电缆绝缘状态评估方法[1]。阻尼交流振荡波测试系统（DOVTS）由于具有体积小，重量轻，且与交流电压试验具有很好的等效性等优点，现已广泛应用于电力电缆的现场测试中[2-3]。

如图1所示，阻尼交流振荡波测试系统由高压直流电源，高压开关，空心电抗器，电容性试品及高压测量单元构成，其中，高压开关是DOVTS 中的最重要组成部分。试验开始时，先通过高压直流电源对电容性试品（XLPE 电缆等）充电至预设电压；然后闭合高压开关，同时切断高压直流电源，此时，电容性试品通过空心电抗器经高压开关放电，电抗器与电容性试品组成串联谐振电路，在试品上产生衰减振荡的交流电压，通常该振荡电压将持续几十个周期，约数百毫秒。当试品上电压降为零后，断开高压开关，接通直流高压电源，即可进行下一次试验。

图1 阻尼振荡交流电压试验回路示意图

目前常用的几种高压开关由于功率小，开关速度慢，开断过程不稳定或开关体积过大等原因，并不适用于阻尼交流振荡波测试系统。随着半导体技术的不断发展，基于晶闸管、MOSFET 和IGBT 等元件的电力电子开关发展迅速[4]。近20年来，不同种类的半导体开关大量应用于脉冲功率，核聚变，静态无功补偿器（STATCOM）和牵引应用[5]。但是，上述多种高压开关体积和重量都很大，因此并不能满足阻尼交流振荡波现场试验的要求。

本文着重介绍了一种新型高压电子开关的设计过程和使用方法。此高压开关由2 个开关模块和一个辅助供电电源组成，每个开关模块又由10 个相互隔离的开关单元串联组成。与传统的高压开关相比，此开关通过松耦合变压器实现了各路IGBT 之间的隔离供电。最终，实现的开关具有体积小，重量轻，价格低等优点，便于进行现场试验。

1 系统结构设计

考虑到阻尼交流振荡波试验系统的应用情况，此开关应满足以下几点要求：①开关耐压值达到30kV，导通电流不小于40A；②开通时间小于1μs；③体积小，重量轻，便于运输。

本文所述高压开关的结构和连接方式如图2所示，其主要两个相同的开关模块和一个单独的供电系统组成。当最大试验电压小于20kV 时，一个开关模块单独工作即可，当最大试验电压为30kV 时，需将两个开关模块串联使用。每个开关模块由多个IGBT 及其辅助电路共同组成。为了实现每路开关单元的可靠供电同时减少体积，本开关设计了基于反激式开关变换器的多路隔离供电系统[6]，该系统将能量通过松耦合的方式从前级传递到后级，为每个IGBT 单元单独供电，且易于拓展。触发控制单元通过多路光纤对IGBT 单元进行控制，采用同步触发的方式避免了串联IGBT 的门极信号延迟带来的动态分压不均。当触发电路产生“导通”信号时，多路光纤触发器将同时产生光信号，光纤接收器接受到此光信号后同步对多路IGBT 进行有效控制。与此同时，一路光信号传递到高压直流源的控制电路，切断高压直流电源。开关导通一定时间后（通常为几百毫秒，由阻尼振荡电压持续时间决定）系统复位，IBGT 重新恢复到断开状态。

图2 高压开关整体结构示意图

1.1 驱动电路

IGBT 芯片的门极驱动电路如图3所示，VH和VL分别为+15V 和-8V，且具有相同的中性点，+15V电压可以使IGBT 迅速导通，-8V 电压可以使IGBT关断时不受米勒效应的影响，从而可靠关断。为了增强驱动电路拉电流和灌电流的能力，控制单元输出侧需通过推挽放大电路进行功率放大。试验结果如图4（a）所示，当门极电阻过小时，门极驱动电压VGE出现振铃现象；当门极电阻过大时，门极驱动电压VGE上升缓慢，从而大大影响IGBT 动作速度。经过综合考虑，最终选取门极电阻为5.1Ω。

图3 驱动电路电路图

为了减少门极信号的分散性，本文通过多路光纤传输系统以确保每个触发信号到达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基本相同，误差在20ns 以内。图4（b）为其中一路开关单元的触发信号和IGBT 门级信号的波形图，可以看出触发信号动作到门级电压上升之间的时间约为460ns。

图4 驱动电路测试波形

1.2 供电单元设计

每个开关盘上都有10 个开关单元，当两个开关盘串联使用时共有20 个IGBT 同时工作，因此一共需要20 路相互隔离的电源来为其供电。文献中介绍了一些隔离供电的方法，但是这些方法很难做到小型化。因此，本文提出了一种简洁的拓扑结构和新的控制策略。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。从图5可以看出，220V市电经降压变压器Tr1降压到适当电压范围，后整流再穿过两个铁氧体磁心。通过控制MOSFET 的通断来改变回路中的电流，从而改变铁氧体磁心中的磁场强度，进而使二次侧线圈中产生感应电压，使能量从一次侧传递到二次侧。

铁氧体磁心是本供电系统的核心元件，其作为能量传输的关键，采用松耦合的方式，在狭小范围内实现里输入输出隔离，且具有很强的可拓展性。同时，采用功率因数控制技术，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减少了电流峰值，防止松耦合变压器的磁心饱和，提高供电系统的稳定性。

图5 供电单元电路图

图6所示的是电路中关键点的理论波形，UT为整流桥输出电压波形，iP是一次侧电流波形，iS是二次侧电流波形，uP是一次侧电压波形，ug是MOSFET的门极驱动信号。由图6可以看出，当二次侧电流降为0 时，闭合半导体开关，即电路工作于即时模式（Transient mode）。控制器采用双闭环控制，内环为电流环，通过一个电流传感器对一次侧电流进行采样和电阻分压器对原边电压采样；外环为电压环，由反馈电路和PI 补偿器构成。内外环电路相互配合以确保二次侧输出电压恒定。

图6 关键点理论波形

2 开关模块的实际设计

最终设计成型的高压电力电子开关由三部分组成：两个开关模块和一个辅助电路板。辅助电路板由两部分组成：供电单元前级和光纤传输部分。光纤传输部分包含多个光前发射器及其辅助电路，可对开关模块进行控制；供电电路主要包含降压变压器、整流电路及功率因数校正电路，其通过一根高压硅橡胶绝缘线穿过开关模块中间的磁心，实现了多路IGBT 之间的隔离供电。如图7所示，每个开关盘由10 路IGBT 单元组成，每个IGBT 单元又可细分为电源模块、驱动模块、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[7]，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7 高压电子开关实物图

本文在满载状态下对电源进行测试，其波形如图8所示。由图8（a）可以看出电路输出电压约为18V，与设计值相符；由图8（b）可以看出一次侧电流波形的包络线为正弦，且与整流桥输出电压相位相同；图8（c）表示的是一次侧电流波形与MOSFET 的门极驱动信号之间的关系，当MOSFET开通时，一次侧电流沿直线上升到最大值7.5A，当MOSFET 关断时，其迅速降为0；由图8（d）可以看出在MOSFET 关断瞬间，其两端会出现一个尖峰，这是由一次侧的杂散电感和其寄生电容产生振铃效应所引起的。

图8 供电单元测试结果

3 应用与实验结果

如图9所示，将本开关应用于30kV 阻尼交流振荡波测试系统用以检测其性能。试验回路参数如下：所用电感为760mH 无局放空心电抗器，采用500nF 无局放高压电容等效一定长度的电缆试品。通过计算可得，电路的谐振频率为

从图10（a）可以看出，触发信号到达前IGBT集电极电压线性增大，触发动作给出后，被测开关单元几乎同时导通，表明IGBT 的静态均压与动态均压效果都到达的预期目标，且开关动作速度快，一致性好。最终得到试品电容上的振荡波电压如图10（b）所示，衰减振荡电压经过10～11 个周波后衰减至半峰值处，说明振荡回路中阻抗很小，在以后的电缆局放测试中，其能够激发出电缆中的潜在缺陷，增强了本振荡波测试系统的有效性。

图9 试验电路图

图10 实验结果

4 结论

本系统基于模块化设计理念，设计了一个由2个开关模块和一个供电单元三部分组成的轻型电力电子开关。

供电系统通过松耦合的方式在狭小范围内实现了输入输出隔离，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，能为多个串联运行的IGBT 同时供电。本文在满载状态下对此多路输出隔离供电系统进行测试，试验结果表明该供电方案完全可以满足本装置的要求。

最后将高压开关接入一个阻尼交流振荡波发生系统进行整体测试，试验电压为30kV 时，高压开关中各路开关单元工作正常，且其均压效果良好。试验表明，本文设计的高压电力电子开关适用于35kV 以下配电电缆的振荡波测试试验中。

[1] E.Gulski,P.Cichecki,F.Wester,et al.“On-site testing and PD diagnosis of high voltage power cables,” Dielectrics and Electrical Insulation,IEEE Trans- actions on,2008,15: 1691-1700.

[2] 冯义,刘鹏,涂明涛.振荡波测试系统在电缆局部放电检测中的应用[J].供用电,2009,26(3): 57-59.

[3] 郭琦,赵子玉.用于电力电缆局部放电检测的振荡波测试系统的研制[J].中国电业(技术版),2012(1): 1-5,62.

[4] Glidden SC,H.D[C]//Conference Record of the 2006 Twenty-Seventh International,2006: 244-247.

[5] 孙伟锋,张波,肖胜安,等.功率半导体器件与功率集成技术的发展现状及展望[J].中国科学:信息科学,2012(12): 1616-1630.

[6] 郑晟,蔡卓剑,汪槱生,等.适用于IGBT 串联系统集成的驱动电路[J].浙江大学学报(工学版),2013,47(12): 2094-2100.

[7] 金其龙,孙鹞鸿,严萍,等.IGBT 串联技术动态均压电路的研究[J].高电压技术,2009,35(1): 176-180.