一种适用于定子注入式接地保护的20Hz电源的设计及实现.docx

一种适用于定子注入式接地保护注入式定子接地保护？的20Hz电源的设计与实现汪世平，夏雨，周华良，邹志扬（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市210003）摘要： 20Hz电源是注入式发电机定子接地保护中很重要的一个单元，一般由方波逆变器和带通滤波器组成。本文提出了一个基于MCU控制的20Hz方波逆变器方案，该方案灵活性强，接口丰富；详细论述了LC带通滤波器的设计与计算；。另外，设计了一个钳压电路，以避免针对发电机发生单相接地故障时的50Hz故障电压对方波逆变器的冲击，设计了钳压保护回路，以保证逆变器内部电路不损坏。本整个方案提高了20Hz电源的灵活性正文中如何体现“灵活性”？、稳定性、可靠性，具有很高的工程应用价值。关键词：定子接地保护；20Hz电源；带通滤波器；电压钳位1 引言发电机定子单相接地保护一般可以采用两种保护原理实现：发电机基波零序电压与3次谐波电压构成保护原理，以及低频电源注入式保护原理。由于前者存在绝缘水平不能检测，3次谐波电压电气量有不可靠因素等不足1，目前大部分大型发电机均采用注入式定子单相接地保护。该原理利用外部20Hz的电源施加在发电机接地变压器（或中性点消弧线圈）的二次侧，产生回路电流；。保护设备通过检测二次侧的20Hz电压电流值，计算其阻抗的大小，折算出一次侧接地电阻的大小，以确定保护的动作行为2。外加20Hz电源的稳定性、可靠性对定子单相接地保护的灵敏性和准确性有很大的影响3。目前，工程上多采用西门子等厂家的20Hz电源45。典型的20Hz电源由20Hz方波逆变器和LC带通滤波器组成。方波逆变器采用全桥电路拓扑结构，脉冲频率由晶振分频产生，方波输出电压和频率检测采用ADC接口实现，带通滤波器采用LC串联谐振形式，其谐振频率为20Hz。而本文论述的方案中，方波逆变器的控制与检测全部由Microchip公司的16位MCU：dsPIC33FJ128GP706A来实现。MCU的PWM接口和Capture接口，分别实现脉冲频率的控制和电压频率检测功能；MCU丰富的IO资源、通讯接口等，使得电源设备更具接口灵活与便捷的特点；建议调整文字内容另外，针对在发电机定子单相接地故障时，在20Hz电源端口产生的50Hz的信号，可能会损坏逆变器内部电路的问题。本文对这一问题作了详细的分析，并提出一种电压钳位保护电路的设计方案，可以在上述情况下防止电源内部损坏。2 20Hz电源的系统组成20Hz电源系统如下图1所示，主要由AC/DC单元、全桥逆变单元、LC带通滤波器单元、电压钳位单元、MCU控制单元（包括电压频率检测、复位监视、开入开出单元等）。AC/DC单元主要作用是提供逆变器的输入， 图1 20Hz电源系统框图Fig.1 20Hz Power Supply System Diagram同时提供隔离作用，由2个电源模块和2个输出二极管组成。输入电压取自PT的二次侧，输出电压取2530V，功率容量在100VA左右。图1中所示，用两路AC/DC模块进行并联冗余以提高电源的可靠性，选用的模块带均流控制功能。在只有1路PT输入的情况下，将2个模块的输入接在一起。每个电源模块功率在100W左右，输出带过压和过流保护功能，且输入输出之间的有很高的隔离电压能力。全桥逆变单元采用4个低导通电阻RDS(ON)的MOS管、二极管（也可以直接用MOS管体内二极管）和驱动电路组成。来自MCU PWM端口的控制脉冲，经光耦隔离后，送至专门的半桥驱动器，驱动器输出再控制桥臂上MOS管的通断，其时序为：Q1、Q3的驱动信号相同，Q2、Q4的驱动信号相同，他们之间相位相差180，并设有一定的死区以防止桥臂直通。半桥驱动器可以采用IR2113等器件。驱动脉冲还受其他控制信号的影响，例如外部脉冲闭锁信号、CPU复位信号等，当这些信号有效时，封锁驱动信号，逆变器停止工作。LC带通滤波器单元是20Hz电源中一个关键组成部分。LC参数决定滤波器的特性，LC参数的计算与选择在下文中会做详细的分析。电压钳位电路主要是抑制发电机单相接地故障时产生的50Hz电压信号对逆变器内部电路的冲击。该电路的分析与实现也会在后文给出。MCU控制单元主要是以dsPIC33 FJ128GP706A为核心，实现逆变器控制脉冲的形成、输入输出电压的检测、输出电压频率的检测功能，以及开入开出功能等。整个控制回路与功率回路是隔离的。dsPIC33FJ128GP706A是一款内部资源和接口都很丰富的16位单片机，广泛用于电力系统二次控制保护设备中。它包含2个CAN、2个UART、I2C、SPI等通信接口，2个10位或12位AD转换器，9个16位定时器，输入捕捉（Capture）和输出比较（PWM）接口，等等。控制脉冲的脉宽和频率通过配置时钟寄存器和PWM端口寄存器来实现，频率20Hz电源输出的频率？的精度能达到0.1Hz。电压和频率信号通过模拟比较回路和光耦隔离后，送至Capture端口实现信号量的检测。开入开出信号主要包括：外部封锁脉冲输入信号、外部复位钳压电路输入信号、电源异常报警输出信号、钳压电路状态信号等。这些信号的控制都是由MCU的IO实现。同时甚至在某些场合，可以通过CAN总线将20Hz电源的状态送至中央监控设备。整个控制回路与功率回路是隔离的。可见，采用MCU作为方波逆变器的控制单元，具有很强的灵活性和可扩展性。3 带通滤波器的设计3.1理论计算带通滤波器是20Hz电源的一个重要单元，它主要有两方面的作用：一是从20Hz方波逆变器的输出中滤出基波，该基波电压施加在负载电阻和接地变压器（或中性点消弧线圈）的二次侧，用于保护计算。另一方面，当发电机机端发生单相接地故障时，在负载电阻上产生几百伏的50Hz电压，滤波器可以抑制该电压信号对逆变器内部电路的冲击。滤波器的中心频率为20Hz。图2 滤波器等效电路Fig.2 Equivalent Circuit of Filter如图2所示，Vin为20Hz方波电源，L为滤波电感，C为滤波电容，Ro可以看作是电感L的交流电阻Rac和LC回路外部串联电阻RS之和（RS实际应用中用于调整谐振电流值。电容的ESR很小，可以忽略或计算到Ro），RL是负载电阻。定义R=Ro+RL ，则VoVin的增益函数为： Gjw=11+jQ0-0RL(RL+RO) （1）增益 A=Gjw=11+Q20-02RL(RL+RO) （2）其中， Q=0RL=10RC ，0=1LC （3） 滤波器的带宽 BW=0Q （4）从（4）式看出，如果要得到一个通带很窄的带通滤波器，其品质因数Q要尽可能的大。但Q值大了以后，实际加工很难实现；另外，高Q值对L、C的耐压值提出了要求。在谐振点时，电感电压和电容电压是电源电压的Q倍： VL=VC=QVin （5）在实际应用中，取20Hz方波输出电压峰值为25V，其中基波有效值为22.5V，峰值约为32V。从（5）式看出，当Q=20时，VC的有效值为450V，峰值为640V。对于大容量的薄膜电容，电压值高的体积比较大。另外，根据傅立叶级数展开，方波中奇次谐波含量（相对基波）见下表1。滤波器参数的设计，还要考虑对方波中所含谐波的抑制能力，以满足保护计算的要求。3次5次7次9次11次幅值相对基波比例1/31/51/71/91/11表1 方波中谐波电压幅值与基波幅值的关系Table 1 Relationship between Harmonic and Fundamental Voltage Amplitude3.2 参数选择根据理论分析计算，并结合实际应用，电容用3个33UF的薄膜电容并联，即C=99uF，根据谐振频率为20Hz，计算出L=630mH。实际加工出来的电感，其交流电阻Rac约5。LC回路外部串联电阻Rs可以在03范围内调整。实际应用中，负载电阻RL的范围一般在0.510。电压源基波有效值取22.5V。考虑到电容C有10%的偏差，需要通过调整电感L的感量来保证LC滤波器的中心频率为20HZ。当C偏差+10%时，C=108.9uF，L=573 mH；当C偏差-10%时，C=89.1UF， L=700mH。电感可以考虑采用分接头调整其电感量。从上述理论计算公式看出，在电容C偏差+10%时，滤波器的Q值减小、带宽增大、对高次谐波抑制能力减弱。可见，此时滤波器的效果最差，相关计算结果如下表2：Q值带宽LCR阻抗/50Hz311次谐波含量13.11.53 Hz150.5 0.950.053%表2 C=108.9UF，L=573 mH时相关计算值Table 2 C=108.9uF，L=573 mH，Calculation Results3 电压钳位的设计发电机机端接地变压器原边绕组一般接成Y形，副边为开口三角绕组，根据实际运行参数选择变压器容量和变比。西门子建议用户的变压器变比选为UN3500V3 6。当发电机定子发生单相接地故障时，接地变压器的二次侧开口三角的电压值为500V，考虑到机端电压由5%的偏差，则最坏情况下该电压为525V。该电压在故障切除之前，一直施加在负载电阻上，也即20Hz电源的输出端口。其等效电路如下图3所示：图3单相接地故障时20Hz电源端口等效电路Fig.3 Equivalent Circuit of 20Hz Output in Single-Phase Grounding Fault State图中，RL为接地变压器二次侧负载电阻，阻值一般在110。AC电源的有效值取525V。带通滤波器的参数按最恶劣情况下选择，即L=573 mH ，C=108.9uF ，RO=5。A、B两点分别为2个桥臂的中点，也是方波的输出端口。从图3看， A、B两点的电位是方波逆变器与50Hz信号共同作用的叠加结果。从逆变器看过去，A、B两点是方波输出；从50Hz电源源看过来，A、B是整流电路的输入点。为防止逆变器受到50Hz信号的冲击，必须确保A、B两点对逆变器内部参考地的电压不能太高。根据逆变器内部器件参数，该电压不能高于200V，否则，内部器件会损坏，从而损坏逆变器。 1）当故障发生时，方波逆变器输出正常，也即20Hz电源系统正常时，A、B两点对逆变器内部参考地的电压波形为20Hz方波叠加50Hz波形。例如，A点电压波形如下图4所示。可见，在这种情况下，50Hz故障电压对逆变器内部电路不会产生过电压冲击。图4 上图等效电路中A点的电压波形Fig.4 Waveform of Point A of the Equivalent Circuit2）当故障发生时，若此时逆变器处于闭锁或因故障而停止工作，则50Hz的故障电压（或其他干扰电压）会损坏逆变器内部电路，进一步扩大事故。原因是：如果逆变器停止工作，此时对于50Hz信号而言，逆变器是一个不可控整流桥，等效电路如图5所示。由于逆变桥负载侧是高阻，此时电容Cb端的电压能接近50Hz信号的峰值，约735V，则A、B两点对参考地的电压基本等于该电压。这几百伏的电压就可以损坏逆变器内部电路，造成不可逆转的损坏。图5单相接地故障，逆变器不工作时等效电路Fig.5 Equivalent Circuit of Inverter being Inactive state in single Single-Phase Grounding Fault State 因此，需要采取措施将A、B两点之间的电压控制在合理范围内。在图6中提出了一个电压钳位电路方案。该方案是在A、B两点加一个负载电阻RCL和开关SCL。正常工作时，SCL是断开的。图6电压钳位电路Fig.6 Voltage Clamp Circuit当出现图5中所描述的工况时，电压检测回路会检测到B点电压高于设定值（例如100V）时，通过电压钳位控制回路将开关SCL合上，将RCL投入。此时，对于50Hz信号而言，就构成了L、C、RO、RCL回路，如果L=573 mH ，C=108.9uF ，RO=5、RCL=25、VAC=735（峰值电压），此时计算出VAB=104V，则A、B两点对参考地的电压约为150V，不会损坏逆变器内部电路。这样就实现了电压钳位的功能。钳位电阻的投入会增加逆变器输入侧电源的功耗、钳位电阻自身功耗等问题，是选择电阻时要考虑的。钳位电路带自保持功能，即电阻投入后，即使B点电压低于动作门槛了，还是处于投入状态。如果要切除，需要外部钳位复位信号来控制；另外，可以将钳位电路的状态上送。这些功能都是由输入输出电路实现。钳位电阻的投入会增加逆变器输入侧电源的功耗、钳位电阻自身功耗等问题，是选择电阻时要考虑的。4 结论本文所提出的以MCU为控制核心的20Hz电源方案，该方案接口丰富、应用灵活、高可靠性等特点，具有很高的工程实用价值。并在设计了一台样机，实现了相关功能。图7 20Hz输出电压电流采样波形Fig.7 Sampling Waveform of 20Hz Output Voltage and Current参考文献：1 姚晴林，赵斌，郭宝甫，等.自适应20Hz电源输入式定子接地保护.电力系统自动化，2008，32(18)：71-73.YAO Qinglin，ZHAO Bin，GUO Baofu，et，al.Self Adaptive Stator Grounding Protection Based on Injecting 20Hz Electric Source Signal. Automation of Electric Power Systems，2008，32(18)：71-73.2 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版）.北京：中国电力出版社，2002.3 毕大强，王祥珩，余高旺，等.高准确度外加20HZ电源定子单相接地保护的研制.电力系统自动化，2004，28（16）：75-78.BI Daqiang，WANG Xiangheng，YU Gaowang，et，al.Development of a High Accuracy Stator Ground Fault Protection by Injecting 20Hz Voltage. Automation of Electric Power Systems，2004，28（16）：75-78.4 SIEMENS.Directions for use 7XT34，2003.5 SIEMENS.Directions for Use 20-Hz Generator，2009.6 SIEMENS.Siprotec47um62 v4.6 数字式多功能电机保护装置操作手册，2005.7 李德佳，毕大强，王维俭.大型发电机注入式定子单相接地保护的调试和运行.继电器，2004，32(16):51-56.LI Dejia，BI Daqiang，WANG Weijian. Adjustment and Operation of Injection Voltage Scheme against the Stator Single Phase to Ground Fault of Large Generators. Relay, 2004，32(16):51-56.作者简介：汪世平（1980-），男，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：夏 雨（1976-），男，硕士，工程师，主要研究方向：电力系统控制保护平台技术的研究。周华良（1980-），男，硕士，工程师，主要研究方向：电力系统控制保护平台技术的研究。Design and Implementation of an Injecting 20Hz Power Supply Suitable for Stator Ground ProtectionWANG Shiping，XIA Yu，ZHOU Hualiang，ZOU Zhiyang（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing210003，China）Abstract: 20Hz power su