一种适用于定子注入式接地保护的20Hz电源的设计与实现

Comment 夏夏1 注入式定子接地保 护 Comment 夏夏2 正文中如何体现 灵活性 Comment 夏夏3 建议调整文字内容 一种适用于定子注入式接地保护的 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 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 4 5 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 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 Comment 夏夏4 20Hz 电源输出的频 率 AC DC AC DC PT1 PT2 L CRO RCL SCL 20Hz输出 M MC CU U 隔离驱动 PWM接口 Capture 接口 脉冲封锁等开入 告警等开出 复位 监视 调试接口 电 压 频 率 监 测 电 压 检 测 电 压 钳 位 控 制 Q1Q2 D1D2 D4D3Q4Q3 A B 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 25 30V 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 AC LC Ro RL VinVo 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 则的增益函数为 R Ro 1 1 0 0 1 增益 A 1 1 2 0 0 2 2 其中 0 1 0 0 1 3 滤波器的带宽 0 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 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 Amplitude 3 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 0 3 范围内调整 实际 应用中 负载电阻 RL的范围一般在 0 5 10 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 50Hz3 11 次谐波含量 13 11 53 Hz 150 5 0 95 0 053 表 2 C 108 9UF L 573 mH 时相关计算值 Table 2 C 108 9uF L 573 mH Calculation Results 3 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 6 当发电机定子发生单相接地 3 500 3 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 L CRO Q1Q2 D1D2 D4D3Q4Q3 A B Cb AC RL 50Hz 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 1 10 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 Circuit 2 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 L CRO D1D2 D4D3 A B Cb AC RL 50Hz 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 L CRO Q1Q2 D1D2 D4D3Q4Q3 A B Cb AC RL 50Hz 电压钳位及 控制电路 输入输出 电压检测 RCL SCL 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 wangshiping 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 Protection WANG Shiping XIA Yu ZHOU Hualiang ZOU Zhiyang S