一种接地故障检测装置及hvdc系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及了一种接地故障检测装置及HVDC系统。
【背景技术】
[0002]高压直流输电HVDC系统是中间点高阻接地系统，该类系统中，当单个设备出现正极接地故障时，接地回路的电流很小，电路系统中的断路器等保护装置无法及时检测到故障并动作，且由于是直流电流，无法使用剩余电流装置RCD;当同一极接地或者另一极接地时，即出现两点接地短路，尤其是正负两极接地时，接地回路电流很大，可能导致上级保护装置动作，出现越级保护，导致整个系统断电。
[0003]目前针对高压直流HVDC系统的接地故障的检测方案中，主要有低频探测法、变频探测法和霍尔磁式平衡法，这些检测方法处理过程较为复杂，不适合大规模应用，还未出现将GFCI芯片应用到高压直流HVDC系统的方案。
【发明内容】
[0004]本发明实施例提供一种接地故障检测装置及HVDC系统，以期基于GFCI芯片解决高压直流HVDC系统的接地故障的问题，有利于降低接地故障检测成本和复杂度，提升供电安全性。
[0005]本发明实施例第一方面公开了一种接地故障检测装置，包括:
[0006]接地故障电流漏电保护器GFCI芯片、断路器、传感器S线圈、中性N线圈、交流信号发生器、隔离器、分流检测器Shunt Monitor单元；
[0007]Shunt Monitor单元的第一端口 Ml和第二端口 M2用于串联在地线GND中，ShuntMonitor单元的信号输出端口 M0连接隔离器的信号输入端口 G1，隔离器的电源输入端口 G2用于用于连接负载的正极RL+，隔离器的电源输出端口 G3连接交流信号发生器的电源输入端口 J1，交流信号发生器的交流信号输出端口 J2连接N线圈的交流信号输入端口 N1，N线圈的交流信号输出端口 N2连接交流信号发生器的交流信号输入端口 J3，N线圈的第一直流电源输出端口 N3用于连接负载正极RL+，N线圈的第二直流电源输入端口 N4用于连接负载负极RL-；
[0008]N线圈的第一直流电源输入端口 N5连接断路器的第一电源输出端口 D1，N线圈的第二直流电源输出端口 N6连接S线圈的第二电源输入端口 D2，断路器的第一电源输入端口D3连接S线圈的第一直流电源输出端口 S1，断路器的第二电源输出端口 D4连接S线圈的第二直流电源输入端口 S2，断路器的控制信号输入端口 D5连接GFIC芯片的控制信号输出端口 Cl，S线圈的交流信号输出端口 S3连接GFIC芯片的交流信号输入端口 C2，GFIC芯片的交流信号输出端口 C3连接S线圈的交流信号输入端口 S4，S线圈的第一直流电源输入端口 S5用于连接电源正极V+，S线圈的第二直流电源输出端口 S6用于连接电源负极V-。
[0009]其中，上述N线圈和S线圈的匝数的乘积为N:1 (模拟基于GFIC芯片的交流电流AC系统接地故障检测场景，N取值一般为1000)，至于N线圈的匝数比和S线圈的匝数比具体如何分配，可以根据实际需要灵活配置。
[0010]举例来说，当上述第一交流信号为120V，50HZ/60HZ的AC信号时，上述N线圈和S线圈的匝数比例如可以有以下几种示例情形:
[0011]示例情形1:N线圈的匝数比为1:1，则相当于在HVDC系统上耦合了 120V的AC信号，假设接地故障回路中的电阻为20ΚΩ，则存在的故障电流是6mA的交流电流，S线圈的匝数比可以是1000:1，则产生第二交流信号中的电流信号为0.006mA(平均值，峰值为0.008mA)，该电流信号注入GFIC芯片，进一步由GFIC芯片运算并判断符合关断条件(如参考UL 943级别(交流电流AC)检测方案中的关断门限值0.005mA，以达到UL 943级别相当的保护)，触发断路器关断。
[0012]示例情形2:N线圈的匝数比为20:1，则相当于在HVDC系统上耦合了 6V的AC信号，假设接地故障回路中的电阻为20ΚΩ，则存在的故障电流是0.3mA的交流电流，S线圈的匝数比是50:1，则产生第二交流信号中的电流信号为0.006mA (平均值，峰值为0.008mA)，该电流信号注入GFIC芯片，进一步由GFIC芯片运算并判断符合关断条件(如参考UL 943级别(交流电流AC)检测方案中的关断门限值0.005mA,以达到UL 943级别相当的保护)，触发断路器关断。
[0013]示例情形3:N线圈匝数比是50:1，则相当于在HVDC上耦合了 2.4V的AC信号，假设接地故障回路中的电阻为20ΚΩ，则存在的故障电流是0.12mA的交流电流，S线圈的匝数比是20:1，则产生第二交流信号中的电流信号为0.006mA (平均值，峰值为0.008mA)，该电流信号注入GFIC芯片，进一步由GFIC芯片运算并判断符合关断条件(如参考UL 943级别(交流电流AC)检测方案中的关断门限值0.005mA,以达到UL 943级别相当的保护)，触发断路器关断。
[0014]本发明实施例第一方面第一种可能的实现方式中，Shunt Monitor单元包括第一Shunt Monitor、第一分流电阻、第二 Shunt Monitor以及第二分流电阻；
[0015]Shunt Monitor 单元的第一端口 Ml 为第一 Shunt Monitor 的正极接线端口，ShuntMonitor单元的第二端口 M2为第二 Shunt Monitor的正极接线端口时，第一 Shunt Monitor的负极接线端口连接第一分流电阻的第一端口、第二 Shunt Monitor的负极端口以及第二分流电阻的第一端口，第一分流电阻的第二端口连接第一 Shunt Monitor的正极接线端口，第二分流电阻的第二端口连接第二 Shunt Monitor的正极接线端口 ；或者，
[0016]Shunt Monitor 单元的第一端口 Ml 为第一 Shunt Monitor 的负极接线端口，ShuntMonitor单元的第二端口 M2为第二 Shunt Monitor的负极接线端口时，第一 Shunt Monitor的正极接线端口连接第一分流电阻的第一端口、第二 Shunt Monitor的正极端口以及第二分流电阻的第一端口，第一分流电阻的第二端口连接第一 Shunt Monitor的负极接线端口，第二分流电阻的第二端口连接第二 Shunt Monitor的负极接线端口。
[0017]可以看出，上述第一 Shunt Monitor和第二 Shunt Monitor的设置方案能够检测负载正极接地故障和/或负载负极接地故障多种情形。
[0018]结合本发明实施例第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在本发明实施例第一方面第二种可能的实现方式中，交流信号发生器包括:
[0019]逆变电路，逆变电路包括控制器、驱动器和绝缘栅双极型晶体管IGBT。
[0020]结合本发明实施例第一方面或第一方面第一种可能的实现方式，在本发明实施例第一方面第三种可能的实现方式中，交流信号发生器包括:
[0021 ] 数模转换器DAC和振荡电路。
[0022]结合本发明实施例第一方面或第一方面第一种或第二种或第三种可能的实现方式，在本发明实施例第一方面第四种可能的实现方式中，接地故障检测装置还包括关断门限设置单元Rset，GFIC芯片的控制信号输入端口 C4连接Rset的信号输出端R1 ；
[0023]Rset用于设置GFIC芯片中的关断门限范围。
[0024]本发明实施例第二方面公开了一种高压直流输电HVDC系统，包括:
[0025]负载设备、接地故障检测装置以及电源模块；
[0026]接地故障检测装置包括接地故障电流漏电保护器GFCI芯片、断路器、传感器S线圈、中性N线圈、交流信号发生器、隔离器、分流检测器Shunt Monitor单元；
[0027]Shunt Monitor单元的第一端口 Ml和第二端口 M2用于串联在地线GND中，ShuntMonitor单元的信号输出端口 M0连接隔离器的信号输入端口 G1，隔离器的电源输入端口 G2连接负载设备的正极RL+，隔离器的电源输出端口 G3连接交流信号发生器的电源输入端口J1，交流信号发生器的交流信号输出端口 J2连接N线圈的交流信号输入端口 Nl，N线圈的交流信号输出端口 N2连接交流信号发生器的交流信号输入端口 J3，N线圈的第一直流电源输出端口 N3连接负载设备的正极RL+，N线圈的第二直流电源输入端口 N4连接负载设备的负极RL-；
[0028]N线圈的第一直流电源输入端口 N5连接断路器的第一电源输出端口 D1，N线圈的第二直流电源输出端口 N6连接S线圈的第二电源输入端口 D2，断路器的第一电源输入端口D3连接S线圈的第一直流电源输出端口 S1，断路器的第二电源输出端口 D4连接S线圈的第二直流电源输入端口 S2，断路器的控制信号输入端口 D5连接GFIC芯片的控制信号输出端口 Cl，S线圈的交流信号输出端口 S3连接GF