一种可抑制工频电压干扰的定子接地保护20Hz电源装置的制作方法

本实用新型涉及发电机定子接地保护20Hz注入电源装置，特别是针对一些大型水电站、核电厂等发电机组二次保护装置配置了注入式定子接地保护的情况，提出一种可抑制工频电压干扰的定子接地保护20Hz电源装置。

背景技术：

汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机、抽水蓄能发电机等发电机组一般会配置注入式发电机定子保护，该保护是由20Hz注入电源和发电机保护两个装置组成。其中，20Hz注入电源提供外加低频电源，将低频电压电流信号注入到发电机定子绕组中。发电机保护装置检测注入的低频电压、电流信号，当发电机定子绕组发生接地故障，注入的电压、电流信号随之发生变化，保护装置可准确计算出接地故障电阻的阻值，完成注入式定子接地保护。

当发电机组处于检修试验时，需要退掉注入式定子接地保护，此时一般会采用投入闭锁压板的方式去闭锁20Hz注入电源输出，在此情况下，如果进行发电机的零起升压试验，发电机接地变二次侧电压随着发电机工频电压提升而升高。

常规的20Hz注入电源的控制模式参考图1所示。当闭锁压板投入时，驱动芯片控制全桥变换器输出闭锁，由于全桥变换器4个开关管体二极管和4个反并二极管的存在，从输出侧看全桥变换器此时工作在整流模式，当发电机处于零起升压试验时，发电机接地变T零起升压产生的高达100V以上的二次工频电压施加在20Hz注入电源输出侧，工频电压通过反并二极管D1~D4整流，使得20Hz注入电源输入侧的电解电容EC1不断充电达到工频电压的最大峰值，此峰值电压远大于20Hz注入电源额定输入电压，超出开关管Q1~Q4以及EC1的电压应力，损伤相应器件。常规的20Hz注入电源由于不采用延时控制策略，会在发电机零起升压试验时损坏电源本身，影响发电机注入式定子接地保护，造成严重的经济损失。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种可抑制工频电压干扰的定子接地保护20Hz电源装置，以有效避免发电机零起升压试验时接地变二次侧电压对20Hz电源装置带来的损伤。

本实用新型采取的技术方案具体为：一种可抑制工频电压干扰的定子接地保护20Hz电源装置，包括依次连接在20Hz注入电源功率回路上的20Hz方波发生模块和20Hz带通滤波模块，以及功率回路闭锁模块和控制模块；

控制模块包括方波发生控制单元和功率回路闭锁控制单元；

功率回路闭锁模块包括闭锁继电器，闭锁继电器的至少一个触点串接在20Hz注入电源功率回路上；功率回路闭锁控制单元根据外部输入的注入电源闭锁信号：控制闭锁继电器线圈的得电或失电，从而控制闭锁继电器触点的闭合或断开，以及向方波发生控制单元输出方波发生闭锁信号；

方波发生控制单元根据接收到的方波发生闭锁信号控制20Hz方波发生模块闭锁20Hz方波信号的输出。

本实用新型中，20Hz方波发生模块、20Hz带通滤波模块以及方波发生控制单元皆可采用现有技术，20Hz方波发生器的输入端输入25~30V的直流电压，输出端输出20Hz方波信号，然后经20Hz带通滤波模块最终输出正负对称幅值为25~30V的20Hz的正弦波供定子接地保护使用。20Hz带通滤波模块的输出端可作为20Hz注入电源输出端。功率回路闭锁控制单元可采用现有单片机或者DSP等MCU。

进一步的，本实用新型中，闭锁继电器的触点串接在20Hz方波发生模块输出端与20Hz注入电源输出端之间的20Hz注入电源功率回路上。只要能在开关状态切换时对应改变20Hz注入电源功率回路的通断状态即可。同时闭锁继电器的常开触点设置于20Hz方波发生模块之后，以确保发电机零起升压试验时接地变二次侧电压不会对方波发生电路中的开关管和电解电容带来损伤。

优选的，所述闭锁继电器的触点为常开触点。在发电机正常工作状态下，闭锁继电器线圈为得电状态，其常开触点为闭合状态，即20Hz注入电源功率回路可正常输出20Hz注入电源信号。当注入电源投入闭锁时，功率回路闭锁控制单元控制闭锁继电器线圈所在回路断电，则常开触点断开，注入电源功率回路与外部回路之间完全断开，即可避免发电机零起升压试验时接地变二次侧电压带来的损伤。当然串接在功率回路中的触点也可选择为常闭触点，则对闭锁继电器的控制逻辑相应改变。

为了方便硬件结构涉及与不同功能模块板卡之间的连接，本实用新型中，闭锁继电器的常开触点串接在20Hz方波发生模块与20Hz带通滤波模块之间。

优选的，本实用新型中，功率回路闭锁控制单元根据外部输入的注入电源闭锁信号，控制闭锁继电器触点在500ms延时后断开20Hz注入电源功率回路。可防止全桥变换器未完全停止工作时，带电切断继电器带来的拉弧现象。为了确保继电器触点断开时电流下降到0，延时时间范围可设置为500ms到1s。相应的，当注入电源取消闭锁，注入电源需要恢复工作时，功率回路闭锁控制单元首先控制继电器触点闭合，使得注入电源与外部回路连接。由于20Hz方波发生器中全桥电路属于开环控制，为了避免较大的阶跃响应，需要在500ms延时后，向方波发生控制单元传输控制信号，使能全桥变换器使得20Hz注入电源正常工作。

优选的，本实用新型中，20Hz方波发生模块包括全桥斩波电路，全桥斩波电路的输入端输入25~30V的直流电压，全桥斩波电路的四个桥臂上分别设有MOS管，各MOS管的源极与漏极上并接有电容和二极管。全桥斩波电路通过4个mosfet开关管和4个反并二极管组成主功率回路，各二极管正向接在功率回路上，具有输入电源防反接作用。方波发生控制单元中通过晶振分频及取反逻辑产生20Hz互补的驱动信号驱动每个桥臂的上下管，全桥工作在对角开关管同时导通，上下开关管互补导通状态，最终产生正负对称幅值为25~30V的20Hz方波输出。

进一步的，全桥斩波电路的输入端上并接有电解电容EC₁。EC₁采用现有的大容量电解电容，用于对28V左右直流电源滤波及储能，输入直流电压可以并联使用增大输入功率。

优选的，本实用新型中，20Hz带通滤波模块包括串接在功率回路上的滤波电感、滤波电容和限流电阻，滤波电感L为600mH，滤波电容C为104µF，限流电阻R在0.68Ω~2.72Ω范围内可调。限流电阻用于限制输出电流。经过20Hz带通滤波器输出20Hz正弦电流I_G0，在接地变二次侧负载电阻R_n上面产生U_G0的20Hz正弦电压。

优选的，本实用新型中，功率回路闭锁控制单元包括型号为DSPIC33FJ128GP708的MCU控制器。

有益效果

本实用新型可在现有20Hz注入电源电路的基础上进行改进，电路设计简洁，运行安全性高，电路控制逻辑简单，实现便捷，可以保障发电机零起升压试验时20Hz注入电源的安全。同时，本实用新型利用延时控制策略可保障电路运行更加安全。

附图说明

图1所示为现有20Hz注入电源控制方式示意图；

图2所示为本实用新型一种实施例的20Hz注入电源电路及控制方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

图1中，现有技术对20Hz注入电源的控制为，将20Hz方波信号，与外部输入的注入电源闭锁信号共同作为与门U1的两个输入，与门输出信号经过反相器U2后，得到两个180°互补的20Hz方波信号，两个20Hz互补信号作为驱动芯片U₃的输入，进而产生低边和高边20Hz互补驱动，控制全桥变换器的工作，使得全桥变换器两桥臂中点之间产生正负对称的20Hz方波输出。

参考图2所示，本实用新型可抑制工频电压干扰的定子接地保护20Hz电源装置，包括依次连接在20Hz注入电源功率回路上的20Hz方波发生模块和20Hz带通滤波模块，以及功率回路闭锁模块和控制模块；控制模块包括方波发生控制单元和功率回路闭锁控制单元；

功率回路闭锁模块包括闭锁继电器，闭锁继电器的至少一个触点串接在20Hz注入电源功率回路上；功率回路闭锁控制单元根据外部输入的注入电源闭锁信号：控制闭锁继电器线圈的得电或失电，从而控制闭锁继电器触点的闭合或断开，以及向方波发生控制单元输出方波发生闭锁信号；

方波发生控制单元根据接收到的方波发生闭锁信号控制20Hz方波发生模块闭锁20Hz方波信号的输出。

本实用新型中，20Hz方波发生模块、20Hz带通滤波模块以及方波发生控制单元皆可采用现有技术，20Hz方波发生器的输入端输入25~30V的直流电压，输出端输出20Hz方波信号，然后经20Hz带通滤波模块最终输出正负对称幅值为25~30V的20Hz的正弦波供定子接地保护使用。20Hz带通滤波模块的输出端可作为20Hz注入电源输出端。功率回路闭锁控制单元可采用现有单片机或者DSP等MCU。

实施例1

理论上，本实用新型中闭锁继电器触点可串接在20Hz注入电源功率回路中，方波发生模块输出端与20Hz注入电源输出端之间的任意位置上，即闭锁继电器的常开触点设置于20Hz方波发生模块之后，以确保发电机零起升压试验时接地变二次侧电压不会对方波发生电路中的开关管和电解电容带来损伤。但为了方便不同功能模块板卡的设计以及连接，图2所示的本实施例中，闭锁继电器的触点串接在20Hz方波发生模块与20Hz带通滤波模块之间。

参考图2，本实施例中，串接在功率回路中的闭锁继电器RLY的触点为常开触点。图2中，闭锁继电器RLY的线圈未示出，仅示出常开触点，但通过微控制器对继电器及其触点进行开断控制为现有技术。本实施例中，在发电机正常工作状态下，闭锁继电器线圈为得电状态，其常开触点为闭合状态，即20Hz注入电源功率回路可正常输出20Hz注入电源信号。当注入电源投入闭锁时，功率回路闭锁控制单元控制闭锁继电器线圈所在回路断电，则常开触点断开，注入电源功率回路与外部回路之间完全断开，即可避免发电机零起升压试验时接地变二次侧电压带来的损伤。当然串接在功率回路中的触点也可选择为常闭触点，则对闭锁继电器的控制逻辑相应改变。

本实施例中，20Hz方波发生模块包括全桥斩波电路，全桥斩波电路的输入端输入25~30V的直流电压，全桥斩波电路的四个桥臂上分别设有MOS管，各MOS管的源极与漏极上并接有电容和二极管。全桥斩波电路通过4个mosfet开关管Q₁~Q₄和4个反并二极管D₁~D₄组成主功率回路，各二极管正向接在功率回路上，具有输入电源防反接作用。方波发生控制单元中，MOS管驱动芯片采用自举的控制芯片，如型号为IRF2113S的驱动芯片。20Hz方波信号通过晶振分频得到，其与功率回路闭锁控制单元输出的方波发生闭锁信号，作为与门U1的两个输入，然后利用取反逻辑产生两个20Hz互补的驱动信号，通过自举驱动芯片IRF2113S产生低边和高边20Hz互补驱动，控制全桥变换器对角开关管同时导通，同一桥臂上下开关管互补导通。最终全桥变换器两桥臂中点之间产生正负对称的20Hz方波输出。

进一步的，全桥斩波电路的输入端上并接有电解电容EC₁。EC₁采用现有的大容量电解电容，用于对28V左右直流电源滤波及储能，输入直流电压可以并联使用增大输入功率。

本实施例中，20Hz带通滤波模块中心频率为20Hz，包括串接在功率回路上的滤波电感、滤波电容和限流电阻，滤波电感L为600mH，滤波电容C为104µF，限流电阻R在0.68Ω~2.72Ω范围内可调。限流电阻用于限制输出电流。经过20Hz带通滤波器输出20Hz正弦电流I_G0，在接地变二次侧负载电阻R_n上面产生U_G0的20Hz正弦电压。

本实施例中，功率回路闭锁控制单元包括型号为DSPIC33FJ128GP708的MCU控制器。V_{in_闭锁}为外部输入的20Hz注入电源闭锁开入输入信号，其高电平有效，当需要停机检修或者取消注入式定子接地保护时，需要闭锁20Hz注入电源。当闭锁开入投入时，MCU立即判断给出全桥控制回路的闭锁信号V_control（即前述方波发生闭锁信号），该信号低电平闭锁，等待500ms后，MCU给出闭锁继电器RLY的驱动信号V_relay使得继电器触点断开，20Hz注入电源停止输出；当方波发生闭锁信号开入取消时，MCU立即给出继电器RLY的驱动信号V_relay使得继电器节点闭合，等待500ms后，MCU取消全桥控制回路的闭锁信号V_control，使得V_control变高，20Hz注入电源正常工作。

实际应用时，可以根据系统需求，调整继电器和全桥驱动信号的时序和延迟时间，确保20Hz注入电源闭锁投入时，继电器控制信号晚于全桥变换器控制信号而闭锁；恢复正常工作时，继电器控制信号早于全桥变换器控制信号而恢复。

具体的，正常运行时，闭锁压板退出，RLY继电器闭合，功率回路接通，控制信号正常输出，全桥变换器正常输出20Hz正弦电流和电压I_G0和U_G0；当发电机进行检修时，此时闭锁压板V_{in_闭锁}投入，MCU立即判断发出全桥控制回路的闭锁信号V_control闭锁控制信号，经过500ms延时，MCU发出继电器RLY的驱动信号V_relay使得继电器RLY节点打开，20Hz注入电源停止工作。对发电机进行零起升压试验，发电机经过接地变压器T，在接地变二次侧产生折射高电压，由于此时20Hz注入电源的功率回路通过继电器RLY与外部接地变完全断开，所以折射的高电压将无法进入20Hz注入电源，有效的确保了20Hz注入电源的可靠性。试验结束装置转换为正常运行状态时，闭锁压板V_{in_闭锁}退出，MCU立即发出继电器驱动信号V_relay使得继电器RLY节点闭合，以确保输出回路导通，经过500ms延时，MCU发出全桥控制回路的驱动使能信号V_control，使得20Hz注入电源恢复正常运行。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。