一种适用于定子注入式接地保护的20Hz电源的设计与实现.docx

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1、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

2、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

3、）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

4、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

5、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120Hz电源系统框图Fig.120HzPowerSupplySystemDiagram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

6、，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MCUPWM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

7、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dsPIC33FJ128GP706A为核心，实现逆变器控制脉冲的形成、输入输

8、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20H