本實用新型涉及發(fā)電機定子接地保護20Hz注入電源裝置，特別是針對一些大型水電站、核電廠等發(fā)電機組二次保護裝置配置了注入式定子接地保護的情況，提出一種可抑制工頻電壓干擾的定子接地保護20Hz電源裝置。

背景技術(shù)：

汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、燃汽輪發(fā)電機、抽水蓄能發(fā)電機等發(fā)電機組一般會配置注入式發(fā)電機定子保護，該保護是由20Hz注入電源和發(fā)電機保護兩個裝置組成。其中，20Hz注入電源提供外加低頻電源，將低頻電壓電流信號注入到發(fā)電機定子繞組中。發(fā)電機保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流信號，當發(fā)電機定子繞組發(fā)生接地故障，注入的電壓、電流信號隨之發(fā)生變化，保護裝置可準確計算出接地故障電阻的阻值，完成注入式定子接地保護。

當發(fā)電機組處于檢修試驗時，需要退掉注入式定子接地保護，此時一般會采用投入閉鎖壓板的方式去閉鎖20Hz注入電源輸出，在此情況下，如果進行發(fā)電機的零起升壓試驗，發(fā)電機接地變二次側(cè)電壓隨著發(fā)電機工頻電壓提升而升高。

常規(guī)的20Hz注入電源的控制模式參考圖1所示。當閉鎖壓板投入時，驅(qū)動芯片控制全橋變換器輸出閉鎖，由于全橋變換器4個開關(guān)管體二極管和4個反并二極管的存在，從輸出側(cè)看全橋變換器此時工作在整流模式，當發(fā)電機處于零起升壓試驗時，發(fā)電機接地變T零起升壓產(chǎn)生的高達100V以上的二次工頻電壓施加在20Hz注入電源輸出側(cè)，工頻電壓通過反并二極管D1~D4整流，使得20Hz注入電源輸入側(cè)的電解電容EC1不斷充電達到工頻電壓的最大峰值，此峰值電壓遠大于20Hz注入電源額定輸入電壓，超出開關(guān)管Q1~Q4以及EC1的電壓應力，損傷相應器件。常規(guī)的20Hz注入電源由于不采用延時控制策略，會在發(fā)電機零起升壓試驗時損壞電源本身，影響發(fā)電機注入式定子接地保護，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種可抑制工頻電壓干擾的定子接地保護20Hz電源裝置，以有效避免發(fā)電機零起升壓試驗時接地變二次側(cè)電壓對20Hz電源裝置帶來的損傷。

本實用新型采取的技術(shù)方案具體為：一種可抑制工頻電壓干擾的定子接地保護20Hz電源裝置，包括依次連接在20Hz注入電源功率回路上的20Hz方波發(fā)生模塊和20Hz帶通濾波模塊，以及功率回路閉鎖模塊和控制模塊；

控制模塊包括方波發(fā)生控制單元和功率回路閉鎖控制單元；

功率回路閉鎖模塊包括閉鎖繼電器，閉鎖繼電器的至少一個觸點串接在20Hz注入電源功率回路上；功率回路閉鎖控制單元根據(jù)外部輸入的注入電源閉鎖信號：控制閉鎖繼電器線圈的得電或失電，從而控制閉鎖繼電器觸點的閉合或斷開，以及向方波發(fā)生控制單元輸出方波發(fā)生閉鎖信號；

方波發(fā)生控制單元根據(jù)接收到的方波發(fā)生閉鎖信號控制20Hz方波發(fā)生模塊閉鎖20Hz方波信號的輸出。

本實用新型中，20Hz方波發(fā)生模塊、20Hz帶通濾波模塊以及方波發(fā)生控制單元皆可采用現(xiàn)有技術(shù)，20Hz方波發(fā)生器的輸入端輸入25~30V的直流電壓，輸出端輸出20Hz方波信號，然后經(jīng)20Hz帶通濾波模塊最終輸出正負對稱幅值為25~30V的20Hz的正弦波供定子接地保護使用。20Hz帶通濾波模塊的輸出端可作為20Hz注入電源輸出端。功率回路閉鎖控制單元可采用現(xiàn)有單片機或者DSP等MCU。

進一步的，本實用新型中，閉鎖繼電器的觸點串接在20Hz方波發(fā)生模塊輸出端與20Hz注入電源輸出端之間的20Hz注入電源功率回路上。只要能在開關(guān)狀態(tài)切換時對應改變20Hz注入電源功率回路的通斷狀態(tài)即可。同時閉鎖繼電器的常開觸點設置于20Hz方波發(fā)生模塊之后，以確保發(fā)電機零起升壓試驗時接地變二次側(cè)電壓不會對方波發(fā)生電路中的開關(guān)管和電解電容帶來損傷。

優(yōu)選的，所述閉鎖繼電器的觸點為常開觸點。在發(fā)電機正常工作狀態(tài)下，閉鎖繼電器線圈為得電狀態(tài)，其常開觸點為閉合狀態(tài)，即20Hz注入電源功率回路可正常輸出20Hz注入電源信號。當注入電源投入閉鎖時，功率回路閉鎖控制單元控制閉鎖繼電器線圈所在回路斷電，則常開觸點斷開，注入電源功率回路與外部回路之間完全斷開，即可避免發(fā)電機零起升壓試驗時接地變二次側(cè)電壓帶來的損傷。當然串接在功率回路中的觸點也可選擇為常閉觸點，則對閉鎖繼電器的控制邏輯相應改變。

為了方便硬件結(jié)構(gòu)涉及與不同功能模塊板卡之間的連接，本實用新型中，閉鎖繼電器的常開觸點串接在20Hz方波發(fā)生模塊與20Hz帶通濾波模塊之間。

優(yōu)選的，本實用新型中，功率回路閉鎖控制單元根據(jù)外部輸入的注入電源閉鎖信號，控制閉鎖繼電器觸點在500ms延時后斷開20Hz注入電源功率回路?？煞乐谷珮蜃儞Q器未完全停止工作時，帶電切斷繼電器帶來的拉弧現(xiàn)象。為了確保繼電器觸點斷開時電流下降到0，延時時間范圍可設置為500ms到1s。相應的，當注入電源取消閉鎖，注入電源需要恢復工作時，功率回路閉鎖控制單元首先控制繼電器觸點閉合，使得注入電源與外部回路連接。由于20Hz方波發(fā)生器中全橋電路屬于開環(huán)控制，為了避免較大的階躍響應，需要在500ms延時后，向方波發(fā)生控制單元傳輸控制信號，使能全橋變換器使得20Hz注入電源正常工作。

優(yōu)選的，本實用新型中，20Hz方波發(fā)生模塊包括全橋斬波電路，全橋斬波電路的輸入端輸入25~30V的直流電壓，全橋斬波電路的四個橋臂上分別設有MOS管，各MOS管的源極與漏極上并接有電容和二極管。全橋斬波電路通過4個mosfet開關(guān)管和4個反并二極管組成主功率回路，各二極管正向接在功率回路上，具有輸入電源防反接作用。方波發(fā)生控制單元中通過晶振分頻及取反邏輯產(chǎn)生20Hz互補的驅(qū)動信號驅(qū)動每個橋臂的上下管，全橋工作在對角開關(guān)管同時導通，上下開關(guān)管互補導通狀態(tài)，最終產(chǎn)生正負對稱幅值為25~30V的20Hz方波輸出。

進一步的，全橋斬波電路的輸入端上并接有電解電容EC₁。EC₁采用現(xiàn)有的大容量電解電容，用于對28V左右直流電源濾波及儲能，輸入直流電壓可以并聯(lián)使用增大輸入功率。

優(yōu)選的，本實用新型中，20Hz帶通濾波模塊包括串接在功率回路上的濾波電感、濾波電容和限流電阻，濾波電感L為600mH，濾波電容C為104μF，限流電阻R在0.68Ω~2.72Ω范圍內(nèi)可調(diào)。限流電阻用于限制輸出電流。經(jīng)過20Hz帶通濾波器輸出20Hz正弦電流I_G0，在接地變二次側(cè)負載電阻R_n上面產(chǎn)生U_G0的20Hz正弦電壓。

優(yōu)選的，本實用新型中，功率回路閉鎖控制單元包括型號為DSPIC33FJ128GP708的MCU控制器。

有益效果

本實用新型可在現(xiàn)有20Hz注入電源電路的基礎(chǔ)上進行改進，電路設計簡潔，運行安全性高，電路控制邏輯簡單，實現(xiàn)便捷，可以保障發(fā)電機零起升壓試驗時20Hz注入電源的安全。同時，本實用新型利用延時控制策略可保障電路運行更加安全。

附圖說明

圖1所示為現(xiàn)有20Hz注入電源控制方式示意圖；

圖2所示為本實用新型一種實施例的20Hz注入電源電路及控制方式示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例進一步描述。

圖1中，現(xiàn)有技術(shù)對20Hz注入電源的控制為，將20Hz方波信號，與外部輸入的注入電源閉鎖信號共同作為與門U1的兩個輸入，與門輸出信號經(jīng)過反相器U2后，得到兩個180°互補的20Hz方波信號，兩個20Hz互補信號作為驅(qū)動芯片U₃的輸入，進而產(chǎn)生低邊和高邊20Hz互補驅(qū)動，控制全橋變換器的工作，使得全橋變換器兩橋臂中點之間產(chǎn)生正負對稱的20Hz方波輸出。

參考圖2所示，本實用新型可抑制工頻電壓干擾的定子接地保護20Hz電源裝置，包括依次連接在20Hz注入電源功率回路上的20Hz方波發(fā)生模塊和20Hz帶通濾波模塊，以及功率回路閉鎖模塊和控制模塊；控制模塊包括方波發(fā)生控制單元和功率回路閉鎖控制單元；

功率回路閉鎖模塊包括閉鎖繼電器，閉鎖繼電器的至少一個觸點串接在20Hz注入電源功率回路上；功率回路閉鎖控制單元根據(jù)外部輸入的注入電源閉鎖信號：控制閉鎖繼電器線圈的得電或失電，從而控制閉鎖繼電器觸點的閉合或斷開，以及向方波發(fā)生控制單元輸出方波發(fā)生閉鎖信號；

方波發(fā)生控制單元根據(jù)接收到的方波發(fā)生閉鎖信號控制20Hz方波發(fā)生模塊閉鎖20Hz方波信號的輸出。

本實用新型中，20Hz方波發(fā)生模塊、20Hz帶通濾波模塊以及方波發(fā)生控制單元皆可采用現(xiàn)有技術(shù)，20Hz方波發(fā)生器的輸入端輸入25~30V的直流電壓，輸出端輸出20Hz方波信號，然后經(jīng)20Hz帶通濾波模塊最終輸出正負對稱幅值為25~30V的20Hz的正弦波供定子接地保護使用。20Hz帶通濾波模塊的輸出端可作為20Hz注入電源輸出端。功率回路閉鎖控制單元可采用現(xiàn)有單片機或者DSP等MCU。

實施例1

理論上，本實用新型中閉鎖繼電器觸點可串接在20Hz注入電源功率回路中，方波發(fā)生模塊輸出端與20Hz注入電源輸出端之間的任意位置上，即閉鎖繼電器的常開觸點設置于20Hz方波發(fā)生模塊之后，以確保發(fā)電機零起升壓試驗時接地變二次側(cè)電壓不會對方波發(fā)生電路中的開關(guān)管和電解電容帶來損傷。但為了方便不同功能模塊板卡的設計以及連接，圖2所示的本實施例中，閉鎖繼電器的觸點串接在20Hz方波發(fā)生模塊與20Hz帶通濾波模塊之間。

參考圖2，本實施例中，串接在功率回路中的閉鎖繼電器RLY的觸點為常開觸點。圖2中，閉鎖繼電器RLY的線圈未示出，僅示出常開觸點，但通過微控制器對繼電器及其觸點進行開斷控制為現(xiàn)有技術(shù)。本實施例中，在發(fā)電機正常工作狀態(tài)下，閉鎖繼電器線圈為得電狀態(tài)，其常開觸點為閉合狀態(tài)，即20Hz注入電源功率回路可正常輸出20Hz注入電源信號。當注入電源投入閉鎖時，功率回路閉鎖控制單元控制閉鎖繼電器線圈所在回路斷電，則常開觸點斷開，注入電源功率回路與外部回路之間完全斷開，即可避免發(fā)電機零起升壓試驗時接地變二次側(cè)電壓帶來的損傷。當然串接在功率回路中的觸點也可選擇為常閉觸點，則對閉鎖繼電器的控制邏輯相應改變。

本實施例中，20Hz方波發(fā)生模塊包括全橋斬波電路，全橋斬波電路的輸入端輸入25~30V的直流電壓，全橋斬波電路的四個橋臂上分別設有MOS管，各MOS管的源極與漏極上并接有電容和二極管。全橋斬波電路通過4個mosfet開關(guān)管Q₁~Q₄和4個反并二極管D₁~D₄組成主功率回路，各二極管正向接在功率回路上，具有輸入電源防反接作用。方波發(fā)生控制單元中，MOS管驅(qū)動芯片采用自舉的控制芯片，如型號為IRF2113S的驅(qū)動芯片。20Hz方波信號通過晶振分頻得到，其與功率回路閉鎖控制單元輸出的方波發(fā)生閉鎖信號，作為與門U1的兩個輸入，然后利用取反邏輯產(chǎn)生兩個20Hz互補的驅(qū)動信號，通過自舉驅(qū)動芯片IRF2113S產(chǎn)生低邊和高邊20Hz互補驅(qū)動，控制全橋變換器對角開關(guān)管同時導通，同一橋臂上下開關(guān)管互補導通。最終全橋變換器兩橋臂中點之間產(chǎn)生正負對稱的20Hz方波輸出。

進一步的，全橋斬波電路的輸入端上并接有電解電容EC₁。EC₁采用現(xiàn)有的大容量電解電容，用于對28V左右直流電源濾波及儲能，輸入直流電壓可以并聯(lián)使用增大輸入功率。

本實施例中，20Hz帶通濾波模塊中心頻率為20Hz，包括串接在功率回路上的濾波電感、濾波電容和限流電阻，濾波電感L為600mH，濾波電容C為104μF，限流電阻R在0.68Ω~2.72Ω范圍內(nèi)可調(diào)。限流電阻用于限制輸出電流。經(jīng)過20Hz帶通濾波器輸出20Hz正弦電流I_G0，在接地變二次側(cè)負載電阻R_n上面產(chǎn)生U_G0的20Hz正弦電壓。

本實施例中，功率回路閉鎖控制單元包括型號為DSPIC33FJ128GP708的MCU控制器。V_{in_閉鎖}為外部輸入的20Hz注入電源閉鎖開入輸入信號，其高電平有效，當需要停機檢修或者取消注入式定子接地保護時，需要閉鎖20Hz注入電源。當閉鎖開入投入時，MCU立即判斷給出全橋控制回路的閉鎖信號V_control（即前述方波發(fā)生閉鎖信號），該信號低電平閉鎖，等待500ms后，MCU給出閉鎖繼電器RLY的驅(qū)動信號V_relay使得繼電器觸點斷開，20Hz注入電源停止輸出；當方波發(fā)生閉鎖信號開入取消時，MCU立即給出繼電器RLY的驅(qū)動信號V_relay使得繼電器節(jié)點閉合，等待500ms后，MCU取消全橋控制回路的閉鎖信號V_control，使得V_control變高，20Hz注入電源正常工作。

實際應用時，可以根據(jù)系統(tǒng)需求，調(diào)整繼電器和全橋驅(qū)動信號的時序和延遲時間，確保20Hz注入電源閉鎖投入時，繼電器控制信號晚于全橋變換器控制信號而閉鎖；恢復正常工作時，繼電器控制信號早于全橋變換器控制信號而恢復。

具體的，正常運行時，閉鎖壓板退出，RLY繼電器閉合，功率回路接通，控制信號正常輸出，全橋變換器正常輸出20Hz正弦電流和電壓I_G0和U_G0；當發(fā)電機進行檢修時，此時閉鎖壓板V_{in_閉鎖}投入，MCU立即判斷發(fā)出全橋控制回路的閉鎖信號V_control閉鎖控制信號，經(jīng)過500ms延時，MCU發(fā)出繼電器RLY的驅(qū)動信號V_relay使得繼電器RLY節(jié)點打開，20Hz注入電源停止工作。對發(fā)電機進行零起升壓試驗，發(fā)電機經(jīng)過接地變壓器T，在接地變二次側(cè)產(chǎn)生折射高電壓，由于此時20Hz注入電源的功率回路通過繼電器RLY與外部接地變完全斷開，所以折射的高電壓將無法進入20Hz注入電源，有效的確保了20Hz注入電源的可靠性。試驗結(jié)束裝置轉(zhuǎn)換為正常運行狀態(tài)時，閉鎖壓板V_{in_閉鎖}退出，MCU立即發(fā)出繼電器驅(qū)動信號V_relay使得繼電器RLY節(jié)點閉合，以確保輸出回路導通，經(jīng)過500ms延時，MCU發(fā)出全橋控制回路的驅(qū)動使能信號V_control，使得20Hz注入電源恢復正常運行。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。