CN111505440B - 一种基于d类功放的接地故障检测以及保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于D类功放的接地故障检测以及保护系统及方法，属于三相配电系统的接地故障检测及消弧保护技术领域。所设计系统由检测及控制电路、D类放大电路、补偿变压器构成，通过检测三相配电系统的线电压实现对三相配电系统各相电路的实时检测，在出现接地故障后，由D类放大电路经补偿变压器后向三相配电系统的中性点注入正弦补偿电流，利用D类放大器噪声低，谐波失真小的特点，最大程度实现接地故障回路的全接地电流补偿及灭弧保护。可避免传统大功率电抗器进行无源接地补偿时回路易谐振、过压的问题，并且相较于传统逆变器进行有源补偿的方案，可进一步减少补偿后故障回路的残余电流。

Description

一种基于D类功放的接地故障检测以及保护系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于D类功放的接地故障快速检测以及保护系统及方法。属于三相配电系统的接地故障检测及消弧保护技术领域。
背景技术
供电可靠性在配电系统中具有重要意义，大多数可靠性问题都是由单相接地故障引起的。当发生接地故障时，故障回路近似于短路，导致拉弧，进而造成供电设备的停电。随着电网规模的增大，系统发生接地故障的概率也在增大，这使得消弧装置的性能对电力系统至关重要。传统的消弧线圈(ASC)采用并联谐振的原理对接地电流进行补偿，但由于接地电流中高次谐波含量大，在接地点处仍能保持电弧，因此其消弧性能受到限制。此外，在接地故障开始时，ASC和固有电容之间的串联谐振可能引起的过电压可能会进一步导致跨线故障和绝缘故障。因此，在实际应用中，保护系统全接地电流补偿或动态调整ASC电感的能力至关重要。
针对目前传统保护方式的不足，学术界和工业界对更多新型的保护系统展开了研究。其中一类有代表性的保护系统利用了主-辅结构的ASC，该ASC的辅助线圈上并联有电压源逆变器来进一步补偿全接地电流。该方法具有全接地电流补偿、成本合理的优点，但由于其在主边含有ASC，仍可能发生串联谐振，且无措施避免；另一类具有代表性的保护系统基于一种带可控负载变压器的ASC，同样具有全接地电流补偿能力和快速响应能力，然而该装置需要进行回路电容电流的检测，但这种检测往往精度较低，灭弧性能有限。
发明内容
本发明设计一套由检测及控制电路、D类放大电路、补偿变压器构成的保护系统以及基于该系统的检测以及保护方法，通过检测三相配电系统的线电压实现对三相配电系统各相电路的实时检测，在出现接地故障后，由D类放大电路经补偿变压器后向三相配电系统的中性点注入正弦补偿电流，利用D类放大器噪声低，谐波失真小的特点，最大程度实现接地故障回路的全接地电流补偿及灭弧保护。该系统可快速改装至现有的三相配电系统中，具有响应快，灭弧性能优异的优点。
本发明的技术方案是：所设计的接地故障检测以及保护系统由检测及控制电路、D类放大电路201和补偿变压器301构成。检测及控制电路的输入端与三相配电系统连接，检测及控制电路的输出端与D类放大电路201的输入端相连，D类放大电路201的输出端与补偿变压器301的原边相连，补偿变压器301的副边串联在三项配电系统中性点及大地之间；检测及控制电路通过检测三相配电系统的线电压实现对三相配电系统各相电路的实时检测，在出现接地故障后，由D类放大电路201经补偿变压器301后向三相配电系统的中性点注入正弦补偿电流。
检测及控制电路由线电压检测电路101、接地电压检测电路102、频率检测电路105、主控电路103、正弦信号发生电路104构成，所述线电压检测电路101、接地电压检测电路102以及频率检测电路105的输入端均与三相配电系统连接，所述线电压检测电路101、接地电压检测电路102以及频率检测电路105的输出端均与所述主控电路103的输入端连接，所述主控电路103的输出端与所述正弦信号发生电路104的输入端连接，所述正弦信号发生电路104的输出端与所述D类放大电路的输入端连接。
正弦信号发生电路104由可编程信号发生电路1041、同相放大电路1042、DA电路1043、乘法器电路1044构成。可编程信号发生电路1041与主控电路103通过SPI总线完成信息交互，主控电路103实时控制可编程信号发生电路1041输出所需频率的正弦信号。由可编程信号发生电路1041输出的正弦信号接至同相放大电路1042的同相输入端，进而由同相放大电路1042完成对信号一定比例的幅值放大。正弦信号经同相放大电路1042放大后，输出至乘法器电路1044的Y1输入端。DA电路1043与主控电路103通过SPI总线完成信息交互，主控电路103实时控制DA电路输出所需幅值的信号。经主控电路103控制后DA电路1043输出的幅值可调信号输出至乘法器电路1044的X1输入端。由于乘法器电路1044的输出信号Z＝X*Y，因此通过主控电路实时调节可编程信号发生电路输出信号的频率，通过主控电路103实时调节DA电路1043输出信号的幅值，即可完成对乘法器电路1044输出信号W频率及幅值的实时调整。乘法器电路1044输出信号W即为正弦信号发生电路104输出的最终信号。
频率检测电路105包括隔离变压器1051、比较器电路1052、光电隔离电路1053。所需检测交流正弦信号首先接至隔离变压器1051的原边，经隔离变压器1051隔离变换为较小幅值的信号后从隔离变压器1051副边输出。从隔离变压器1051副边输出的交流正弦信号接至比较器电路1052的正输入端，比较器电路1052的负输入端接地。比较器电路1052的上述接法可将接至正输入端的正弦信号转换为方波信号从比较器电路1052的输出端输出。从比较器电路1052输出端输出的方波信号送至光电隔离电路1053的正输入端，经光电隔离电路1053隔离后从光电隔离电路1053副边输出。从光电隔离电路1053副边输出的经隔离后的方波信号接至主控电路103，由主控电路103完成信号频率的检测。
D类放大电路201由功放控制电路2012、MOS阵列2011、LC电路2013构成。MOS阵列2011为9个相同的上下半桥MOS组并联而成，每个上下半桥MOS组由1个上桥MOS及一个下桥MOS组成，上桥MOS的源极与下桥MOS的漏极相连，上桥MOS的漏极与供电正极相连，下桥MOS的源极与供电负极相连，上桥与下桥MOS的栅极均通过一对并联的电阻及二极管与功放控制电路的驱动信号相连，栅极通过一个电阻与源极相连。9个上下半桥MOS组的源极共同相连，漏极共同相连，栅极通过一对并联的电阻及二极管后共同相连。功放控制电路2012的输入端与检测及控制电路的输出端相连，在接收到正弦信号后，功放控制电路2012内部依据正弦信号的幅值变化调制出两组PWM驱动信号，用于驱动MOS阵列的上下半桥MOS组工作。其中一组PWM驱动信号经并联的电阻及二极管后接至下半桥MOS组的栅极，另一组PWM驱动信号经并联的电阻及二极管后接至上半桥MOS组的栅极。MOS阵列2011在两组PWM驱动信号驱动下工作后，从上桥MOS源极与下桥MOS漏极的相连节点处输出脉冲序列。该脉冲序列经过LC电路2013滤波后，即为D类放大电路201的最终输出。
基于该系统的检测以及保护方法如下：
①三相配电系统在未发生接地故障时，检测及控制电路中的主控电路103首先控制正弦信号发生电路104生成一个小幅值的信号，经D类放大电路201放大后，输出至补偿变压器301的原边，进而由补偿变压器301的副边输出至三相配电系统的中性点。此处需要注意的是，由于三相电压频率会有微小波动，若信号发生电路104一致按照恒定市电50Hz频率输出小幅值信号，则会导致误差逐渐积累，无法确保获取准确的补偿相位ε。因此在进行相位搜寻的过程中，频率检测电路105会对线电压UBC的频率fUBC进行实时采集，进而当前时刻信号发生电路104的输出频率依据上一时刻的fUBC进行更新。
②检测及控制电路中的线电压检测电路101实时检测三相配电系统中线电压UAB的有效值UAB，并送至主控电路103，主控电路103进而由此实时计算A相电压UA的有效值UA。接地电压检测电路102实时检测A相接地电压URA的有效值URA，并将检测值实时送至主控电路103。此外，由于正弦信号发生电路(104)的幅值及频率由主控电路(103)决定，且补偿变压器(301)的原副边比固定，因此主控电路103实时计算补偿变压器301副边电压US的有效值US。在此基础上，主控电路103实时调整正弦信号发生电路104输出正弦信号的相位，当输出正弦信号的相位能够满足|URA+US-UA|<α时(α为所允许的偏差)，认为已搜寻到合适的补偿相位，此时主控电路103即保存当下的正弦信号发生电路104输出正弦信号的相位ε，并关闭正弦信号发生电路的输出。补偿相位ε用于A相接地故障时的输出补偿，由于三相相位差固定，B相即C相发生接地故障时，可依据ε进行对应的输出补偿。
③检测及控制电路中的线电压检测电路101继续实时采集三相线电压UAB、UBC、UCA的有效值UAB、UBC、UCA，频率检测电路105继续实时采集线电压UBC的频率fUBC，并将检测值实时送至主控电路103。
④当UAB、UBC、UCA其中某2个线电压有效值低于保护阈值β时，认为某相发生了接地故障，此时主控电路103控制正弦信号发生电路104依据上一时刻的fUBC及UAB输出对应幅值及频率的补偿信号，该信号由D类放大电路201至补偿变压器301后，使补偿变压器301副边输出电压US的幅值与故障相的电压幅值相当。补偿后故障接地回路的总电压接近于0V，回路电流也接近于0A，此时即完成了对接地故障回路的保护。
本发明的有益效果是：
1、可避免传统大功率电抗器进行无源接地补偿时回路易谐振、过压等问题。
2、响应速度快，可实现接地故障的快速检测及灭弧保护。
3、相较于传统逆变器进行有源补偿的方案，可进一步减少补偿后故障回路的残余电流。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的正弦信号发生电路原理图；
图3为本发明的频率检测电路原理图；
图4为本发明的D类放大电路的原理图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例额定参数：三相配电系统单相电压为220V，频率为50Hz，接地故障发生进行补偿后，回路残余电流小于1A。
图1所示为本发明的原理示意图，基于D类功放的接地故障检测以及保护系统由检测及控制电路、D类放大电路201和补偿变压器301构成。其中检测及控制电路由线电压检测电路101、接地电压检测电路102、频率检测电路105、主控电路103、正弦信号发生电路104构成；正弦信号发生电路104输出端与D类放大电路201的输入端相连，D类放大电路201的输出端与补偿变压器301的原边相连，补偿变压器301的副边串联在三项配电系统中性点及大地之间。三相配电系统由UA、UB、UC三相构成，RA、RB、RC分别为三相的接地电阻，CA、CB、CC分别为三相的接地电容。基于该系统的检测以及保护方法如下：
①三相配电系统在未发生接地故障时，检测及控制电路中的主控电路103首先控制正弦信号发生电路104生成一个小幅值的信号，经D类放大电路201放大后，输出至补偿变压器301的原边，进而由补偿变压器301的副边输出至三相配电系统的中性点。此处需要注意的是，由于三相电压频率会有微小波动，若信号发生电路104一致按照恒定市电50Hz频率输出小幅值信号，则会导致误差逐渐积累，无法确保获取准确的补偿相位ε。因此在进行相位搜寻的过程中，频率检测电路105会对线电压UBC的频率fUBC进行实时采集，进而当前时刻信号发生电路104的输出频率依据上一时刻的fUBC进行更新。②检测及控制电路中的线电压检测电路101实时检测三相配电系统中线电压UAB的有效值UAB，并送至主控电路103，主控电路103进而由此实时计算A相电压UA的有效值UA。接地电压检测电路102实时检测A相接地电压URA的有效值URA，并将检测值实时送至主控电路103。此外，主控电路103实时计算补偿变压器301副边电压US的有效值US。在此基础上，主控电路103实时调整正弦信号发生电路104输出正弦信号的相位，当输出正弦信号的相位能够满足|URA+US-UA|<α时(α为所允许的偏差)，认为已搜寻到合适的补偿相位，此时主控电路103即保存当下的正弦信号发生电路104输出正弦信号的相位ε，并关闭正弦信号发生电路的输出。补偿相位ε用于A相接地故障时的输出补偿，由于三相相位差固定，B相即C相发生接地故障时，可依据ε进行对应的输出补偿。③检测及控制电路中的线电压检测电路101继续实时采集三相线电压UAB、UBC、UCA的有效值UAB、UBC、UCA，频率检测电路105继续实时采集线电压UBC的频率fUBC，并将检测值实时送至主控电路103。④当UAB、UBC、UCA其中某2个线电压有效值低于保护阈值β时，认为某相发生了接地故障，此时主控电路103控制正弦信号发生电路104依据上一时刻的fUBC及UAB输出对应幅值及频率的补偿信号，该信号由D类放大电路201至补偿变压器301后，使补偿变压器301副边输出电压US的幅值与故障相的电压幅值相当。补偿后故障接地回路的总电压接近于0V，回路电流也接近于0A，此时即完成了对接地故障回路的保护。
图2所示为本实施例中的正弦信号发生电路104原理图。该正弦信号发生电路104由可编程信号发生电路1041、同相放大电路1042、DA电路1043、乘法器电路1044构成。可编程信号发生电路1041基于可编程信号发生器芯片AD9833设计，其5脚接外部25M晶振，其6、7、8脚为通信脚，共同构成SPI总线，并连接至主控电路103。主控电路103通过SPI总线与AD9833完成信息交互，主控电路103可实时控制可编程信号发生电路1041从AD9833的8脚输出所需频率的正弦信号。同相放大电路1042基于运放芯片LM8261设计，由可编程信号发生电路1041输出的正弦信号经电阻R1后接至LM8261的同相输入端3脚。LM8261的负输入端4脚接地，并且负输入端4脚与输出端1脚通过电阻R3连接。本实施例中同相放大电路的放大比例即为Vo/Vin＝(1+R3/R2)。经放大后的信号从LM8261的1脚输出，经过电容C9，完成直流信号的隔离，最终以SINA1信号输出。乘法器电路1044基于乘法器芯片AD835设计，SINA1信号输出至AD835的Y1输入端1脚。DA电路1043基于DA芯片DAC121S101设计，其4、5、6脚位通信脚，共同构成SPI总线，并连接至主控电路103，主控电路103通过SPI总线与DA电路1043完成信息交互，主控电路103实时控制DA电路1043从DAC121S101的1脚输出所需幅值的信号。DAC121S101的1脚输出的幅值信号经电阻R13和电容C12构成的滤波电路后，以信号ADJV输出。ADJV信号输出至乘法器电路1044中AD835的X1输入端8脚。AD835的X2输入端7脚，Y2输入端2脚，Z输入端4脚均接地，最终本实施例中AD835的W输出端信号W＝(X1-X2)(Y1-Y2)+Z＝X1*Y1，因此通过主控电路103实时调节可编程波形发生电路1041输出信号的频率，通过主控电路103实时调节DA电路1043输出信号的幅值，即可完成对乘法器电路1044输出信号W频率及幅值的实时调整。乘法器电路1044中AD835的5脚输出信号SINA2即为正弦信号发生电路104输出的最终信号。
图3所示为本实施例中的频率检测电路105原理图。本发明的频率检测电路105包括隔离变压器1051、比较器电路1052、光电隔离电路1053。本实施例中的隔离变压器1051变比为380V/12V，所需检测交流正弦信号首先接至隔离变压器1051的原边，经隔离变压器1051隔离变换为较小幅值的信号后从隔离变压器1051副边输出。从隔离变压器1051副边输出的交流正弦信号经电阻R12及R13进行分压，后接至比较器电路1052。本实施例中比较器电路1052基于运放芯片NE5532设计，经电阻R12及R13分压后的交流正弦信号接至NE5532的正输入端3脚，NE5532的负输入端2脚接地。比较器电路1052的上述接法可将接至其正输入端的正弦信号转换为方波信号从比较器电路中NE5532的1脚输出端输出。本实施例中光电隔离电路1052基于光耦芯片PC817设计，NE5532的1脚输出的方波信号经二极管D1后，通过电阻R14接至PC817的正输入端，光电隔离电路1053进而将方波信号隔离，从PC817的副边以信号XWOUT输出。XWOUT信号接至主控电路103，由主控电路103完成信号频率的检测。
图4所示为本实施例中的D类放大电路201原理图。D类放大电路201由功放控制电路2012、MOS阵列2011、LC电路2013构成。MOS阵列2012为9个相同的上下半桥MOS组并联而成，每个上下半桥MOS组由1个上桥MOS及一个下桥MOS组成，上桥MOS的源极与下桥MOS的漏极相连，上桥MOS的漏极与供电正极相连，下桥MOS的源极与供电负极相连，上桥与下桥MOS的栅极均通过一对并联的电阻及二极管与功放控制电路的驱动信号相连，栅极通过一个电阻与源极相连。9个上下半桥MOS组的源极共同相连，漏极共同相连，栅极通过一对并联的电阻及二极管后共同相连。功放控制电路2012基于功放控制芯片IRS2092SDRB设计，其4、5脚为输入端正极，1、2、3脚位输入端负极，分别与正弦信号发生电路104输出信号SINA2的正负极相连，7脚和6脚分别接主控电路103输出的停止信号的正负极，10脚、11脚接芯片供电正极，8脚、9脚接芯片供电负极，20脚接驱动供电正极，12脚接驱动供电负极，19脚为上组MOS阵列的驱动信号，经并联的电阻及二极管后接至上半桥MOS组的栅极，14脚为下组MOS阵列的驱动信号，经并联的电阻及二极管后接至下半桥MOS组的栅极，18脚接至上半桥MOS组与下半桥MOS组相连的节点处，该节点亦为D类放大电路的输出信号端。在接收到正弦信号后，功放控制电路2012内部依据正弦信号的幅值变化调制出两组PWM驱动信号，分别驱动MOS阵列的上下半桥MOS组工作，上下半桥MOS组在两组PWM驱动信号驱动下工作后，从上桥MOS源极与下桥MOS漏极的相连节点处输出脉冲序列。该脉冲序列经过LC电路2013滤波后，即为D类放大电路301的最终输出。
主控电路103基于成熟的TMS320F28335型DSP设计，此例中利用其片内AD模块实现各状态信号的AD采样；利用其片内ECAP模块实现三项配电系统线电压的频率检测；利用其片内SPI模块实现正弦波的幅值、相位、频率及输出控制；实现接地故障检测以及保护方法的执行。
线电压检测电路101及接地电压检测电路102结构相同，均基于成熟的电流型霍尔电压传感器LV25-P及有效值转换芯片AD637设计。所需采集交流电压由电压传感器LV25-P转换为交流电流信号，再经电阻接地后转化为交流电压信号输出。经转化的交流电压信号接入AD637构成的有效值转换电路，转换为直流有效值信号，后送至主控电路103进行采集。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替代和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于D类功放的接地故障检测以及保护系统的接地故障检测以及保护方法，所述系统由检测及控制电路、D类放大电路(201)和补偿变压器(301)构成；检测及控制电路的输入端与三相配电系统连接，检测及控制电路的输出端与D类放大电路(201)的输入端相连，D类放大电路(201)的输出端与补偿变压器(301)的原边相连，补偿变压器(301)的副边串联在三相配电系统中性点及大地之间；检测及控制电路通过检测三相配电系统的线电压实现对三相配电系统各相电路的实时检测，在出现接地故障后，由D类放大电路(201)经补偿变压器(301)后向三相配电系统的中性点注入正弦补偿电流；其特征在于：
①三相配电系统在未发生接地故障时，检测及控制电路中的主控电路(103)首先控制正弦信号发生电路(104)生成一个小幅值的信号，经D类放大电路(201)放大后，输出至补偿变压器(301)的原边，进而由补偿变压器(301)的副边输出至三相配电系统的中性点；频率检测电路(105)对三相配电系统中线电压UBC的频率fUBC进行实时采集，进而当前时刻正弦信号发生电路(104)的输出频率依据上一时刻的fUBC进行更新；
②检测及控制电路中的线电压检测电路(101)实时检测三相配电系统中线电压UAB的有效值UAB，并送至主控电路(103)，主控电路(103)进而由此实时计算A相电压UA的有效值UA；接地电压检测电路(102)实时检测A相接地电压URA的有效值URA，并将检测值实时送至主控电路(103)；此外，由于正弦信号发生电路(104)的幅值及频率由主控电路(103)决定，且补偿变压器(301)的原副边比固定，因此主控电路(103)可实时计算补偿变压器(301)副边电压US的有效值US；在此基础上，主控电路(103)实时调整正弦信号发生电路(104) 输出正弦信号的相位，当输出正弦信号的相位能够满足|URA+US-UA|<α时，α为所允许的偏差，认为已搜寻到合适的补偿相位，此时主控电路(103)保存当下的正弦信号发生电路(104)输出正弦信号的相位ε，并关闭正弦信号发生电路的输出；补偿相位ε用于A相接地故障时的输出补偿，由于三相相位差固定，B相及C相发生接地故障时，也可依据ε进行对应的输出补偿；
③检测及控制电路中的线电压检测电路(101)继续实时采集三相线电压UAB、UBC、UCA的有效值UAB、UBC、UCA，频率检测电路(105)继续实时采集线电压UBC的频率fUBC，并将检测值实时送至主控电路(103)；
④当UAB、UBC、UCA其中某2个线电压有效值低于保护阈值β时，认为某相发生了接地故障，此时主控电路(103)控制正弦信号发生电路(104)依据上一时刻的fUBC及UAB输出对应幅值及频率的补偿信号，该补偿信号由D类放大电路(201)至补偿变压器(301)后，使补偿变压器(301)副边输出电压US的幅值与故障相的电压幅值相当；补偿后故障接地回路的总电压接近于0V，回路电流也接近于0A，此时即完成了对接地故障回路的保护。
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