光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設(shè)計

王俊鵬1  張明2  包林杰3  蔡磊2

（1.上海市滬閔建筑設(shè)計院有限公司 上海 201199）

（2.江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405）

（3.上海安科瑞電源管理系統(tǒng)有限公司 上海. 201801）

   摘要：闡述光伏直流絕緣監(jiān)測裝置在光伏直流浮地系統(tǒng)中的重要性，分析現(xiàn)有絕緣監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，同時提出了一種基于電橋平衡原理的改進(jìn)型方法，配合直流漏電流傳感器能夠檢測母線及支路的絕緣狀況，快速定位故障點，保障系統(tǒng)的安全運行。

   關(guān)鍵詞：光伏直流；絕緣監(jiān)測；電橋平衡；漏電流傳感器

0　引言

   光伏直流浮地系統(tǒng)中，電池組件經(jīng)匯流箱和直流柜匯流后輸入到逆變器，線路多、分布廣，易出現(xiàn)絕緣不良的問題。一旦出現(xiàn)兩點接地，將可能造成直流電源短路、設(shè)備燒毀等故障，甚至威脅到現(xiàn)場維護(hù)人員的人身安全。因此，光伏直流伏地系統(tǒng)使用絕緣監(jiān)測裝置來監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣情況，保證系統(tǒng)的安全運行。

1　絕緣監(jiān)測的方法

   目前，外絕緣檢測裝置采用的檢測方法主要有以下三種：

1) 交流注入法：向直流系統(tǒng)注入低頻交流信號，由裝設(shè)在各分支的電流互感器進(jìn)行信號檢測實現(xiàn)分支定位，但易受光伏直流分布電容大的干擾。

2) 綜合判據(jù)法：一種人為投入檢測電阻來拉偏正負(fù)母線對地電壓的方法，但不斷地接入單側(cè)探測接地電阻，會導(dǎo)致正負(fù)母線對地電壓不斷變化，波動很大。

3) 電橋平衡法：無需注入交流信號，正負(fù)母線對地電壓波動小，但不能檢測正負(fù)母線絕緣電阻同時等值下降的狀態(tài)，且無法實現(xiàn)故障分支定位。

本文設(shè)計了一種基于電橋平衡原理改進(jìn)型方法的絕緣監(jiān)測裝置，配合直流漏電流傳感器能夠?qū)崟r快速定位故障支路，無需注入交流信號，克服了不能檢測等值絕緣下降的問題。

2　絕緣監(jiān)測原理及步驟

   電橋平衡改進(jìn)型監(jiān)測絕緣方法的基本原理為：通過兩次投入平衡電阻來測量正負(fù)母線對地絕緣電阻以及支路絕緣電阻，當(dāng)出現(xiàn)正負(fù)母線對地同時等值絕緣下降時，正負(fù)母線對地投入非等值電阻進(jìn)行檢測。母線、支路絕緣監(jiān)測等效電路如圖1、圖2所示，U+、U-分別為直流正負(fù)母線對地電壓，RX+、RX-為支路上的正負(fù)對地絕緣電阻（x為自然數(shù)），R+、R-為正負(fù)母線對地絕緣電阻，R+為各支路正對地絕緣電阻的并聯(lián)值（R+= R1+// R2+// R3+//……// RX+），R-各支路負(fù)對地絕緣電阻的并聯(lián)值（R-= R1-// R2-// R3-//……// RX-），R為平衡電阻，K1、K2、K3、K4為控制平衡電橋投入的繼電器，I為直流漏電流傳感器測量值。

圖1 母線絕緣監(jiān)測等效電路圖              2支路絕緣電阻監(jiān)測等效電路

   具體絕緣監(jiān)測步驟如下：

1) 將K1、K2、K3、K4均閉合，此時正負(fù)母線對地分別投入平衡電阻1R，測得正負(fù)母線對地電壓分別記為U1+、U1-，傳感器測得漏電流記為I1，由此可列出如下方程組：

1   

2   

2) 將K1、K2閉合，K3、K4斷開，此時正負(fù)母線對地分別投入平衡電阻2R，測得正負(fù)母線對地電壓分別記為U2+、U2-，傳感器測得漏電流記為I2，由此可列出如下方程組：

3   

4   

   聯(lián)立1.3兩式可以計算出正負(fù)母線對地絕緣電阻R+和R-，

   聯(lián)立2.4兩式可以計算出正負(fù)支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3) 當(dāng)U1+和U1-等值時，將K1、K2、K4閉合，K3斷開，此時母線正對地投入電阻2R，母線負(fù)對地投入電阻1R，測得正負(fù)母線對地電壓分別記為U3+、U3-，傳感器測得漏電流記為I3，由此可列出如下方程：

5   

6   

   聯(lián)立35兩式可以計算出正負(fù)母線對地絕緣電阻R+和R-，

   聯(lián)立46兩式可以計算出正負(fù)支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3　光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設(shè)計

3.1功能結(jié)構(gòu)

   光伏直流絕緣監(jiān)測裝置功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。開關(guān)電源給監(jiān)測裝置供電；MCU通過控制平衡電橋的投切采集母線和支路的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)平衡電橋改進(jìn)型方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計算得到實際絕緣阻值；按鍵及數(shù)碼管顯示實現(xiàn)就地數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)配置；RS485接口實現(xiàn)后臺實時數(shù)據(jù)監(jiān)測；繼電器輸出實現(xiàn)報警功能。

圖3 功能結(jié)構(gòu)框圖

3.2母線絕緣監(jiān)測

母線絕緣監(jiān)測電路如圖4所示。MCU控制電子開關(guān)K1~K4 投入平衡電橋，不同狀態(tài)下進(jìn)行母線電壓的線性光耦隔離采樣，采樣數(shù)據(jù)輸入到MCU內(nèi)部ADC通道進(jìn)行計算處理，得出實際直流母線絕緣電阻值并給出相應(yīng)報警。

圖4 母線絕緣監(jiān)測電路

3.3 支路絕緣監(jiān)測

   當(dāng)母線絕緣不良時進(jìn)行支路絕緣巡檢，同時可進(jìn)行16條匯流支路絕緣監(jiān)測。支路絕緣監(jiān)測電路如圖5所示。光伏匯流箱輸出匯流到直流母線，直流漏電流傳感器采集匯流箱傳輸線路的漏電流，采集數(shù)據(jù)通過多路開關(guān)4051輸入到MCU內(nèi)部ADC，經(jīng)公式運算可得絕緣不良支路阻值及其接地性。

圖5 支路絕緣監(jiān)測電路

3.4 軟件設(shè)計

   設(shè)計平臺為一款基于ARM核心的帶128K字節(jié)閃存、20K字節(jié)SRAM的32位微控制器STM32F103R8T6。操作按鍵可切換顯示母線電壓、母線絕緣電阻、支路漏電流和支路絕緣電阻，也可以進(jìn)行參數(shù)配置。當(dāng)絕緣電阻R>100k時，顯示999.9k表示為絕緣良好。光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流母線會耦合來自逆變器輸出側(cè)的交流諧波，對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成干擾誤差，故除硬件上采用了低通濾波電路外，軟件內(nèi)部還進(jìn)行了二階巴特沃茲低通濾波處理，保證直流母線電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。匯流支路發(fā)生對地短路時，該匯流支路產(chǎn)生大電流會造成直流漏電流傳感器零點漂移，易出現(xiàn)漏報或者誤報的情況。軟件具備一鍵零點校準(zhǔn)功能，針對16路直流漏電流傳感器進(jìn)行零點漂移矯正。

4　測試數(shù)據(jù)

模擬光伏直流浮地系統(tǒng)實際運行中可能出現(xiàn)的各種情況，母線電壓由標(biāo)準(zhǔn)直流源提供，在直流母線和大地間接入測試電阻，檢測母線和#1支路的絕緣電阻，判斷絕緣電阻測量精度是否可靠以及支路故障能否快速定位。母線及#1支路絕緣測試數(shù)據(jù)見表１、表2。響應(yīng)時間如圖6所示。

表1 母線絕緣測試數(shù)據(jù)

表21#支路絕緣測試數(shù)據(jù)

圖6 響應(yīng)時間

   由以上圖表數(shù)據(jù)可知，該裝置能在各狀態(tài)下對直流母線和支路對地絕緣電阻的測量，快速定位故障支路及接地性，能夠直觀反映光伏直流浮地系統(tǒng)對地的絕緣狀況。

5　結(jié)束

   采用本方法設(shè)計的光伏直流絕緣監(jiān)測裝置配合直流漏電流傳感器實現(xiàn)了直流母線和支路對地絕緣電阻的準(zhǔn)確測量和故障支路快速定位。現(xiàn)場運行維護(hù)人員通過就地數(shù)據(jù)顯示以及RS485通訊功能實時掌握光伏直流系統(tǒng)的絕緣情況，保證了系統(tǒng)的安全運行。

文章來源：《自動化應(yīng)用》2016年第9期。

參考文獻(xiàn)：

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   [2] 余繼軍,李昌禧. 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置研究. 華中理工大學(xué)學(xué)報,Vol.28,No.8,pp18-20, 2000.

   [3]劉君懷,陳怡歡. 直流絕緣監(jiān)測的應(yīng)用與發(fā)展. 高壓電器,2000,36(6).

   [4]蘇義鑫,劉林偉. 平衡電阻法監(jiān)測直流系統(tǒng)絕緣. 電力系統(tǒng)自動化,Vol.27,4,July 25, 2003.

   [5]肖登明. 電力設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷[M]. 上海交通大學(xué)出版社,2005.

作者簡介：

   張明（1989-），男，研發(fā)工程師，主要研究方向光伏發(fā)電產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā);

   包林杰（1982-），男，研發(fā)工程師，主要研究方向直流系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā);

   蔡磊（1977-），男，研發(fā)工程師，研究領(lǐng)域為光伏新能源產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)。