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光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設計

更新時間：2017-07-06

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王俊鵬1 張明2 包林杰3 蔡磊2

（1.上海市滬閔建筑設計院有限公司上海 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、設備燒毀等故障，甚至威脅到現(xiàn)場維護人員的人身安全。因此，光伏直流伏地系統(tǒng)必須使用絕緣監(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，國內(nèi)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，由裝設在各分支的電流互感器進行信號檢測實現(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母線對地電壓的方法，但不斷地接入單側探測接地電阻，會導致正負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，正負母線對地電壓波動小，但不能檢測正負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。

本文設計了一種基于電橋平衡原理改進型方法的絕緣監(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母線對地絕緣電阻以及支路絕緣電阻，當出現(xiàn)正負母線對地同時等值絕緣下降時，正負母線對地投入非等值電阻進行檢測。母線、支路絕緣監(jiān)測等效電路如圖1、圖2所示，U+、U-分別為直流正負母線對地電壓，RX+、RX-為支路上的正負對地絕緣電阻（x為自然數(shù)），R+、R-為正負母線對地絕緣電阻，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，此時正負母線對地分別投入平衡電阻1R，測得正負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：

2) 將K1、K2閉合，K3、K4斷開，此時正負母線對地分別投入平衡電阻2R，測得正負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：

聯(lián)立1.3兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

聯(lián)立2.4兩式可以計算出正負支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3) 當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，母線負對地投入電阻1R，測得正負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：

聯(lián)立35兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

聯(lián)立46兩式可以計算出正負支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3　光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設計

3.1功能結構

光伏直流絕緣監(jiān)測裝置功能結構如圖3所示。開關電源給監(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數(shù)據(jù)，根據(jù)平衡電橋改進型方法進行數(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 功能結構框圖

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K1~K4 投入平衡電橋，不同狀態(tài)下進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通道進行計算處理，得出實際直流母線絕緣電阻值并給出相應報警。

圖4 母線絕緣監(jiān)測電路

3.3 支路絕緣監(jiān)測

當母線絕緣不良時進行支路絕緣巡檢，同時可進行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極性。

圖5 支路絕緣監(jiān)測電路

3.4 軟件設計

設計平臺為一款基于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，也可以進行參數(shù)配置。當絕緣電阻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的交流諧波，對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成干擾，故除硬件上采用了低通濾波電路外，軟件內(nèi)部還進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功能，針對16路直流漏電流傳感器進行零點漂移矯正。

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，母線電壓由標準直流源提供，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。響應時間如圖6所示。

表1 母線絕緣測試數(shù)據(jù)

單位KΩ	理論值R+	理論值R-	實測值R+	實測值R-
等值絕緣	50.0	50.0	49.2	49.2
非等值絕緣	33.3	50.0	32.5	48.1
非等值絕緣	100.0	33.3	96.1	47.6
單端絕緣	0.0	999.9	0	999.9
單端絕緣	999.9	50.0	999.9	50.3

表21#支路絕緣測試數(shù)據(jù)

單位KΩ	理論值R+	理論值R-	實測值R+	實測值R-
等值絕緣	50.0	50.0	49.2	50.3
非等值絕緣	33.3	50.0	32.5	51.2
非等值絕緣	100.0	33.3	96.1	32.6
單端絕緣	0.0	999.9	0	999.9
單端絕緣	999.9	50.0	999.9	50.4

圖6 響應時間

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極性，能夠直觀反映光伏直流浮地系統(tǒng)對地的絕緣狀況。

5　結束

采用本方法設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確測量和故障支路快速定位。現(xiàn)場運行維護人員通過就地數(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：《自動化應用》2016年第9期。

參考文獻：

[1]陳元平,李樹君,張玉奎. 絕緣監(jiān)測裝置在直流系統(tǒng)中的應用. 電力系統(tǒng)保護與控制,Vol.36, 5, Aug.1, 2008.

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

[3]劉君懷,陳怡歡. 直流絕緣監(jiān)測的應用與發(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. 電力設備在線監(jiān)測與故障診斷[M]. 上海交通大學出版社,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)品的設計與研發(fā);

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

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