光伏直流絕緣監測裝置的設計

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有限公司 上海. 201801）

   摘要：闡述光伏直流絕緣監測裝置在光伏直流浮地系統中的重要性，分析現有絕緣監測方法的優缺點，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，保障系統的安全運行。

   關鍵詞：光伏直流；絕緣監測；電橋平衡；漏電流傳感器

0　引言

   光伏直流浮地系統中，電池組件經匯流箱和直流柜匯流后輸入到逆變器，線路多、分布廣，易出現絕緣不良的問題。一旦出現兩點接地，將可能造成直流電源短路、設備燒毀等故障，甚至威脅到現場維護人員的人身安全。因此，光伏直流伏地系統使用絕緣監測裝置來監測系統的絕緣情況，保證系統的安全運行。

1　絕緣監測的方法

   目前，國內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分支定位，但易受光伏直流分布電容大的干擾。

2) 綜合判據法：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，且無法實現故障分支定位。

本文設計了一種基于電橋平衡原理改進型方法的絕緣監測裝置，配合直流漏電流傳感器能夠實時快速定位故障支路，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　絕緣監測原理及步驟

   電橋平衡改進型監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），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值（R+= R1+// R2+// R3+//……// RX+），R-各支路負對地絕緣電阻的并聯值（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 母線絕緣監測等效電路圖              2支路絕緣電阻監測等效電路

   具體絕緣監測步驟如下：

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：

1   

2   

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：

3   

4   

   聯立1.3兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

   聯立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：

5   

6   

   聯立35兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

   聯立46兩式可以計算出正負支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3　光伏直流絕緣監測裝置的設計

3.1功能結構

   光伏直流絕緣監測裝置功能結構如圖3所示。開關電源給監測裝置供電；MCU通過控制平衡電橋的投切采集母線和支路的相關數據，根據平衡電橋改進型方法進行數據計算得到實際絕緣阻值；按鍵及數碼管顯示實現就地數據顯示及參數配置；RS485接口實現后臺實時數據監測；繼電器輸出實現報警功能。

圖3 功能結構框圖

3.2母線絕緣監測

母線絕緣監測電路如圖4所示。MCU控制電子開關K1~K4 投入平衡電橋，不同狀態下進行母線電壓的線性光耦隔離采樣，采樣數據輸入到MCU內部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 母線絕緣監測電路

3.3 支路絕緣監測

   當母線絕緣不良時進行支路絕緣巡檢，同時可進行16條匯流支路絕緣監測。支路絕緣監測電路如圖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，采集數據通過多路開關4051輸入到MCU內部ADC，經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字節閃存、20K字節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，也可以進行參數配置。當絕緣電阻R>100k時，顯示999.9k表示為絕緣良好。光伏發電系統中直流母線會耦合來自逆變器輸出側的交流諧波，對監測數據造成干擾誤差，故除硬件上采用了低通濾波電路外，軟件內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據的準確性。匯流支路發生對地短路時，該匯流支路產生大電流會造成直流漏電流傳感器零點漂移，易出現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　測試數據

模擬光伏直流浮地系統實際運行中可能出現的各種情況，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支路絕緣測試數據見表１、表2。響應時間如圖6所示。

表1 母線絕緣測試數據

表21#支路絕緣測試數據

圖6 響應時間

   由以上圖表數據可知，該裝置能在各狀態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測裝置配合直流漏電流傳感器實現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。現場運行維護人員通過就地數據顯示以及RS485通訊功能實時掌握光伏直流系統的絕緣情況，保證了系統的安全運行。

文章來源：《自動化應用》2016年第9期。

參考文獻：

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

   [5]肖登明. 電力設備在線監測與故障診斷[M]. 上海交通大學出版社,2005.

作者簡介：

   張明（1989-），男，研發工程師，主要研究方向光伏發電產品的設計與研發;

   包林杰（1982-），男，研發工程師，主要研究方向直流系統產品的設計與研發;

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