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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(shè)計(jì)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(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)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(diǎn)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)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(yùn)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(hào)，由裝設(shè)在各分支的電流互感器進(jìn)行信號(hào)檢測實(shí)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(duì)地電壓的方法，但不斷地接入單側(cè)探測接地電阻，會(huì)導(dǎo)致正負(fù)母線對(duì)地電壓不斷變化，波動(dòng)很大。
3) 電橋平衡法：無需注入交流信號(hào)，正負(fù)母線對(duì)地電壓波動(dòng)小，但不能檢測正負(fù)母線絕緣電阻同時(shí)等值下降的狀態(tài)，且無法實(shí)現(xiàn)故障分支定位。
本文設(shè)計(jì)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(shí)快速定位故障支路，無需注入交流信號(hào)，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(duì)地絕緣電阻以及支路絕緣電阻，當(dāng)出現(xiàn)正負(fù)母線對(duì)地同時(shí)等值絕緣下降時(shí)，正負(fù)母線對(duì)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(duì)地電壓，RX+、RX-為支路上的正負(fù)對(duì)地絕緣電阻（x為自然數(shù)），R+、R-為正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻，R+為各支路正對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值（R+= R1+// R2+// R3+//……// RX+），R-各支路負(fù)對(duì)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。
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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(shí)正負(fù)母線對(duì)地分別投入平衡電阻1R，測得正負(fù)母線對(duì)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 )/alwz/common/upload/2017/06/09/111342sz.png)
 2 )/alwz/common/upload/2017/06/09/111358yn.png)
2) 將K1、K2閉合，K3、K4斷開，此時(shí)正負(fù)母線對(duì)地分別投入平衡電阻2R，測得正負(fù)母線對(duì)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：
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 4 )/alwz/common/upload/2017/06/09/1114293f.png)
聯(lián)立1.3兩式可以計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻R+和R-，
聯(lián)立2.4兩式可以計(jì)算出正負(fù)支路對(duì)地絕緣電阻Rx+和Rx-。
3) 當(dāng)U1+和U1-等值時(shí)，將K1、K2、K4閉合，K3斷開，此時(shí)母線正對(duì)地投入電阻2R，母線負(fù)對(duì)地投入電阻1R，測得正負(fù)母線對(duì)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：
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 6 )/alwz/common/upload/2017/06/09/111526sg.png)
聯(lián)立35兩式可以計(jì)算出正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻R+和R-，
聯(lián)立46兩式可以計(jì)算出正負(fù)支路對(duì)地絕緣電阻Rx+和Rx-。
3 光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)
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(jì)算得到實(shí)際絕緣阻值；按鍵及數(shù)碼管顯示實(shí)現(xiàn)就地?cái)?shù)據(jù)顯示及參數(shù)配置；RS485接口實(shí)現(xiàn)后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測；繼電器輸出實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
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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(jì)算處理，得出實(shí)際直流母線絕緣電阻值并給出相應(yīng)報(bào)警。
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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(shí)進(jìn)行支路絕緣巡檢，同時(shí)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(yùn)算可得絕緣不良支路阻值及其接地極性。
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圖5 支路絕緣監(jiān)測電路
3.4 軟件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)平臺(tái)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(shí)，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(huì)耦合來自逆變器輸出側(cè)的交流諧波，對(duì)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(duì)地短路時(shí)，該匯流支路產(chǎn)生大電流會(huì)造成直流漏電流傳感器零點(diǎn)漂移，易出現(xiàn)漏報(bào)或者誤報(bào)的情況。軟件具備一鍵零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，針對(duì)16路直流漏電流傳感器進(jìn)行零點(diǎn)漂移矯正。
4 測試數(shù)據(jù)
模擬光伏直流浮地系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(shí)間如圖6所示。
表1 母線絕緣測試數(shù)據(jù)
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單位KΩ
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理論值R+
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理論值R-
|
實(shí)測值R+
|
實(shí)測值R-
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等值絕緣
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50.0
|
50.0
|
49.2
|
49.2
|
|
非等值絕緣
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33.3
|
50.0
|
32.5
|
48.1
|
|
100.0
|
33.3
|
96.1
|
47.6
|
|
單端絕緣
|
0.0
|
999.9
|
0
|
999.9
|
|
999.9
|
50.0
|
999.9
|
50.3
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表21#支路絕緣測試數(shù)據(jù)
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單位KΩ
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理論值R+
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理論值R-
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實(shí)測值R+
|
實(shí)測值R-
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|
等值絕緣
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50.0
|
50.0
|
49.2
|
50.3
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非等值絕緣
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33.3
|
50.0
|
32.5
|
51.2
|
|
100.0
|
33.3
|
96.1
|
32.6
|
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單端絕緣
|
0.0
|
999.9
|
0
|
999.9
|
|
999.9
|
50.0
|
999.9
|
50.4
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圖6 響應(yīng)時(shí)間
由以上圖表數(shù)據(jù)可知，該裝置能在各狀態(tài)下對(duì)直流母線和支路對(duì)地絕緣電阻的精確測量，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(duì)地的絕緣狀況。
5 結(jié)束
采用本方法設(shè)計(jì)的光伏直流絕緣監(jiān)測裝置配合直流漏電流傳感器實(shí)現(xiàn)了直流母線和支路對(duì)地絕緣電阻的準(zhǔn)確測量和故障支路快速定位。現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員通過就地?cái)?shù)據(jù)顯示以及RS485通訊功能實(shí)時(shí)掌握光伏直流系統(tǒng)的絕緣情況，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
文章來源：《自動(dòng)化應(yīng)用》2016年第9期。
參考文獻(xiàn)：
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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(jì)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(jì)與研發(fā);
蔡磊（1977-），男，研發(fā)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楣夥履茉串a(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)。
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