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光伏直流絕緣監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

更新時(shí)間:2017-06-23 點(diǎn)擊次數(shù): 1445次

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)測方法的缺點(diǎn),同時(shí)提出了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。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。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)的運(yùn)行。

1 絕緣監(jiān)測的方法

   目前,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(shè)在各分支的電流互感器進(jìn)行信號檢測實(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: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(huì)導(dǎo)致正負(fù)母線對地電壓不斷變化,波動(dòng)很大。

3) 電橋平衡法:無需注入交流信號,正負(fù)母線對地電壓波動(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,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(shí)等值絕緣下降時(shí),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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí),將K1、K2、K4閉合,K3斷開,此時(shí)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(jì)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(jì)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(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。

 

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。

 

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。

 

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(shí),該匯流支路產(chǎn)生大電流會(huì)造成直流漏電流傳感器點(diǎn)漂移,易出現(xiàn)漏報(bào)或者誤報(bào)的情況。軟件具備鍵點(diǎn)校準(zhǔn)功能,針對16路直流漏電流傳感器進(jìn)行點(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)

單位KΩ

理論值R+

理論值R-

實(shí)測值R+

實(shí)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

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

 

表21#支路絕緣測試數(shù)據(jù)

單位KΩ

理論值R+

理論值R-

實(shí)測值R+

實(shí)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

100.0

33.3

 96.1

 32.6

單端絕緣

0.0

999.9

 0

 999.9

999.9

50.0

 999.9

 50.4

 

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(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地絕緣電阻的準(zhǔn)確測量和故障支路快速定位?,F(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)的運(yùn)行。

文章來源:《自動(dòng)化應(yīng)用》2016年第9期。

參考文獻(xiàn):

   [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(yīng)用. 電力系統(tǒng)保護(hù)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(xué)學(xué)報(bào),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(dòng)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(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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