光伏電站直流配電柜絕緣監測系統設計

深圳金宏威技術股份有限公司 ■ 李仲卿 翦志強 曹紅喜

0 引言

太陽能光伏發電行業中，一般采取中性點不接地的IT系統接線方式，將直流側1 kV的直流電通過專用光伏逆變器輸出與電網同相同頻的AC交流電。直流輸入側有時會因電纜老化、不規范接線、維護不當等原因發生一點接地故障。據IT不接地系統的特性，如果一點接地故障不能及時發現及處理，當直流側出現兩點同時接地時，就會發生直流電源側短路，而此類故障對逆變系統的影響，輕則發生停機減少發電量，重則損壞系統設備并極易引起人身事故和電氣火災。因此，根據IEC標準，太陽能光伏逆變系統必須使用可靠有效的絕緣監測裝置來監測系統的正常運行和提高運維的效率。

1 光伏發電系統絕緣監測的現狀

目前國內某些光伏發電項目為了節約投資成本，追求短期經濟效益，在光伏系統直流配電柜的電氣設計中省去絕緣監測裝置。但在實際運行中光伏系統直流側絕緣故障無法及時發現和定位，而且沒有一套完善的接地故障預警機制，只有故障發展到極端情況(起火、設備異常、發生人身安全事故)時才被發現和重視，這時重大經濟損失已經無法挽回。如圖1和圖2所示，匯流箱測控模塊的故障導致系統絕緣故障，由于人工故障排查周期長，導致長時間發電停機，并有觸電的潛在危險。

圖1 由于電源進線壓敏電阻失效導致過流燒毀

圖2 匯流排過熱起火后直接與機殼接觸

此外，工程現場反映最多的是匯流箱測控模塊與后臺通訊故障，測控模塊485通訊接口器件燒毀現象較為多見。原因是485屏蔽雙絞線與高壓直流線纜未分開布線，高低壓線路用同一線槽走線，由于施工不規范等原因導致電纜外皮被砂石劃破，使高壓線纜與485電纜發生電阻性互聯，485信號線長期高共模電壓運行，保護器件處于導通狀態，間接使光伏電池的正極或負極與地連接，導致絕緣故障的發生。

2 系統的拓撲結構

如圖3所示，光伏絕緣監測系統分遠程監控、網絡通訊、現場設備3層設計。現場設備層由絕緣監測裝置、母線電壓隔離采集單元、支路漏電流傳感器及光伏發電系統總監控組成。每組電池方陣設置一個數字漏電流傳感器，實時監測各方陣漏電流；絕緣監測裝置通過電流環采集各電池方陣漏電流數據，通過485總線獲取母線電壓隔離采集單元檢測的母線對地電壓，利用平衡橋模式判斷母線對地的絕緣狀況；通過對支路漏電流的巡檢完成接地故障的選線定位，還可測量母線對地電容、交流竄電電壓等參數。系統總監控單元通過現場總線獲取絕緣監測裝置一系列絕緣數據，利用嵌入式數據庫實現現場數據的管理與分析，可提供現場原始數據和報表的導出、歷史趨勢曲線的動態顯示、聲光告警等。

圖3 光伏絕緣監測系統拓撲架構

后臺軟件采用基于AJAX的B/S架構設計，通過SDH光纖環網獲取現場總監控的實時數據，利用網絡通訊層組件進行Web發布，供遠程監控終端、廠站監控中心查詢。后臺設計有專門的安全控制策略對各個遠程監控終端進行分級權限管理，通過工作流控制、操作密碼控制、多方監督機制實現遠方對現場絕緣監測系統的安全操控。

3 關鍵技術及系統原理

3.1 漏電流檢測及誤差消除方法

系統采用數字漏電流傳感器[1]作為支路漏電流檢測，如圖4所示。該傳感器采用標準電壓源周期性，通過線圈對與其串接的電容進行正反向充電，利用兩次激勵二階電路零狀態響應的電容電壓上升時間差與穿過線圈漏電流大小成比例關系，計算出漏電流大小。與傳統霍爾CT相比，具有更強的抗干擾性和穩定性。

圖4 漏電流傳感器原理示意圖

由于漏電流傳感器鐵芯受到環境溫度、空間電磁干擾、逆變器傳導過來的高頻尖峰騷擾電壓影響，導致CT零點產生漂移[2]。零點漂移產生的測量誤差很難從CT本身軟硬件優化來消除。CT測量值在量程內表現為：

式中，Ixm為測量值；Ixr為實際值；Ixoffs為偏移值。

下文對某條支路發生正極接地故障來分析如何將Ixoffs消除。如圖5所示，R為絕緣檢測裝置的平衡橋電阻；Rj為正橋臂可變的檢測橋電阻；Rx為正極絕緣電阻；Ix為該支路的漏電流。正母線對地電壓為U+，假設檢測到的漏電流為：

圖5 支路接地等效電路圖

因此，在計算支路接地電阻時，由于CT的漂移，不能簡單按U+與Ix的比值計算Rx。為此，引入可變檢測橋的概念，如圖6所示，檢測橋Rj與正母線對地電壓U+的非線性關系。當Rx越大，U+變化幅度越大。圖7顯示的是檢測橋Rj與支路漏電流Ix的非線性關系。當Rx越大，Ix變化幅度越小。根據歐姆定律，如圖8所示，Rx是直線U+(Ix)的斜率。

圖6 正檢測橋電阻與正母線對地電壓的關系

圖7 正檢測橋電阻與漏電流的關系

圖8 漏電流與正母線對地電壓的關系

所以：

當改變檢測橋電阻Rj時，得出兩組U+、Ix，即：U+1、Ix1；U+2、Ix2，于是：

式中，Ixr1、Ixr2為兩次電流測試對應的真實值。可見用連續兩次改變檢測橋電阻獲取兩組U+、Ix數據，其差值比值得出的接地電阻Rx不受漏電流傳感器漂移的影響。

3.2 平衡橋電阻的選擇及反故障措施

光伏并網發電專用逆變器技術條件[3]明確要求，逆變器最大功率≤30 kVA時，接入點往前的對地絕緣阻值不小于500 kΩ。為了在母線單端高阻接地時，母線偏移電壓盡量少，需減少平衡橋電阻阻值[4]，如圖9所示，平衡橋電阻越小，高阻接地時母線電壓偏移量越少。接地電阻接近告警點(120 kΩ)時，為控制母線電壓的偏移不超過30%，選擇平衡橋電阻為100 kΩ是合理的。

圖9 母線單邊高阻接地時平衡橋電阻-母線電壓偏移

由于平衡橋電阻長期在高電壓下工作，通過以下措施防止其損壞，并達到無人干預可自修復的目的：

1) 提高平衡橋電阻的功率，采用35 W厚膜電阻器；

2) 通過監測平衡橋電阻電流來檢測其故障；

3) 采用備用平衡橋電阻，一旦故障發生，退出故障橋臂，投入備用橋臂。

3.3 多功能線性檢測橋

3.3.1 可控線性檢測橋[5]

與傳統絕緣監測裝置采用固定電阻檢測橋不同的是：本裝置采用一組對稱的電壓控制電流源作為線性可變的檢測橋電阻，可實現1 kΩ以上電阻的線性調節。在支路接地故障巡檢時，調整Ij+或Ij-，改變正(負)母線對地電壓，通過式(5)計算出支路接地電阻。

3.3.2 母線對地電容檢測[6]

直流母線對地電容太大會導致空開誤動[7]，如果在單路負載接有較大電容時，直流系統運行中遭到突波，由于對地電容較大而形成瞬間突變沖擊電容電流還會通過保護開關，當保護空氣開關過流定值選得過低時，此脈沖電容大電流足以使空氣開關的過流元件動作[8]，所以有必要對母線對地電容進行監測。利用控制線性橋臂的恒流源電流，通過母線電壓波動大小，以及時間和電容的關系計算出母線電容大小，如圖10所示。已知電容C1上的電壓減小Δu，所用時間為Δt，對電路應用KCL定律可得：

圖10 可控線性檢測橋、母線電容檢測原理

3.3.3 母線電壓偏移線性補償橋

系統發生高阻接地會產生較大母線電壓偏移，接地電阻越接近告警值母線電壓偏移越大，如圖9所示，當告警未發出，系統將會在較大偏移電壓下運行。其危害為：使匯流箱的自供電電源模塊防雷組件承受較大共模電壓，如圖11所示。當壓敏電阻MOV2或MOV3失效，將使放電管GDT長期處于放電狀態，只有出現PCB燒毀才能發現，圖1所示的故障為該類型故障。

圖11 匯流箱自供電模塊防雷設計

當發現系統出現較大母線電壓偏移，且接地故障未得到及時處理時，系統通過調節相應橋臂的線性補償橋電阻來控制母線對地電壓的平衡。

3.3.4 交流串入直流監測

交流串入直流也是一種嚴重絕緣故障類型，可能造成重大人身安全事故。裝置通過一個1 μF 1 kV的聚酯薄膜電容隔直后采集直流母線上的交流分量，當交流量達到預設告警值時，發出交流竄電告警。

3.3.5 系統絕緣故障預警

絕緣監測系統提供海量存儲接口，可對光伏發電系統各種絕緣相關數據曲線進行存儲和管理，充當系統“無紙記錄儀”功能。由于絕大多數情況下，絕緣故障不是即刻發生，系統絕緣電阻是一個緩慢變化的過程，通過母線絕緣電阻、支路絕緣電阻歷史曲線的變化趨勢來分析系統哪一部分設備或光伏方陣有絕緣下降的趨勢，并及時發出告警信號，在絕緣故障發生前將其根除，防患于未然。

3.3.6 絕緣故障自動隔離

系統進行絕緣故障定位后，可通過遙控開關控制單元斷開有嚴重絕緣故障并危及系統正常運行的支路，或絕緣故障長時間未得到有效處理的方陣，實現對故障區的自動隔離，記錄整個動作的時間及對應數據，并向后臺發出嚴重告警信號。

4 系統基本功能

光伏發電站直流配電柜絕緣監測系統利用現場絕緣監測設備、光伏總監控裝置、通訊網絡、后臺監控軟件實現如下系統功能：

1) 實時監視匯流母線電壓及母線絕緣情況；

2) 開關量輸入檢測，配置饋線狀態檢測模塊，可實現開關量輸入檢測功能；

3) 提供以下告警信號：絕緣異常、母線電壓異常、絕緣趨勢、故障隔離、設備故障等；

4) “無紙記錄儀”功能：母線、支路絕緣電阻、母線對地電壓等歷史曲線；

5) 具備與上位監控系統通訊功能：設有RTU接口，可與上位計算機實現通訊連接，上傳系統實時數據、故障告警信息等，可實現“遙測”“遙信”功能；

6) 實時檢測各支路輸入電流，計算組串總功率；

7) 實現絕緣告警及故障快速定位；

8) 總監控裝置提供母線、支路絕緣電阻歷史曲線查詢功能，支持3年內歷史數據追溯。

5 工程應用

作為中電投內蒙古磴口20 MWp光伏發電項目工程，在光伏直流防雷柜配置本公司光伏絕緣監測系統，每500 kW逆變器匹配1臺直流防雷配電柜，共40面，總共280回支路，使用40臺絕緣監測主機，40臺總監控，并用280只漏電流傳感器，同時監測280路饋線開關狀態及支路電流，使用總監控對直流側數據和絕緣數據進行本地管理、分析，廠站管理控制中心設置一臺監控終端，詳細數據信息使用大屏幕LCD顯示。與監控后臺數據中心共享服務器資源。該項目于2012年11月開始正常運行，并取得良好效果。

圖12 總監控絕緣數據界面

6 總結

目前國內上馬的光伏發電項目，由于成本原因，在系統設計時對光伏系統絕緣監測不夠重視，使絕緣故障產生的經濟損失屢屢發生，并且由于沒有一套有效的監測設備，使故障排除周期長，并造成發電中斷的重大經濟損失。基于現狀，本文提出一種專用于光伏發電系統的絕緣監測裝置，功能涵蓋光伏系統所有對于絕緣監測方面的需求，并在實踐中得到應用，為用戶切實解決運行中出現的絕緣故障，特別是施工時出現的電纜外皮損傷造成絕緣下降的現象，該系統準確做出告警和定位，為用戶排解故障縮短了時間，從而降低系統運維成本。

[1] 金宏威技術股份有限公司. 數字絕緣監測傳感器[P]. 中國:CN102788930B, 2014-08-06.

[2] 趙彩虹, 盛文利, 徐志勇, 等. 磁調制試直流系統絕緣檢測裝置的研制[J]. 東北電力學院學報, 2001, 21(4): 13－16 .

[3] 北京鑒衡認證中心. CGC/GF004:4011, 并網光伏發電專用逆變器技術條件[S].

[4] 賴日晶. 絕緣監測裝置針對高阻接地的改進[J]. 電工技術,2010, 11: 56－60.

[5] 南寅, 王雪楠, 樊樹根, 等. 能夠防止一點接地導致繼電保護誤動的安全型直流絕緣監測系統[J]. 電力系統保護與控制,2014, 42(7): 134－139.

[6] 金宏威技術股份有限公司. 一種直流電源系統對地電容檢測電路[P]. 中國: CN103926468A, 2014-07-16.

[7] 李秉宇, 陳曉光, 郝曉東. 直流系統絕緣監測裝置對保護誤動作的影響[J]. 電測與儀表, 2010, 47(536): 45－47.

[8] 李建芳, 陳書欣. 直流回路對地電容對系統安全的分析[J].電力自動化產品信息, 2010, 11.