光伏逆變器殘余漏電流與方陣絕緣阻抗的檢測研究

陳信勇，賴崢

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

前言

工業和科技的高速發展引發日益嚴重的環境問題備受關注，世界各國積極研究新能源的使用技術和拓展新能源的應用領域。我國也大力倡導綠色可持續發展。太陽能作為新能源中重要的可再生資源之一，成本低，可靠性強，擁有廣闊的應用前景。設計安全的光伏應用系統，成為目前光伏新能源應用科技研發的基礎要求。

光伏逆變器并網性能與電氣安全檢測的項目多達50多個，其中包括過欠壓保護，過欠頻保護，防孤島效應等是光伏逆變器并網性能的重要指標，方陣殘余漏電流與方陣絕緣阻抗作為光伏逆變器的的重要電氣安全指標，其對防止人員的接觸觸電與相關技術員對漏電流傳感器的選型具有重要意義，對其的測試要求和設計的研究成為檢測人員關注的重點。

本文針對功能接地陣列非隔離小功率光伏逆變器提出了殘余漏電流與絕緣阻抗檢測的分析，從原理上分析測試設備影響。對于漏電流傳感器的選型和方陣絕緣的阻抗，從標準上詮釋方陣絕緣阻抗對于非隔離逆變器測試漏電流時的影響。

1 殘余漏電流

1.1 關于殘余漏電流

共模漏電流主要來源于光伏發電系統對地的寄生電容產生的諧振電路，對于人員安全有比較大的隱患。光伏逆變器PV端子與大地之間由于共模電壓的存在而具有寄生電容，當逆變器通電運行時，共模電壓使PV-逆變器-電網-大地形成回路，從而產生漏電流。如圖1所示。

圖1 光伏逆變器方陣殘余漏電流原理圖

光伏單相全橋逆變電路中，分布電容C4的大小與光伏板的材料與當地環境具有很強的關系，在電路中橋臂由于共模也會與大地產生寄生電容C2，C3，也會產生漏電流且電網也會產生漏電流。所以漏電流應該具有交直流分量，在測試中，需要具有AC+DC檔位的電流表或者示波器來測量。如圖2所示。

圖2 光伏單相全橋逆變電路殘余漏電流

1.2 漏電流傳感器選型的分析

漏電流傳感器用于在設備絕緣失效情況下提供保護，是設備自身保護措施的一種補償。

按照漏電電流含有的直流分量特性進行分類，漏電流傳感器可分為AC型漏電流傳感器、A型漏電流傳感器和B型漏電流傳感器。

AC型漏電傳感器對交流型漏電流敏感，用于檢測交流型的漏電流。A型漏電傳感器的功能除了檢測交流型的漏電流外，也能檢測脈動型漏電流。依據IEC 61008-1 and IEC 61009-1，A性漏電傳感器可以承受6 mA的平滑直流電流。B型漏電傳感器的漏電流檢測范圍更廣，適用于交流電流、脈動直流電流、平滑直流電流等。對漏電傳感器的選型要求，IEC 62109-1附件E給出了指導。

對于大于16 A或固定布線的并網光伏逆變器，且逆變器未采取其他方法抑制在正常或者故障條件下產生的直流分量，A型和AC型漏電傳感器不能滿足要求，僅B型漏電流傳感器在漏電流檢測范圍和漏電流類型可以滿足要求。

如果逆變器帶有獨立認證的RCD保護裝置，且保護裝置設置值為30 mA，或者不帶獨立認證的RCD保住裝置，但其說明書中規定逆變器必須外接RCD并且規定RCD類型，則無需測試殘余漏電流。對于隔離逆變器，如果危險漏電流小于30 mA，著火漏電流小于300 mA（額定輸出小于30 kVA)，10 mA/kVA（額定輸出大于30 kVA逆變器），則可以不用增加RCD/RCM保護裝置。

1.3 相關標準與檢測方法

根據IEC 62109-2的關于殘余漏電流的要求，對于不接地陣列的非隔離光伏逆變器將進行如下兩種測試：①連續殘余漏電流：如果連續殘余漏電流超過以下標準，逆變器將在0.3 s內關斷并發送故障信號：300 mA，當逆變器持續輸出功率≤30 kVA。10 mA /kVA的持續額定輸出，當逆變器持續輸出功率>30 kVA。②突變殘余漏電流：逆變器突變殘余漏電流如果超過如表1值，應該在所規定的時間內報故障并斷開電網。

表1 突變電流響應時間

1.3.1 非隔離逆變器殘余漏電流的測試

殘余漏電流測試電路如圖3，在光伏輸入端加入開關和可調變阻器。

以PV-端的殘余漏電流測試為例，如圖3殘余漏電流的測試原理圖。按照測試要求，必須能夠準確測出逆變器斷開電網所需要的時間，因此需要采用能夠準確采集到S2的開關信號的設備。在實際測試時，采用示波器進行開關信號補抓是比較精確和方便，直接檢測圖中電流表位置或B點位置的電流降為0的時間與并入電網的L或N端的電流時間，計算時差是否滿足標準要求。

在實際操作時，由于電流探頭的長度限制，測試電流無法準確獲得斷開時間。可以采用外接蓄電池檢測斷開瞬間的電壓替代電流突變為0的時間。如圖4蓄電池的簡圖，使圖3中的C點與D1相連，D2與示波器電壓探頭負極相連，圖3中B端與示波器電壓探頭正極相連，用于檢測S2斷開瞬間的電壓變化。示波器采集電池的電壓信號，以此來實現一個開關信號的采集。在并網端連接交流電源端L或N處，如A，采用交流電流探頭檢測并網情況。

圖4 蓄電池簡圖

殘余漏電流測試方法如下：

1）根據圖3和上述并入蓄電池的方法連接好測試線路圖，閉合S1，調節R1,直到逆變器保護，記錄此時的殘余漏電流值。

2）斷開S1，再次啟動逆變器，閉合S2，調節R1到1）所記錄的殘余漏電流值減去10 mA。

3）斷開S1，閉合S2，調節R2的值到20 mA。

4）斷開S2，閉合S1，閉合S2，記錄逆變器的保護時間。5）重復測試5次，限值0.3 s。

測試得到的波形如圖5。

圖5 連續殘余漏電流

1.3.2 突變殘余漏電流測試

突變殘余漏電流測試連接方式也參考圖3檢測的漏電流和并網端電流。

同樣，采用圖3、蓄電池和示波器連接方法測試步驟如下：

圖3 殘余漏電流測試原理圖

1）連接好測試線路圖，閉合S3，調節可調電容箱，直到逆變器保護，記錄此時的殘余漏電流值。

2）斷開S3，再次啟動逆變器，閉合S3，調節可調電容箱直到1所記錄的值減去1.5倍突變殘余電流的值（30 mA，60 mA，150 mA）。

3） 斷開S3，閉合S2,調節R2，使得阻性電流值達到所要求的電流值（30 mA，60 mA，150 mA）。

4）啟動逆變器，先接入可調電容箱,再接入R2，記錄逆變器保護時間。

5）重復測試5次，限值如表1。

交流輸出端電流波形、采集的蓄電池開關信號值如圖6所示。

圖6 變殘余漏電流測試結果

在測試過程中，應該注意交流端的地線是否為虛地，交流源（電網）的N線與地線在正常情況下，電勢差應該為1V左右，如出現太大偏差，那么作為參考電平的N線應該是有問題的，測試將出現電壓跑偏現象，具體表現為測試PV+地時，電壓跑偏到PV-對地，測試PV-對地時，電壓跑偏到PV+對地。所以在測試過程中應首先確定N線與地線的電勢差。注意，原理圖中所用的電流表應該為可以同時檢測出AC+DC檔的萬用表（殘余漏電流是交直流）。使用AC+DC檔的萬用表測試值如圖7（a）與DC檔的萬用表測試如圖7（b）所測的漏電流值有較大差異，影響測試準確度。

圖7 萬用表測試值

2 方陣絕緣阻抗

2.1 關于不接地陣列方陣絕緣阻抗

方陣絕緣阻抗保護是保證逆變器的直流電阻不會過低造成安全隱患，其作用是通過電路檢測保證流過PV端到地的直流電阻的漏電流超過如表1所示漏電流的值，逆變器將會保護，對于不接地陣列逆變器從PV到地設計的電阻值不能低于R=Vmaxpv/漏電流值，由于30 mA，60 mA，150 mA為突變漏電流值，30 mA為最小值，所以R不得小于Vmaxpv/30 mA。

2.2 相關檢測標準與方法

IEC 62109-2標準規定將小于限定值90 %的測試電阻接入PV到地中，逆變器應做出相關動作，這里的測試電阻為0.9*（Vmax/30 mA）。在測試中將R=0.9*（Vmax/30 mA）的電阻Rt分別接入PV+與PV-到地之間，觀察逆變器是否報故障。如果阻抗小于此限值R，對于隔離逆變器，顯示一個故障直至阻抗恢復到該限值以上；對于非隔離逆變器或隔離逆變器且防火災傷害類的殘余電流測試結果不滿足要求的，顯示一個故障且不并網。如圖8所示。

圖8 測試簡圖

在逆變電路與主電路非隔離時，因絕緣阻抗保護功能光伏陣列與地之間有聯系，應考慮絕緣阻抗保護功能的影響。

依據標準IEC 62109-2的4.8.3.3中對隔離逆變器的防火災傷害類的殘余電流測試要求，可以失效絕緣阻抗進行測試。因此，測試人員應注意區分逆變器的隔離情況，再判定是否能夠通過失效方陣絕緣阻抗后再進行殘余電流的測試。而不是在殘余電流測試不合格時直接失效方陣絕緣以達到殘余電流符合標準要求。

3 減小漏電流的方法

在逆變器變流器的檢測中，殘余漏電流檢測是必不可少的項目，但是，無論是殘余漏電流檢測還是方陣絕緣阻抗檢測，都是為了將漏電流對使用者的傷害降低到最小。

通過如上所述漏電流產生的原因，可以得出減小漏電流的方式：①通過開發研究新的電路導電材料來減小寄生電容可以有效遏制漏電流；②對于IGBT晶體管輸出控制的調整也可以實現減小漏電流。單極性調節方式只能使得輸出電壓在一個周期內輸出一個單極性電壓或者零電壓，可以產生共模電流；而雙極性調節方式在一個周期內的輸出電壓一直在一個極性電壓下，可以減小漏電流。解決漏電流的方式有很多，改良電路的拓撲結構，增加元器件濾波，都可以達到改善漏電流。

另外，為保證檢測的準確性，在檢測中應注意選用合適的檢測設備，得出正確的數據，對于非隔離型逆變器在測試殘余漏電流時應注意方陣絕緣阻抗功能的影響。

4 總結

本文主要是以功能接地陣列非隔離小功率光伏逆變器的殘余漏電流與絕緣阻抗的深入分析。漏電流是一種交直流分量共有的電流形式，注意選用可以同步測試交/直流的設備和B型漏電流傳感器。對于非隔離逆變器的殘余漏電流測試中，應考慮絕緣阻抗功能的影響。