光伏电站直流配电柜绝缘监测系统设计

深圳金宏威技术股份有限公司 ■ 李仲卿 翦志强 曹红喜

0 引言

太阳能光伏发电行业中，一般采取中性点不接地的IT系统接线方式，将直流侧1 kV的直流电通过专用光伏逆变器输出与电网同相同频的AC交流电。直流输入侧有时会因电缆老化、不规范接线、维护不当等原因发生一点接地故障。据IT不接地系统的特性，如果一点接地故障不能及时发现及处理，当直流侧出现两点同时接地时，就会发生直流电源侧短路，而此类故障对逆变系统的影响，轻则发生停机减少发电量，重则损坏系统设备并极易引起人身事故和电气火灾。因此，根据IEC标准，太阳能光伏逆变系统必须使用可靠有效的绝缘监测装置来监测系统的正常运行和提高运维的效率。

1 光伏发电系统绝缘监测的现状

目前国内某些光伏发电项目为了节约投资成本，追求短期经济效益，在光伏系统直流配电柜的电气设计中省去绝缘监测装置。但在实际运行中光伏系统直流侧绝缘故障无法及时发现和定位，而且没有一套完善的接地故障预警机制，只有故障发展到极端情况(起火、设备异常、发生人身安全事故)时才被发现和重视，这时重大经济损失已经无法挽回。如图1和图2所示，汇流箱测控模块的故障导致系统绝缘故障，由于人工故障排查周期长，导致长时间发电停机，并有触电的潜在危险。

图1 由于电源进线压敏电阻失效导致过流烧毁

图2 汇流排过热起火后直接与机壳接触

此外，工程现场反映最多的是汇流箱测控模块与后台通讯故障，测控模块485通讯接口器件烧毁现象较为多见。原因是485屏蔽双绞线与高压直流线缆未分开布线，高低压线路用同一线槽走线，由于施工不规范等原因导致电缆外皮被砂石划破，使高压线缆与485电缆发生电阻性互联，485信号线长期高共模电压运行，保护器件处于导通状态，间接使光伏电池的正极或负极与地连接，导致绝缘故障的发生。

2 系统的拓扑结构

如图3所示，光伏绝缘监测系统分远程监控、网络通讯、现场设备3层设计。现场设备层由绝缘监测装置、母线电压隔离采集单元、支路漏电流传感器及光伏发电系统总监控组成。每组电池方阵设置一个数字漏电流传感器，实时监测各方阵漏电流；绝缘监测装置通过电流环采集各电池方阵漏电流数据，通过485总线获取母线电压隔离采集单元检测的母线对地电压，利用平衡桥模式判断母线对地的绝缘状况；通过对支路漏电流的巡检完成接地故障的选线定位，还可测量母线对地电容、交流窜电电压等参数。系统总监控单元通过现场总线获取绝缘监测装置一系列绝缘数据，利用嵌入式数据库实现现场数据的管理与分析，可提供现场原始数据和报表的导出、历史趋势曲线的动态显示、声光告警等。

图3 光伏绝缘监测系统拓扑架构

后台软件采用基于AJAX的B/S架构设计，通过SDH光纤环网获取现场总监控的实时数据，利用网络通讯层组件进行Web发布，供远程监控终端、厂站监控中心查询。后台设计有专门的安全控制策略对各个远程监控终端进行分级权限管理，通过工作流控制、操作密码控制、多方监督机制实现远方对现场绝缘监测系统的安全操控。

3 关键技术及系统原理

3.1 漏电流检测及误差消除方法

系统采用数字漏电流传感器[1]作为支路漏电流检测，如图4所示。该传感器采用标准电压源周期性，通过线圈对与其串接的电容进行正反向充电，利用两次激励二阶电路零状态响应的电容电压上升时间差与穿过线圈漏电流大小成比例关系，计算出漏电流大小。与传统霍尔CT相比，具有更强的抗干扰性和稳定性。

图4 漏电流传感器原理示意图

由于漏电流传感器铁芯受到环境温度、空间电磁干扰、逆变器传导过来的高频尖峰骚扰电压影响，导致CT零点产生漂移[2]。零点漂移产生的测量误差很难从CT本身软硬件优化来消除。CT测量值在量程内表现为：

式中，Ixm为测量值；Ixr为实际值；Ixoffs为偏移值。

下文对某条支路发生正极接地故障来分析如何将Ixoffs消除。如图5所示，R为绝缘检测装置的平衡桥电阻；Rj为正桥臂可变的检测桥电阻；Rx为正极绝缘电阻；Ix为该支路的漏电流。正母线对地电压为U+，假设检测到的漏电流为：

图5 支路接地等效电路图

因此，在计算支路接地电阻时，由于CT的漂移，不能简单按U+与Ix的比值计算Rx。为此，引入可变检测桥的概念，如图6所示，检测桥Rj与正母线对地电压U+的非线性关系。当Rx越大，U+变化幅度越大。图7显示的是检测桥Rj与支路漏电流Ix的非线性关系。当Rx越大，Ix变化幅度越小。根据欧姆定律，如图8所示，Rx是直线U+(Ix)的斜率。

图6 正检测桥电阻与正母线对地电压的关系

图7 正检测桥电阻与漏电流的关系

图8 漏电流与正母线对地电压的关系

所以：

当改变检测桥电阻Rj时，得出两组U+、Ix，即：U+1、Ix1；U+2、Ix2，于是：

式中，Ixr1、Ixr2为两次电流测试对应的真实值。可见用连续两次改变检测桥电阻获取两组U+、Ix数据，其差值比值得出的接地电阻Rx不受漏电流传感器漂移的影响。

3.2 平衡桥电阻的选择及反故障措施

光伏并网发电专用逆变器技术条件[3]明确要求，逆变器最大功率≤30 kVA时，接入点往前的对地绝缘阻值不小于500 kΩ。为了在母线单端高阻接地时，母线偏移电压尽量少，需减少平衡桥电阻阻值[4]，如图9所示，平衡桥电阻越小，高阻接地时母线电压偏移量越少。接地电阻接近告警点(120 kΩ)时，为控制母线电压的偏移不超过30%，选择平衡桥电阻为100 kΩ是合理的。

图9 母线单边高阻接地时平衡桥电阻-母线电压偏移

由于平衡桥电阻长期在高电压下工作，通过以下措施防止其损坏，并达到无人干预可自修复的目的：

1) 提高平衡桥电阻的功率，采用35 W厚膜电阻器；

2) 通过监测平衡桥电阻电流来检测其故障；

3) 采用备用平衡桥电阻，一旦故障发生，退出故障桥臂，投入备用桥臂。

3.3 多功能线性检测桥

3.3.1 可控线性检测桥[5]

与传统绝缘监测装置采用固定电阻检测桥不同的是：本装置采用一组对称的电压控制电流源作为线性可变的检测桥电阻，可实现1 kΩ以上电阻的线性调节。在支路接地故障巡检时，调整Ij+或Ij-，改变正(负)母线对地电压，通过式(5)计算出支路接地电阻。

3.3.2 母线对地电容检测[6]

直流母线对地电容太大会导致空开误动[7]，如果在单路负载接有较大电容时，直流系统运行中遭到突波，由于对地电容较大而形成瞬间突变冲击电容电流还会通过保护开关，当保护空气开关过流定值选得过低时，此脉冲电容大电流足以使空气开关的过流元件动作[8]，所以有必要对母线对地电容进行监测。利用控制线性桥臂的恒流源电流，通过母线电压波动大小，以及时间和电容的关系计算出母线电容大小，如图10所示。已知电容C1上的电压减小Δu，所用时间为Δt，对电路应用KCL定律可得：

图10 可控线性检测桥、母线电容检测原理

3.3.3 母线电压偏移线性补偿桥

系统发生高阻接地会产生较大母线电压偏移，接地电阻越接近告警值母线电压偏移越大，如图9所示，当告警未发出，系统将会在较大偏移电压下运行。其危害为：使汇流箱的自供电电源模块防雷组件承受较大共模电压，如图11所示。当压敏电阻MOV2或MOV3失效，将使放电管GDT长期处于放电状态，只有出现PCB烧毁才能发现，图1所示的故障为该类型故障。

图11 汇流箱自供电模块防雷设计

当发现系统出现较大母线电压偏移，且接地故障未得到及时处理时，系统通过调节相应桥臂的线性补偿桥电阻来控制母线对地电压的平衡。

3.3.4 交流串入直流监测

交流串入直流也是一种严重绝缘故障类型，可能造成重大人身安全事故。装置通过一个1 μF 1 kV的聚酯薄膜电容隔直后采集直流母线上的交流分量，当交流量达到预设告警值时，发出交流窜电告警。

3.3.5 系统绝缘故障预警

绝缘监测系统提供海量存储接口，可对光伏发电系统各种绝缘相关数据曲线进行存储和管理，充当系统“无纸记录仪”功能。由于绝大多数情况下，绝缘故障不是即刻发生，系统绝缘电阻是一个缓慢变化的过程，通过母线绝缘电阻、支路绝缘电阻历史曲线的变化趋势来分析系统哪一部分设备或光伏方阵有绝缘下降的趋势，并及时发出告警信号，在绝缘故障发生前将其根除，防患于未然。

3.3.6 绝缘故障自动隔离

系统进行绝缘故障定位后，可通过遥控开关控制单元断开有严重绝缘故障并危及系统正常运行的支路，或绝缘故障长时间未得到有效处理的方阵，实现对故障区的自动隔离，记录整个动作的时间及对应数据，并向后台发出严重告警信号。

4 系统基本功能

光伏发电站直流配电柜绝缘监测系统利用现场绝缘监测设备、光伏总监控装置、通讯网络、后台监控软件实现如下系统功能：

1) 实时监视汇流母线电压及母线绝缘情况；

2) 开关量输入检测，配置馈线状态检测模块，可实现开关量输入检测功能；

3) 提供以下告警信号：绝缘异常、母线电压异常、绝缘趋势、故障隔离、设备故障等；

4) “无纸记录仪”功能：母线、支路绝缘电阻、母线对地电压等历史曲线；

5) 具备与上位监控系统通讯功能：设有RTU接口，可与上位计算机实现通讯连接，上传系统实时数据、故障告警信息等，可实现“遥测”“遥信”功能；

6) 实时检测各支路输入电流，计算组串总功率；

7) 实现绝缘告警及故障快速定位；

8) 总监控装置提供母线、支路绝缘电阻历史曲线查询功能，支持3年内历史数据追溯。

5 工程应用

作为中电投内蒙古磴口20 MWp光伏发电项目工程，在光伏直流防雷柜配置本公司光伏绝缘监测系统，每500 kW逆变器匹配1台直流防雷配电柜，共40面，总共280回支路，使用40台绝缘监测主机，40台总监控，并用280只漏电流传感器，同时监测280路馈线开关状态及支路电流，使用总监控对直流侧数据和绝缘数据进行本地管理、分析，厂站管理控制中心设置一台监控终端，详细数据信息使用大屏幕LCD显示。与监控后台数据中心共享服务器资源。该项目于2012年11月开始正常运行，并取得良好效果。

图12 总监控绝缘数据界面

6 总结

目前国内上马的光伏发电项目，由于成本原因，在系统设计时对光伏系统绝缘监测不够重视，使绝缘故障产生的经济损失屡屡发生，并且由于没有一套有效的监测设备，使故障排除周期长，并造成发电中断的重大经济损失。基于现状，本文提出一种专用于光伏发电系统的绝缘监测装置，功能涵盖光伏系统所有对于绝缘监测方面的需求，并在实践中得到应用，为用户切实解决运行中出现的绝缘故障，特别是施工时出现的电缆外皮损伤造成绝缘下降的现象，该系统准确做出告警和定位，为用户排解故障缩短了时间，从而降低系统运维成本。

[1] 金宏威技术股份有限公司. 数字绝缘监测传感器[P]. 中国:CN102788930B, 2014-08-06.

[2] 赵彩虹, 盛文利, 徐志勇, 等. 磁调制试直流系统绝缘检测装置的研制[J]. 东北电力学院学报, 2001, 21(4): 13－16 .

[3] 北京鉴衡认证中心. CGC/GF004:4011, 并网光伏发电专用逆变器技术条件[S].

[4] 赖日晶. 绝缘监测装置针对高阻接地的改进[J]. 电工技术,2010, 11: 56－60.

[5] 南寅, 王雪楠, 樊树根, 等. 能够防止一点接地导致继电保护误动的安全型直流绝缘监测系统[J]. 电力系统保护与控制,2014, 42(7): 134－139.

[6] 金宏威技术股份有限公司. 一种直流电源系统对地电容检测电路[P]. 中国: CN103926468A, 2014-07-16.

[7] 李秉宇, 陈晓光, 郝晓东. 直流系统绝缘监测装置对保护误动作的影响[J]. 电测与仪表, 2010, 47(536): 45－47.

[8] 李建芳, 陈书欣. 直流回路对地电容对系统安全的分析[J].电力自动化产品信息, 2010, 11.