光伏直流绝缘监测装置的设计

王俊鹏1  张明2  包林杰3  蔡磊2

（1.上海市沪闵建筑设计院有限公司 上海 201199）

（2.江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405）

（3.上海安科瑞电源管理系统有限公司 上海. 201801）

   摘要：阐述光伏直流绝缘监测装置在光伏直流浮地系统中的重要性，分析现有绝缘监测方法的优缺点，同时提出了一种基于电桥平衡原理的改进型方法，配合直流漏电流传感器能够检测母线及支路的绝缘状况，快速定位故障点，保障系统的安全运行。

   关键词：光伏直流；绝缘监测；电桥平衡；漏电流传感器

0　引言

   光伏直流浮地系统中，电池组件经汇流箱和直流柜汇流后输入到逆变器，线路多、分布广，易出现绝缘不良的问题。一旦出现两点接地，将可能造成直流电源短路、设备烧毁等故障，甚至威胁到现场维护人员的人身安全。因此，光伏直流伏地系统必须使用绝缘监测装置来监测系统的绝缘情况，保证系统的安全运行。

1　绝缘监测的方法

   目前，国内外绝缘检测装置采用的检测方法主要有以下三种：

1) 交流注入法：向直流系统注入低频交流信号，由装设在各分支的电流互感器进行信号检测实现分支定位，但易受光伏直流分布电容大的干扰。

2) 综合判据法：一种人为投入检测电阻来拉偏正负母线对地电压的方法，但不断地接入单侧探测接地电阻，会导致正负母线对地电压不断变化，波动很大。

3) 电桥平衡法：无需注入交流信号，正负母线对地电压波动小，但不能检测正负母线绝缘电阻同时等值下降的状态，且无法实现故障分支定位。

本文设计了一种基于电桥平衡原理改进型方法的绝缘监测装置，配合直流漏电流传感器能够实时快速定位故障支路，无需注入交流信号，克服了不能检测等值绝缘下降的问题。

2　绝缘监测原理及步骤

   电桥平衡改进型监测绝缘方法的基本原理为：通过两次投入平衡电阻来测量正负母线对地绝缘电阻以及支路绝缘电阻，当出现正负母线对地同时等值绝缘下降时，正负母线对地投入非等值电阻进行检测。母线、支路绝缘监测等效电路如图1、图2所示，U+、U-分别为直流正负母线对地电压，RX+、RX-为支路上的正负对地绝缘电阻（x为自然数），R+、R-为正负母线对地绝缘电阻，R+为各支路正对地绝缘电阻的并联值（R+= R1+// R2+// R3+//……// RX+），R-各支路负对地绝缘电阻的并联值（R-= R1-// R2-// R3-//……// RX-），R为平衡电阻，K1、K2、K3、K4为控制平衡电桥投入的继电器，I为直流漏电流传感器测量值。

图1 母线绝缘监测等效电路图              2支路绝缘电阻监测等效电路

   具体绝缘监测步骤如下：

1) 将K1、K2、K3、K4均闭合，此时正负母线对地分别投入平衡电阻1R，测得正负母线对地电压分别记为U1+、U1-，传感器测得漏电流记为I1，由此可列出如下方程组：

1   

2   

2) 将K1、K2闭合，K3、K4断开，此时正负母线对地分别投入平衡电阻2R，测得正负母线对地电压分别记为U2+、U2-，传感器测得漏电流记为I2，由此可列出如下方程组：

3   

4   

   联立1.3两式可以计算出正负母线对地绝缘电阻R+和R-，

   联立2.4两式可以计算出正负支路对地绝缘电阻Rx+和Rx-。

3) 当U1+和U1-等值时，将K1、K2、K4闭合，K3断开，此时母线正对地投入电阻2R，母线负对地投入电阻1R，测得正负母线对地电压分别记为U3+、U3-，传感器测得漏电流记为I3，由此可列出如下方程：

5   

6   

   联立35两式可以计算出正负母线对地绝缘电阻R+和R-，

   联立46两式可以计算出正负支路对地绝缘电阻Rx+和Rx-。

3　光伏直流绝缘监测装置的设计

3.1功能结构

   光伏直流绝缘监测装置功能结构如图3所示。开关电源给监测装置供电；MCU通过控制平衡电桥的投切采集母线和支路的相关数据，根据平衡电桥改进型方法进行数据计算得到实际绝缘阻值；按键及数码管显示实现就地数据显示及参数配置；RS485接口实现后台实时数据监测；继电器输出实现报警功能。

图3 功能结构框图

3.2母线绝缘监测

母线绝缘监测电路如图4所示。MCU控制电子开关K1~K4 投入平衡电桥，不同状态下进行母线电压的线性光耦隔离采样，采样数据输入到MCU内部ADC通道进行计算处理，得出实际直流母线绝缘电阻值并给出相应报警。

图4 母线绝缘监测电路

3.3 支路绝缘监测

   当母线绝缘不良时进行支路绝缘巡检，同时可进行16条汇流支路绝缘监测。支路绝缘监测电路如图5所示。光伏汇流箱输出汇流到直流母线，直流漏电流传感器采集汇流箱传输线路的漏电流，采集数据通过多路开关4051输入到MCU内部ADC，经公式运算可得绝缘不良支路阻值及其接地极性。

图5 支路绝缘监测电路

3.4 软件设计

   设计平台为一款基于ARM核心的带128K字节闪存、20K字节SRAM的32位微控制器STM32F103R8T6。操作按键可切换显示母线电压、母线绝缘电阻、支路漏电流和支路绝缘电阻，也可以进行参数配置。当绝缘电阻R>100k时，显示999.9k表示为绝缘良好。光伏发电系统中直流母线会耦合来自逆变器输出侧的交流谐波，对监测数据造成干扰误差，故除硬件上采用了低通滤波电路外，软件内部还进行了二阶巴特沃兹低通滤波处理，保证直流母线电压数据的准确性。汇流支路发生对地短路时，该汇流支路产生大电流会造成直流漏电流传感器零点漂移，易出现漏报或者误报的情况。软件具备一键零点校准功能，针对16路直流漏电流传感器进行零点漂移矫正。

4　测试数据

模拟光伏直流浮地系统实际运行中可能出现的各种情况，母线电压由标准直流源提供，在直流母线和大地间接入测试电阻，检测母线和#1支路的绝缘电阻，判断绝缘电阻测量精度是否可靠以及支路故障能否快速定位。母线及#1支路绝缘测试数据见表１、表2。响应时间如图6所示。

表1 母线绝缘测试数据

表21#支路绝缘测试数据

图6 响应时间

   由以上图表数据可知，该装置能在各状态下对直流母线和支路对地绝缘电阻的精确测量，快速定位故障支路及接地极性，能够直观反映光伏直流浮地系统对地的绝缘状况。

5　结束

   采用本方法设计的光伏直流绝缘监测装置配合直流漏电流传感器实现了直流母线和支路对地绝缘电阻的准确测量和故障支路快速定位。现场运行维护人员通过就地数据显示以及RS485通讯功能实时掌握光伏直流系统的绝缘情况，保证了系统的安全运行。

文章来源：《自动化应用》2016年第9期。

参考文献：

   [1]陈元平,李树君,张玉奎. 绝缘监测装置在直流系统中的应用. 电力系统保护与控制,Vol.36, No.15, Aug.1, 2008.

   [2] 余继军,李昌禧. 直流系统绝缘监测装置研究. 华中理工大学学报,Vol.28,No.8,pp18-20, 2000.

   [3]刘君怀,陈怡欢. 直流绝缘监测的应用与发展. 高压电器,2000,36(6).

   [4]苏义鑫,刘林伟. 平衡电阻法监测直流系统绝缘. 电力系统自动化,Vol.27,No.14,July 25, 2003.

   [5]肖登明. 电力设备在线监测与故障诊断[M]. 上海交通大学出版社,2005.

作者简介：

   张明（1989-），男，研发工程师，主要研究方向光伏发电产品的设计与研发;

   包林杰（1982-），男，研发工程师，主要研究方向直流系统产品的设计与研发;

   蔡磊（1977-），男，研发工程师，研究领域为光伏新能源产品的设计和开发。