王俊鵬1  張明2  包林傑3  蔡磊2

（1.上海市滬閔建築設計院有限公司 上海 201199）

（2.江蘇安科瑞電器製造有限公司 江蘇江陰 214405）

（3.上海安科瑞電源管理係統有限公司 上海. 201801）

  摘要：闡chan述shu光guang伏fu直zhi流liu絕jue緣yuan監jian測ce裝zhuang置zhi在zai光guang伏fu直zhi流liu浮fu地di係xi統tong中zhong的de重zhong要yao性xing，分fen析xi現xian有you絕jue緣yuan監jian測ce方fang法fa的de優you缺que點dian，同tong時shi提ti出chu了le一yi種zhong基ji於yu電dian橋qiao平ping衡heng原yuan理li的de改gai進jin型xing方fang法fa，配pei合he直zhi流liu漏lou電dian流liu傳chuan感gan器qi能neng夠gou檢jian測ce母mu線xian及ji支zhi路lu的de絕jue緣yuan狀zhuang況kuang，快kuai速su定ding位wei故gu障zhang點dian，保bao障zhang係xi統tong的de安an全quan運yun行xing。

  關鍵詞：光伏直流
；絕緣監測；電橋平衡；漏電流傳感器

0　引言

  光伏直流浮地係統中，電池組件經彙流箱和直流櫃彙流後輸入到逆變器
，線路多、分布廣
，易出現絕緣不良的問題。一旦出現兩點接地，將可能造成直流電源短路、shebeishaohuidengguzhang
，shenzhiweixiedaoxianchangweihurenyuanderenshenanquan。yinci
，guangfuzhiliufudixitongbixushiyongjueyuanjiancezhuangzhilaijiancexitongdejueyuanqingkuang
，baozhengxitongdeanquanyunxing。

1　絕緣監測的方法

  目前，國內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：向直流係統注入低頻交流信號，由裝設在各分支的電流互感器進行信號檢測實現分支定位
，但易受光伏直流分布電容大的幹擾。

2) 綜合判據法：yizhongrenweitourujiancedianzulailapianzhengfumuxianduididianyadefangfa，danbuduandijierudancetancejiedidianzu
，huidaozhizhengfumuxianduididianyabuduanbianhua
，bodonghenda。

3) 電橋平衡法：無需注入交流信號，正負母線對地電壓波動小
，但不能檢測正負母線絕緣電阻同時等值下降的狀態，且無法實現故障分支定位。

本(ben)文(wen)設(she)計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)電(dian)橋(qiao)平(ping)衡(heng)原(yuan)理(li)改(gai)進(jin)型(xing)方(fang)法(fa)的(de)絕(jue)緣(yuan)監(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)，配(pei)合(he)直(zhi)流(liu)漏(lou)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)快(kuai)速(su)定(ding)位(wei)故(gu)障(zhang)支(zhi)路(lu)，無(wu)需(xu)注(zhu)入(ru)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)
，克(ke)服(fu)了(le)不(bu)能(neng)檢(jian)測(ce)等(deng)值(zhi)絕(jue)緣(yuan)下(xia)降(jiang)的(de)問(wen)題(ti)。

2　絕緣監測原理及步驟

  電橋平衡改進型監測絕緣方法的基本原理為：通tong過guo兩liang次ci投tou入ru平ping衡heng電dian阻zu來lai測ce量liang正zheng負fu母mu線xian對dui地di絕jue緣yuan電dian阻zu以yi及ji支zhi路lu絕jue緣yuan電dian阻zu
，當dang出chu現xian正zheng負fu母mu線xian對dui地di同tong時shi等deng值zhi絕jue緣yuan下xia降jiang時shi，正zheng負fu母mu線xian對dui地di投tou入ru非fei等deng值zhi電dian阻zu進jin行xing檢jian測ce。母mu線xian、支路絕緣監測等效電路如圖1


、圖2所示
，U+、U-分別為直流正負母線對地電壓，RX+、RX-為支路上的正負對地絕緣電阻（x為自然數）

，R+
、R-為正負母線對地絕緣電阻，R+為各支路正對地絕緣電阻的並聯值（R+= R1+// R2+// R3+//……// RX+），R-各支路負對地絕緣電阻的並聯值（R-= R1-// R2-// R3-//……// RX-），R為平衡電阻

，K1、K2、K3、K4為控製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 母線絕緣監測等效電路圖              2支路絕緣電阻監測等效電路

  具體絕緣監測步驟如下：

1) 將K1、K2、K3、K4均閉合，此時正負母線對地分別投入平衡電阻1R，測得正負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，此時正負母線對地分別投入平衡電阻2R，測得正負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  

  聯立1.3兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

  聯立2.4兩式可以計算出正負支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3) 當U1+和U1-等值時，將K1、K2、K4閉合，K3斷開，此時母線正對地投入電阻2R，母線負對地投入電阻1R，測得正負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  

  聯立35兩式可以計算出正負母線對地絕緣電阻R+和R-，

  聯立46兩式可以計算出正負支路對地絕緣電阻Rx+和Rx-。

3　光伏直流絕緣監測裝置的設計

3.1功能結構

  光伏直流絕緣監測裝置功能結構如圖3所示。開關電源給監測裝置供電；MCU通過控製平衡電橋的投切采集母線和支路的相關數據，根據平衡電橋改進型方法進行數據計算得到實際絕緣阻值；按鍵及數碼管顯示實現就地數據顯示及參數配置；RS485接口實現後台實時數據監測
；繼電器輸出實現報警功能。

圖3 功能結構框圖

3.2母線絕緣監測

母線絕緣監測電路如圖4所示。MCU控製電子開關K1~K4 投入平衡電橋
，不同狀態下進行母線電壓的線性光耦隔離采樣
，采樣數據輸入到MCU內部ADC通道進行計算處理，得出實際直流母線絕緣電阻值並給出相應報警。

圖4 母線絕緣監測電路

3.3 支路絕緣監測

  當母線絕緣不良時進行支路絕緣巡檢，同時可進行16條彙流支路絕緣監測。支路絕緣監測電路如圖5所示。光伏彙流箱輸出彙流到直流母線，直流漏電流傳感器采集彙流箱傳輸線路的漏電流，采集數據通過多路開關4051輸入到MCU內部ADC，經公式運算可得絕緣不良支路阻值及其接地極性。

圖5 支路絕緣監測電路

3.4 軟件設計

  設計平台為一款基於ARM核心的帶128K字節閃存

、20K字節SRAM的32位微控製器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，也可以進行參數配置。當絕緣電阻R>100k時，顯示999.9k表biao示shi為wei絕jue緣yuan良liang好hao。光guang伏fu發fa電dian係xi統tong中zhong直zhi流liu母mu線xian會hui耦ou合he來lai自zi逆ni變bian器qi輸shu出chu側ce的de交jiao流liu諧xie波bo，對dui監jian測ce數shu據ju造zao成cheng幹gan擾rao誤wu差cha
，故gu除chu硬ying件jian上shang采cai用yong了le低di通tong濾lv波bo電dian路lu外wai，軟ruan件jian內nei部bu還hai進jin行xing了le二er階jie巴ba特te沃wo茲zi低di通tong濾lv波bo處chu理li，保bao證zheng直zhi流liu母mu線xian電dian壓ya數shu據ju的de準zhun確que性xing。彙hui流liu支zhi路lu發fa生sheng對dui地di短duan路lu時shi
，該gai彙hui流liu支zhi路lu產chan生sheng大da電dian流liu會hui造zao成cheng直zhi流liu漏lou電dian流liu傳chuan感gan器qi零ling點dian漂piao移yi，易yi出chu現xian漏lou報bao或huo者zhe誤wu報bao的de情qing況kuang。軟ruan件jian具ju備bei一yi鍵jian零ling點dian校xiao準zhun功gong能neng，針zhen對dui16路直流漏電流傳感器進行零點漂移矯正。

4　測試數據

模擬光伏直流浮地係統實際運行中可能出現的各種情況，母線電壓由標準直流源提供
，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支路絕緣測試數據見表１、表2。響應時間如圖6所示。

表1 母線絕緣測試數據

表21#支路絕緣測試數據

圖6 響應時間

  由(you)以(yi)上(shang)圖(tu)表(biao)數(shu)據(ju)可(ke)知(zhi)
，該(gai)裝(zhuang)置(zhi)能(neng)在(zai)各(ge)狀(zhuang)態(tai)下(xia)對(dui)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)和(he)支(zhi)路(lu)對(dui)地(di)絕(jue)緣(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)，快(kuai)速(su)定(ding)位(wei)故(gu)障(zhang)支(zhi)路(lu)及(ji)接(jie)地(di)極(ji)性(xing)
，能(neng)夠(gou)直(zhi)觀(guan)反(fan)映(ying)光(guang)伏(fu)直(zhi)流(liu)浮(fu)地(di)係(xi)統(tong)對(dui)地(di)的(de)絕(jue)緣(yuan)狀(zhuang)況(kuang)。

5　結束

  采cai用yong本ben方fang法fa設she計ji的de光guang伏fu直zhi流liu絕jue緣yuan監jian測ce裝zhuang置zhi配pei合he直zhi流liu漏lou電dian流liu傳chuan感gan器qi實shi現xian了le直zhi流liu母mu線xian和he支zhi路lu對dui地di絕jue緣yuan電dian阻zu的de準zhun確que測ce量liang和he故gu障zhang支zhi路lu快kuai速su定ding位wei。現xian場chang運yun行xing維wei護hu人ren員yuan通tong過guo就jiu地di數shu據ju顯xian示shi以yi及jiRS485通訊功能實時掌握光伏直流係統的絕緣情況，保證了係統的安全運行。

文章來源：《自動化應用》2016年第9期。

參考文獻：

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  [5]肖登明. 電力設備在線監測與故障診斷[M]. 上海交通大學出版社,2005.

作者簡介：

  張明（1989-），男
，研發工程師，主要研究方向光伏發電產品的設計與研發;

  包林傑（1982-），男，研發工程師，主要研究方向直流係統產品的設計與研發;

  蔡磊（1977-）
，男，研發工程師，研究領域為光伏新能源產品的設計和開發。