光伏電站直流配電柜絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深圳金宏威技術(shù)股份有限公司 ■ 李仲卿 翦志強(qiáng) 曹紅喜

0 引言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)中，一般采取中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)接線方式，將直流側(cè)1 kV的直流電通過(guò)專用光伏逆變器輸出與電網(wǎng)同相同頻的AC交流電。直流輸入側(cè)有時(shí)會(huì)因電纜老化、不規(guī)范接線、維護(hù)不當(dāng)?shù)仍虬l(fā)生一點(diǎn)接地故障。據(jù)IT不接地系統(tǒng)的特性，如果一點(diǎn)接地故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及處理，當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)兩點(diǎn)同時(shí)接地時(shí)，就會(huì)發(fā)生直流電源側(cè)短路，而此類故障對(duì)逆變系統(tǒng)的影響，輕則發(fā)生停機(jī)減少發(fā)電量，重則損壞系統(tǒng)設(shè)備并極易引起人身事故和電氣火災(zāi)。因此，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，太陽(yáng)能光伏逆變系統(tǒng)必須使用可靠有效的絕緣監(jiān)測(cè)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和提高運(yùn)維的效率。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)某些光伏發(fā)電項(xiàng)目為了節(jié)約投資成本，追求短期經(jīng)濟(jì)效益，在光伏系統(tǒng)直流配電柜的電氣設(shè)計(jì)中省去絕緣監(jiān)測(cè)裝置。但在實(shí)際運(yùn)行中光伏系統(tǒng)直流側(cè)絕緣故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位，而且沒(méi)有一套完善的接地故障預(yù)警機(jī)制，只有故障發(fā)展到極端情況(起火、設(shè)備異常、發(fā)生人身安全事故)時(shí)才被發(fā)現(xiàn)和重視，這時(shí)重大經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)無(wú)法挽回。如圖1和圖2所示，匯流箱測(cè)控模塊的故障導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣故障，由于人工故障排查周期長(zhǎng)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電停機(jī)，并有觸電的潛在危險(xiǎn)。

圖1 由于電源進(jìn)線壓敏電阻失效導(dǎo)致過(guò)流燒毀

圖2 匯流排過(guò)熱起火后直接與機(jī)殼接觸

此外，工程現(xiàn)場(chǎng)反映最多的是匯流箱測(cè)控模塊與后臺(tái)通訊故障，測(cè)控模塊485通訊接口器件燒毀現(xiàn)象較為多見(jiàn)。原因是485屏蔽雙絞線與高壓直流線纜未分開(kāi)布線，高低壓線路用同一線槽走線，由于施工不規(guī)范等原因?qū)е码娎|外皮被砂石劃破，使高壓線纜與485電纜發(fā)生電阻性互聯(lián)，485信號(hào)線長(zhǎng)期高共模電壓運(yùn)行，保護(hù)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，間接使光伏電池的正極或負(fù)極與地連接，導(dǎo)致絕緣故障的發(fā)生。

2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖3所示，光伏絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通訊、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3層設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由絕緣監(jiān)測(cè)裝置、母線電壓隔離采集單元、支路漏電流傳感器及光伏發(fā)電系統(tǒng)總監(jiān)控組成。每組電池方陣設(shè)置一個(gè)數(shù)字漏電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各方陣漏電流；絕緣監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)電流環(huán)采集各電池方陣漏電流數(shù)據(jù)，通過(guò)485總線獲取母線電壓隔離采集單元檢測(cè)的母線對(duì)地電壓，利用平衡橋模式判斷母線對(duì)地的絕緣狀況；通過(guò)對(duì)支路漏電流的巡檢完成接地故障的選線定位，還可測(cè)量母線對(duì)地電容、交流竄電電壓等參數(shù)。系統(tǒng)總監(jiān)控單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線獲取絕緣監(jiān)測(cè)裝置一系列絕緣數(shù)據(jù)，利用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的管理與分析，可提供現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)和報(bào)表的導(dǎo)出、歷史趨勢(shì)曲線的動(dòng)態(tài)顯示、聲光告警等。

圖3 光伏絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

后臺(tái)軟件采用基于AJAX的B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)SDH光纖環(huán)網(wǎng)獲取現(xiàn)場(chǎng)總監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)通訊層組件進(jìn)行Web發(fā)布，供遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、廠站監(jiān)控中心查詢。后臺(tái)設(shè)計(jì)有專門的安全控制策略對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進(jìn)行分級(jí)權(quán)限管理，通過(guò)工作流控制、操作密碼控制、多方監(jiān)督機(jī)制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全操控。

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)原理

3.1 漏電流檢測(cè)及誤差消除方法

系統(tǒng)采用數(shù)字漏電流傳感器[1]作為支路漏電流檢測(cè)，如圖4所示。該傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)電壓源周期性，通過(guò)線圈對(duì)與其串接的電容進(jìn)行正反向充電，利用兩次激勵(lì)二階電路零狀態(tài)響應(yīng)的電容電壓上升時(shí)間差與穿過(guò)線圈漏電流大小成比例關(guān)系，計(jì)算出漏電流大小。與傳統(tǒng)霍爾CT相比，具有更強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)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(huán)境溫度、空間電磁干擾、逆變器傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的高頻尖峰騷擾電壓影響，導(dǎo)致CT零點(diǎn)產(chǎn)生漂移[2]。零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的測(cè)量誤差很難從CT本身軟硬件優(yōu)化來(lái)消除。CT測(cè)量值在量程內(nèi)表現(xiàn)為：

式中，Ixm為測(cè)量值；Ixr為實(shí)際值；Ixoffs為偏移值。

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

圖5 支路接地等效電路圖

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

圖6 正檢測(cè)橋電阻與正母線對(duì)地電壓的關(guān)系

圖7 正檢測(cè)橋電阻與漏電流的關(guān)系

圖8 漏電流與正母線對(duì)地電壓的關(guān)系

所以：

當(dāng)改變檢測(cè)橋電阻Rj時(shí)，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(cè)試對(duì)應(yīng)的真實(shí)值?？梢?jiàn)用連續(xù)兩次改變檢測(cè)橋電阻獲取兩組U+、Ix數(shù)據(jù)，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(wǎng)發(fā)電專用逆變器技術(shù)條件[3]明確要求，逆變器最大功率≤30 kVA時(shí)，接入點(diǎn)往前的對(duì)地絕緣阻值不小于500 kΩ。為了在母線單端高阻接地時(shí)，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(shí)母線電壓偏移量越少。接地電阻接近告警點(diǎn)(120 kΩ)時(shí)，為控制母線電壓的偏移不超過(guò)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(shí)平衡橋電阻-母線電壓偏移

由于平衡橋電阻長(zhǎng)期在高電壓下工作，通過(guò)以下措施防止其損壞，并達(dá)到無(wú)人干預(yù)可自修復(fù)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(guò)監(jiān)測(cè)平衡橋電阻電流來(lái)檢測(cè)其故障；

3) 采用備用平衡橋電阻，一旦故障發(fā)生，退出故障橋臂，投入備用橋臂。

3.3 多功能線性檢測(cè)橋

3.3.1 可控線性檢測(cè)橋[5]

與傳統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置采用固定電阻檢測(cè)橋不同的是：本裝置采用一組對(duì)稱的電壓控制電流源作為線性可變的檢測(cè)橋電阻，可實(shí)現(xiàn)1 kΩ以上電阻的線性調(diào)節(jié)。在支路接地故障巡檢時(shí)，調(diào)整Ij+或Ij-，改變正(負(fù))母線對(duì)地電壓，通過(guò)式(5)計(jì)算出支路接地電阻。

3.3.2 母線對(duì)地電容檢測(cè)[6]

直流母線對(duì)地電容太大會(huì)導(dǎo)致空開(kāi)誤動(dòng)[7]，如果在單路負(fù)載接有較大電容時(shí)，直流系統(tǒng)運(yùn)行中遭到突波，由于對(duì)地電容較大而形成瞬間突變沖擊電容電流還會(huì)通過(guò)保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)過(guò)流定值選得過(guò)低時(shí)，此脈沖電容大電流足以使空氣開(kāi)關(guān)的過(guò)流元件動(dòng)作[8]，所以有必要對(duì)母線對(duì)地電容進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用控制線性橋臂的恒流源電流，通過(guò)母線電壓波動(dòng)大小，以及時(shí)間和電容的關(guān)系計(jì)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(shí)間為Δt，對(duì)電路應(yīng)用KCL定律可得：

圖10 可控線性檢測(cè)橋、母線電容檢測(cè)原理

3.3.3 母線電壓偏移線性補(bǔ)償橋

系統(tǒng)發(fā)生高阻接地會(huì)產(chǎn)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(dāng)告警未發(fā)出，系統(tǒng)將會(huì)在較大偏移電壓下運(yùn)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(dāng)壓敏電阻MOV2或MOV3失效，將使放電管GDT長(zhǎng)期處于放電狀態(tài)，只有出現(xiàn)PCB燒毀才能發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)較大母線電壓偏移，且接地故障未得到及時(shí)處理時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)橋臂的線性補(bǔ)償橋電阻來(lái)控制母線對(duì)地電壓的平衡。

3.3.4 交流串入直流監(jiān)測(cè)

交流串入直流也是一種嚴(yán)重絕緣故障類型，可能造成重大人身安全事故。裝置通過(guò)一個(gè)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(dāng)交流量達(dá)到預(yù)設(shè)告警值時(shí)，發(fā)出交流竄電告警。

3.3.5 系統(tǒng)絕緣故障預(yù)警

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)接口，可對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)各種絕緣相關(guān)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，充當(dāng)系統(tǒng)“無(wú)紙記錄儀”功能。由于絕大多數(shù)情況下，絕緣故障不是即刻發(fā)生，系統(tǒng)絕緣電阻是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，通過(guò)母線絕緣電阻、支路絕緣電阻歷史曲線的變化趨勢(shì)來(lái)分析系統(tǒng)哪一部分設(shè)備或光伏方陣有絕緣下降的趨勢(shì)，并及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，在絕緣故障發(fā)生前將其根除，防患于未然。

3.3.6 絕緣故障自動(dòng)隔離

系統(tǒng)進(jìn)行絕緣故障定位后，可通過(guò)遙控開(kāi)關(guān)控制單元斷開(kāi)有嚴(yán)重絕緣故障并危及系統(tǒng)正常運(yùn)行的支路，或絕緣故障長(zhǎng)時(shí)間未得到有效處理的方陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)的自動(dòng)隔離，記錄整個(gè)動(dòng)作的時(shí)間及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并向后臺(tái)發(fā)出嚴(yán)重告警信號(hào)。

4 系統(tǒng)基本功能

光伏發(fā)電站直流配電柜絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備、光伏總監(jiān)控裝置、通訊網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)如下系統(tǒng)功能：

1) 實(shí)時(shí)監(jiān)視匯流母線電壓及母線絕緣情況；

2) 開(kāi)關(guān)量輸入檢測(cè)，配置饋線狀態(tài)檢測(cè)模塊，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入檢測(cè)功能；

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

4) “無(wú)紙記錄儀”功能：母線、支路絕緣電阻、母線對(duì)地電壓等歷史曲線；

5) 具備與上位監(jiān)控系統(tǒng)通訊功能：設(shè)有RTU接口，可與上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊連接，上傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障告警信息等，可實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)”“遙信”功能；

6) 實(shí)時(shí)檢測(cè)各支路輸入電流，計(jì)算組串總功率；

7) 實(shí)現(xiàn)絕緣告警及故障快速定位；

8) 總監(jiān)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(nèi)歷史數(shù)據(jù)追溯。

5 工程應(yīng)用

作為中電投內(nèi)蒙古磴口20 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目工程，在光伏直流防雷柜配置本公司光伏絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每500 kW逆變器匹配1臺(tái)直流防雷配電柜，共40面，總共280回支路，使用40臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)，40臺(tái)總監(jiān)控，并用280只漏電流傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)280路饋線開(kāi)關(guān)狀態(tài)及支路電流，使用總監(jiān)控對(duì)直流側(cè)數(shù)據(jù)和絕緣數(shù)據(jù)進(jìn)行本地管理、分析，廠站管理控制中心設(shè)置一臺(tái)監(jiān)控終端，詳細(xì)數(shù)據(jù)信息使用大屏幕LCD顯示。與監(jiān)控后臺(tái)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)器資源。該項(xiàng)目于2012年11月開(kāi)始正常運(yùn)行，并取得良好效果。

圖12 總監(jiān)控絕緣數(shù)據(jù)界面

6 總結(jié)

目前國(guó)內(nèi)上馬的光伏發(fā)電項(xiàng)目，由于成本原因，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)光伏系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)不夠重視，使絕緣故障產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失屢屢發(fā)生，并且由于沒(méi)有一套有效的監(jiān)測(cè)設(shè)備，使故障排除周期長(zhǎng)，并造成發(fā)電中斷的重大經(jīng)濟(jì)損失?；诂F(xiàn)狀，本文提出一種專用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置，功能涵蓋光伏系統(tǒng)所有對(duì)于絕緣監(jiān)測(cè)方面的需求，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用，為用戶切實(shí)解決運(yùn)行中出現(xiàn)的絕緣故障，特別是施工時(shí)出現(xiàn)的電纜外皮損傷造成絕緣下降的現(xiàn)象，該系統(tǒng)準(zhǔn)確做出告警和定位，為用戶排解故障縮短了時(shí)間，從而降低系統(tǒng)運(yùn)維成本。

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