淺談含光伏電源的配電系統(tǒng) 及漏電流的量測問題

　　1 含光伏電源的配電系統(tǒng)漏電保護問題

　　光伏電源接入后，其與儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、交直流負載及保護裝置共同組成了一個小型的發(fā)配電系統(tǒng)，如圖1所示。由于含光伏電源的配電系統(tǒng)包含直流環(huán)節(jié)設備，在電流的傳輸中不同于傳統(tǒng)的交流傳輸，其傳輸過程中可能產(chǎn)生的漏電流形態(tài)也更加復雜。含光伏電源的配電系統(tǒng)的普及，在改善能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時，也面臨著更加嚴峻的用電安全挑戰(zhàn)，如圖1所示。

　　含光伏電源的配電系統(tǒng)中，相較于“PV絕緣故障”問題，“漏電流故障”問題更常見，并且很有可能伴隨出現(xiàn)漏保設備跳閘(若系統(tǒng)有安裝)等現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為：逆變器和電網(wǎng)斷開，進入保護模式，屏幕顯示“漏電流故障01/02/03/04”報錯信息，如圖2，同時可能引起漏保設備動作(若系統(tǒng)有安裝)。

　　該故障說明逆變器和漏電保護檢測到光伏系統(tǒng)對地有漏電流產(chǎn)生。根據(jù)國家標準(NBT 32004-2018)6.7.2要求，若該故障發(fā)生，逆變器必須立即停止工作，進入保護模式，從而保護人身和設備安全，如圖3所示。

　　2 含光伏電源的配電系統(tǒng)漏電流量測方法

　　目前，漏電保護技術(shù)的發(fā)展方向主要集中在量測方法、保護方法和漏電保護產(chǎn)品的研發(fā)三個方面。電流傳感器作為漏電保護器電流量測部分的核心，如何有效的提取出微弱的電流信號，成為漏電流的量測研究的重難點。

　　考慮到含光伏電源的配電系統(tǒng)包含直流設備，為解決含有直流信號的剩余電流檢測問題，本文主要對直流漏電流的量測問題進行介紹比較，主要包括直流電流互感器、霍爾電流傳感器和磁通門電流傳感器三種量測方法。

　　2.1直流電流互感器

　　直流電流互感器主要通過被測電流對帶有鐵芯線圈的感抗的變化，間接地改變激磁電流，來反映被測電流的大小，原理示意圖如圖4所示。

　　目前在電力系統(tǒng)中，直流電流互感器的作用除了用于測量直流電流之外，也大量的用于整流系統(tǒng)中，充當電流反饋元件，或者用于控制和保護其他元件。

　　2.2霍爾電流傳感器

　　霍爾電流傳感器的主要器件是霍爾元件，霍爾元件可以感應通電導線周圍的磁場，把磁場按一定比例轉(zhuǎn)化成電壓輸出?；魻栯娏鱾鞲衅鞯膬?yōu)勢是可以測量任何波形的電流，缺點是溫漂問題比較嚴重。由于霍爾器件為半導體材料制成，外界環(huán)境溫度變化時會影響器件的載流子濃度，進而影響測量值精確度。因此在一些需要高可靠性的應用場合，霍爾電流傳感器具有一定的劣勢。

　　霍爾閉環(huán)電流互感器原理如圖5所示，該線路主要由磁電轉(zhuǎn)換部分、放大部分及驅(qū)動補償線路部分等組成，整個測量回路形成閉環(huán)系統(tǒng)。

　　2.3磁通門傳感器

　　磁通門技術(shù)的基本原理是利用軟磁性材料易于磁飽和的特性，通過周期性的交流激勵信號使磁芯達到或近似達到周期性的磁飽和狀態(tài)，且磁飽和頻率為激勵信號頻率的兩倍。當沒有外加磁場時，相鄰兩次的磁飽和波形完全相同，當外加磁場或外加電流產(chǎn)生的磁場通過磁芯時，相當于給磁芯中的磁場外加一個偏置,改變了其相鄰兩次磁飽狀態(tài)的深度(或改變其到達時間)，由此便可測量外加磁場或流。電壓激勵型磁通門如圖6所示。

　　對以上三種漏電流量測方法進行比較，分析結(jié)果如表1所示。

　　結(jié)合分析可以看出：磁通門電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、功耗低、高穩(wěn)定性、高抗震性、準確度高、漂移低、線性度好和防磁能力強等優(yōu)點，磁通門傳感器相較于霍爾原理傳感器優(yōu)勢包括：

　　(1)磁通門電流傳感器通過對正負激勵電流的差分

　　信號進行放大，從而消除零點偏移誤差和磁場干擾帶來的誤差，進而提高磁通門傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性;而霍爾傳感器的零點漂移問題主要來自于信號放大電路中的運放漂移，其溫度漂移則因其半導體性質(zhì)，半導體散射系數(shù)、載流子密度和均受溫度影響，故霍爾傳感器對溫度較為敏感，進而影響檢測精度。

圖 2 漏電流故障報錯

　　(2)磁通門磁芯無需開口切割，其結(jié)構(gòu)更為完整，強度更高，耐用性更好，能夠更好地抵御物理損壞和外部干擾，磁芯的輸出穩(wěn)定性更佳，可靠性更高;而霍爾傳感器的霍爾元件在工作時需要與開口相連，靈敏度降低，生產(chǎn)成本也相對較高。

　　(3)磁通門傳感器在工作過程中產(chǎn)生的強磁場使得傳感器對外界噪聲和干擾的影響較小，更加不容易被干擾;而霍爾傳感器由于其檢測磁場的效應很小，通常需要使用放大器等電路進行增強，這些電路本身也會引入噪聲和干擾。此外，霍爾傳感器還易受環(huán)境溫度、磁場方向等因素的影響。因此，磁通門傳感器相比霍爾傳感器具有更好的抗干擾性能。

　　3 含光伏電源的配電系統(tǒng)漏電故障案例分析

　　雨季來臨，漏電故障頻發(fā)。由于含光伏電源的配電系統(tǒng)容量較大，導致組件的平鋪面積較大，系統(tǒng)本身就存在較強的電容特性，很容易受到環(huán)境濕度影響，產(chǎn)生系統(tǒng)容性漏電。特別是在早晚或者陰雨天氣更為嚴重。通過電橋測試法檢測晴天和雨后對地電容值，測試結(jié)果如圖7和圖8所示，雨后寄生電容約是晴天的3倍，考慮到光伏組件平鋪面積的影響，該值差別會更大。除此之外，線纜外皮裸露、接地不良、匯流箱體密封性較差等問題也會導致系統(tǒng)漏電故障。

　　含光伏電源的配電系統(tǒng)漏電故障的時常發(fā)生?？紤]到光伏系統(tǒng)漏電流成分復雜，電流副值少，電流幅值小的特點，要求光伏漏電流必須采用Type B，也就是交直流漏電均能測量的電流傳感器。

　　因此，我們可以在含光伏電源的配電系統(tǒng)中配置MAGTRON的漏電流傳感器(圖9)，實現(xiàn)高隔離電壓等級B型漏電流檢測。當光伏系統(tǒng)中產(chǎn)生漏電流時，可實現(xiàn)高邊

　　電流采樣以使得保護裝置快速關(guān)斷。

　　該系列產(chǎn)品基于直流電流的開環(huán)磁通門傳感器量測方法，同時滿足交直流測試，其搭配自主研發(fā)的內(nèi)部集成自檢功能Self-Check模塊的iFluxgate?芯片，量測精度達1~2%，響應速度快，能夠有效實現(xiàn)含光伏電源的配電系統(tǒng)中復雜漏電流的可靠保護，且滿足國標、歐標、美標規(guī)定，面對突發(fā)漏電故障時能夠準確保護，在多級保護中具有選擇性，解決了傳統(tǒng)的漏電流檢測的痛點，性價比很高。

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