光伏直流系统对地绝缘检测方法研究

杨青波，黄小有，柴卫强，邹复春，李文雅

（1．许继电气股份有限公司，河南许昌 461000；2．许继集团有限公司，河南许昌 461000）

光伏直流系统对地绝缘检测方法研究

杨青波1，2，黄小有1，2，柴卫强1，2，邹复春1，2，李文雅1，2

（1．许继电气股份有限公司，河南许昌 461000；2．许继集团有限公司，河南许昌 461000）

光伏直流系统对地绝缘故障将会对设备运行和人员安全造成严重影响，对直流系统绝缘性能进行在线检测是防止事故发生的有效途径。对常用的直流系统对地绝缘检测方法进行研究分析，结合光伏电站直流系统的特点，提出一种电桥检测法与差流检测法相结合的、适用于光伏直流系统的对地绝缘检测方法。实验表明，该方法能够准确检测直流母线对地绝缘阻值的大小，并消除了电桥检测法中存在的共模电压波动问题，提高了直流系统的安全性和稳定性。

光伏电站；直流绝缘检测；电桥检测法；差流检测法

随着国家对环境治理的重视和对新能源产业的支持，依靠太阳能的光伏发电产业得到迅速发展。光伏电站中从电池板至逆变器的直流母线线路多、分布广，而且大部分在室外，受环境温度、湿度的影响，以及自然老化等原因，易出现绝缘不良的问题，从而危害系统运行的安全性，甚至会对电站运维人员造成生命伤害。及时的检测和发现直流母线对地绝缘故障显得尤为重要。

常用的直流母线对地绝缘检测方法有注入低频信号检测法、电桥检测法和差流检测法。这些检测方法在传统的变电站直流系统中有成熟的应用。但光伏电站的直流系统有自身特性，采用这些传统的方法进行检测时，往往因为光伏电站直流母线电压波动以及逆变器电容、电感器件的影响导致检测难度大，有时会出现误报故障的情况[1]。注入低频信号检测法和电桥检测法本身也会对直流母线共模电压造成波动，影响直流系统的安全性和稳定性。

1 绝缘检测方法分析

1.1 电桥检测法

电桥检测法根据不平衡电阻投切的方式不同有多种设计方案[2-4]，这些方案实现方式不同，但检测原理都是基于改变上下桥臂对地阻值来进行检测的。本文采用双桥臂不平衡电阻投切的方式，电路图如图1所示，图中R2+和R2－使直流正、负母线与接地点相连，形成电桥，R1+和R1－为正、负桥臂不平衡电阻，Rx+和Rx－分别为待检测的正、负母线对地阻抗。

在检测过程中，首先闭合开关K1、断开开关K2，使R1+投入、R1-切除，获取正母线、负母线对地电压U1+和U1－；然后断开开关K1、闭合开关K2，使R1+切除、R1－投入，获取正母线、负母线对地电压U2+和U2－。根据串联电路等流原理，两次投切开关可以得到如下2个等式：

图1 电桥检测原理Fig.1 Schematic diagram of the bridge method

把公式（1）和公式（2）联立为方程组并求解方程组可得直流母线对地阻抗Rx+和Rx-的值。为了保证接地点为正、负母线的中性点，使正、负母线对地电桥上的电阻值相同，桥臂电阻用R2表示，不平衡电阻用R1表示，即：

投入不平衡电阻R1的电桥的电阻用R表示，则有：

求解可得Rx+和Rx-的表达式如下：

1.2 差流检测法

差流检测法[5]也叫平衡电桥检测法[6-7]。该方法主要用于直流系统支路检测，检测原理如图2所示。在直流系统的支路绝缘检测中，我们只需要确定流入支路的电流I+和流出支路的电流I-是否相等即可判断该支路是否存在绝缘隐患，即漏电流Ix计算公式如下：

图2 差流检测原理Fig.2 Schematic diagram of the differential current method

如果获得的Ix的值为零，则支路不存在绝缘隐患，否则存在绝缘隐患。

关于目前的“新帖学”，实际上也没“新”到哪里去。那问题出在哪儿呢？因为不够“深”。深不下去，也就“新”得不够。帖学还有很多宝藏尚待挖掘。这就像学术研究一样，似乎找不到没有研究过的课题，但是，当你对文献彻底清理之后就会发现，很多被研究过的课题还可以再研究。“新帖学”浮皮潦草的太多了，如“伪二王”就是普遍例子。

1.3 优缺点分析

电桥检测法功能比较全面，可以计算出母线对地阻抗的大小。但在光伏电站的直流系统中，因为有逆变器的存在，使得直流母线存在一定的电压波动[1]，先后两次不平衡电阻投切，获得的采样值误差也很难消除。另外，直流母线电压等级相对较高，持续的投切电阻，一方面使得投切开关容易损坏，出现安全事故，另一方面电阻的投切使直流母线对地共模电压出现较大波动影响直流系统中其他设备的安全[2]。电桥检测法引起的直流母线对地共模电压波动幅度如图3所示。

图3 电桥检测法导致直流母线对地共模电压波动Fig.3 The common mode voltage fluctuation led by the bridge method

差流检测法只有一次电压采样，且不需要投切不平衡电阻，有效的避免了电压波动造成的影响，安全性更高。但在正、负母线同时存在对地绝缘隐患时，该方法就无法准确检测出母线实际对地阻抗[3-7]。

2 检测方法的改进与实现

2.1 检测方法的改进

一般的直流用电系统中，正负母线对地都存在电压差，因此在采用差流检测法时，不需要设置专门的接地点。而在光伏直流系统中，直流母线从电池板直接接入逆变器，不存在接地点，因此在差流检测电路中需要设置一个接地点，使直流母线能够通过绝缘隐患点形成回路，产生漏电流Ix。改进后的差流检测电路如图4所示。

对比可以发现差流检测电路恰好是电桥检测电路的一部分，这样在电桥检测电路上可以同时实现电桥检测法和差流检测法。为了使检测方法进行统一，可以对差流检测公式进行等效变换，即：

其中R+和R-的阻值相等，用R表示。从公式（9）可以看出，在差流检测法中，只要检测到正、负母线对地电压不相等，即可判断存在绝缘隐患。

在检测过程中，使图1中的开关K1、K2处于常开状态，此时为差流检测电路，循环对桥臂获取桥臂采样电压U+、U-，如果|U+-U-|大于设定的限值，则控制开关K1、K2投切不平衡电阻，进行电桥法检测，获取更详细的检测结果。

2.2 硬件电路设计

绝缘检测电路设计如图5所示。

图4 等效变换的差流检测原理Fig.4 Equivalent schematic diagram of the differential current method

图5 硬件电路设计Fig.5 Design of the hardware circuit

为了满足采样电路电压要求，在实际设计中，把桥臂电阻R2用两个电阻R21和R22替代。其中R21为分压电阻，阻值相对较小，用来电压采样，R21和R22阻值满足：

绝缘检测装置选用单片机ADUC824来进行电路控制、电压采样和算法实现。单片机接入两路电压采样信号，分别对正、负桥臂电压进行采样。接入3路开出信号，两路控制不平衡桥臂开关K1、K2，一路控制告警信号。接入一路开入信号，控制绝缘检测装置使能。另外提供一路RS485接口，可以输出采样电压和计算的绝缘阻值。

2.3 软件设计

绝缘检测算法的软件实现流程如图执行流出如图6所示。在差流检测时，因为采样误差的存在，U+=U－的情况几乎不存在，需要设定一个限值ε作为差流检测判断依据。

控制程序使投切电阻开关K1、K2初始化为断开状态，然后开始执行差流检测算法。如果程序检测的结果|U+-U-|小于ε，则继续循环执行差流检测算法；如果程序检测结果|U+-U-|大于ε，则通过断开或闭合K1、K2来投切正负桥臂电阻获取对地电压U1+、U1-和U2+、U2-，把这4个电压值代入公式（6）和公式（7）计算出正负桥臂对地绝缘阻抗Rx+和Rx-。如果Rx+和Rx-至少有一个小于告警限值，则通过控制单片机开出端口发出告警信号，否则继续循环执行差流检测算法。

图6 软件流程设计Fig.6 Design of the software flow

3 参数整定及实验结果

3.1 参数整定

按照光伏电站的建设标准，绝缘检测装置应能承受DC 3000 V耐压试验，与逆变器一起漏电流不超过6 m A，因此选取桥臂电阻R2阻值为1 MΩ。根据文献[1]中的理论推导，不平衡电阻R1相对于桥臂电阻R2越小，测量误差就越小，但R1阻值过小，又会影响采样精度，本文选取R1阻值选为100 kΩ。光伏直流母线对地绝缘阻抗要求大于30 kΩ，正负母线间电压范围为400～700 V，本文设定直流母线电压为500 V进行测试。

在差流检测时，开关K1、K2断开，根据电路的串并联原理可以得到

其中U为正负母线之间电压，R+和R-分别为正负母线对地阻抗。根据并联公式可得R+和R-分表达式分别为

其中R为正负母线对地桥臂电阻，Rx+和Rx-为正负母线对地绝缘阻抗。把公式（12）、（13）代入公式（11）并经过简化可得

从公式（14）可以看出|U+-U-|的值与阻抗Rx+、Rx－以及二者的差值|Rx+－Rx－|有关，|Rx+－Rx－|越大，|U+－U－|越大，如果|Rx+－Rx－|不变，Rx+、Rx－越小，|U+－U－|越大。

为满足|Rx+－Rx－|＞1 kΩ时保证能够准确检测，设定Rx+=30 kΩ，Rx-=29 kΩ，则可以计算出|U+－U－|不会小于8.23，考虑误差因素，本实验设定ε=6。

3.2 实验结果

根据方案设计，选取不同阻值的Rx+、Rx－组合进行多次实验，部分测试数据如表1所示。从实验数据可以看出当绝缘母线对地绝缘良好，即不接绝缘电阻时，差流检测法的计算结果|U+－U－|接近于0，远小于设定限值，此时不会执行桥臂检测算法，因此也不会产生共模电压波动，此时示波器监测直流母线对地共模电压如图7所示。当接入直流母线对地电阻时，正负母线对地阻抗差值|Rx+－Rx－|较大时，差流检测结果值较大，但此时桥臂检测法能进一步进行检测，确定绝缘阻抗是否低于限值。当Rx+、Rx－的值低于限值时，即使|Rx+－Rx-|=1 kΩ，差流检测法也能准确判断出|U+－U－|大于设定值，从而进行桥臂检测法的进一步判断。从误差统计看，增加差流检测之后，电桥检测法的检测精度并未受到影响，误差仍能保证在7%以内。

图7 新检测法运行时的直流母线对地共模电压Fig.7 The common mode voltage in the new method

表1 绝缘检测测试结果（部分）Tab.1 Insulation monitoring test results（part）

4 结语

本文对电桥检测法和差流检测法进行研究和分析，结合二者优点，设计了一种新的改进检测方法。根据光伏电站的特点，完成了该方法的软硬件设计，对改进的方法进行测试验证。实验表明，该方法在不存在绝缘隐患时完全消除直流母线对地共模电压波动，提高了直流系统的安全性和稳定性。同时，先差流检测，后电桥检测，降低了电桥检测法因直流母线电压波动导致误判的可能性。

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Research on DC System to Ground Insulation Detection Method for Photovoltaic Power Stations

YANG Qingbo，HUANG Xiaowei1，2，CHAI Weiqiang1，2，ZOU Fuchun1，2，LI Wenya1，2
（1.XJ Electric Ltd，Xuchang 461000，Henan，China；2.XJ Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

The DC system to ground insulation fault of the photovoltaic power station may cause serious impacts on the safe operation of equipment and personnel safety.The online monitoring of the DC system insulation is an effective way to prevent accidents.This paper studies the common detection methods used for the DC system to ground insulation，and based on the characteristics of the DC system of the photovoltaic power station，the paper proposes a new insulation detection method which combines the bridge method and differential current method and is suitable to the DC system to ground insulation detection for photovoltaic power stations.The experimental results shows that the method can accurately delect the insulation resistance of the DC bus，and eliminate the common mode voltage fluctuation produced by the bridge method，and improve the security and stability of the DC system.

Photovoltaic power station；DC insulation detection；bridge method；differential current method

1674-3814（2017）07-0129-05

TM93

A

国家高新技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015AA050104）；国家电网公司科技项目（5292C0140099）。

Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2015AA050104）；Science and Technology Program of the State Grid Corporation of China（5292C0140099）.

2016-08-25。

杨青波（1982—），男，硕士，工程师，主要研究新能源并网、柔性直流输电、STATCOM等；

黄小有（1983—），男，硕士，工程师，主要研究新能源并网、光伏逆变器控制系统；

柴卫强（1985—），男，本科，工程师，主要研究新能源并网、光伏逆变器控制系统。

（编辑 李沈）