交流电在集中式并网光伏电站中直流母线故障处理及应用

王同信 李煜 雷少博

摘要：近年来，利用太阳能发电已成为可再生能源领域增长速度最快的行业之一，光伏并网发电技术是当今世界光伏发电的趋势，为实现2030碳达峰、2060碳中和的宏伟目标，国内光伏电站建设步伐逐步加快，越来越多的电站实现了并冈。除了前期对光伏电站优化设计外，建成后人力所能控制的就是最大限度地减小发电系统故障带来的损失，能够及时排查故障和简单维护显得尤为重要。电站运维中存在的主要问题，加强对光伏发电系统的故障处理，有利于提高发电效率。本文主要集中式并网光伏电站中，多束同电缆沟故障直流母线查找及故障处理的研究与应用。

关键词：交流电;光伏电站;集中式;直流母线

前言

在“十四五”期间，国家需要加速绿色能源发展，降低碳排放量，力争2030年前全国实现碳达峰、2060年前实现碳中和，当前的目标是要尽快实现产业结构优化与能源结构改造，使国内便于实现的区域率先实现碳达峰。此外，推动煤炭消耗碳排放尽早达峰，大力发展新能源，加快整县分布式光伏电站建设，优先在在企事业单位屋顶开展样板电站建设，加快储能技术的应用，开发多元化的能源，实现“碳中和”是世界各国目前高度关注的一个问题，对能源体系进行合理调整，加强绿色能源的开发利用，只有做到这样才能够真正绿色地球。光伏发电的使用量正在逐年增长，其显著的优势与特点也逐渐被大众看到，除了前期对光伏电站优化设计外，建成后人力所能控制的就是最大限度地减小发电系统故障带来的损为。能够及时排查故障显得龙为重要，而光伏电站大多数建设在偏远山区，建筑面积大，巡视操作及极为不便，特别是光伏电站的发电单元故障率最高，也是影响发电效率的主要因素，集中式光伏电站汇流箱直流母线多数敷设在同一电缆沟，本文主要是多束同电缆沟故障直流母线查找及故障处理的研究与应用。

一、光伏电站中的交流电、直流电论述

交流电的概念是，电路中的电流的大小和方向都随时间周期性变化。交流电可以用交流发电机发出，由电磁感应定律可知，当导体周围的磁场发生变化，导体中会产生感应电势。交流发电机的发电方式为，各个线圈切割以相同角度分布在一个圆周上的多对磁极产生的磁感线，线圈中会产生电压与电流，都是按弦规律变化的，所以能不断的产生稳定的电流。交流发电机发电频率一般为50Hz，一个周期内电压与电流的正向与负向平均值为0。

光伏电站中的直流电是太阳光照射在半导体晶体硅的N结上，激发电子和空穴相互运动，N区的空穴向P区运动P区的电子向N运动使太阳能电池受光面（N型硅）有大量负电荷（电子）积累，而在太阳能电池背光面（P型硅）有大量正电荷（空穴）积累如果在受光面和背光面各引出导线连接负荷，导线与负荷上就有电流通过，从而产生直流电。光伏组件电池可以用串联的方式连接组成光伏方阵，升压至逆变器系统要求的标准电压，再通过并联汇流至逆变器。逆变器会将电池发出的直流电逆变为交流电，经过变压器升压后输送到电网上。

二、并网光伏电站直流电缆故障研究

光伏发电站常见的设备故障类型：光伏组件密封性能下降，热斑，支架腐蚀生锈，汇流箱出现变形锈蚀，漏水积等现象，汇流箱内各个接线端了出现松动、锈蚀现象，直流输出母线的正极对地、负极对地的绝缘降低;汇流箱内防雷器出现故障，逆变器IGBT逆变模块故障，控制板、通讯板、驱动板故障;电缆受潮绝缘出现异常，这种故障在设备运行中较为常见，一般发生在直埋或排管里的电缆接头处，例如：整盘电线电缆出厂后，会在使用时用去一部分， 剩下的部分由于密封为做好，容易受潮使绝缘降低。还有在电缆沟内外绝缘破损或电缆头长时间浸泡在积水中，绝缘层内的水汽在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。由于带负荷的线缆有热量产生，水汽在电流的热效应下，加速腐蚀电缆绝缘，同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产热量，长期超负荷运行的环境下，温度的升高带来绝缘层加速的老化，最终导致绝缘被击穿，尤其在气温与空气湿度较高的夏季，水汽导致的电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿，所以夏季是电缆故障频率升高的季节，特别在阴雨天气，直流母线电缆受潮，绝缘降低，逆变器检测到绝缘低，脱网待机。直流母线接头处，或者敷设时划伤、折弯，是电缆出现故障最高的部位，直流母线故障是影响光伏发电的主要原因之一。

三、交流电在直流母线故障处理中的研究

3.1多束直流母线中寻找故障母线的方法

光伏发电站常见的设备故障类型：光伏组件密封性能下降，热斑，支架腐蚀生锈，汇流箱内各个接线端了出现松动，直流输出母线的正极对地、负极对地的绝缘降低，汇流箱内防雷器出现故障，逆变器IGBT逆变模块故障，采集模块故障，电缆绝缘受潮，一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。比如：电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头，会使接头进水或混入水蒸气，时间久在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障，超负荷运行，由于电流的热效应，负载电流通过电缆时必然导致导体发热，从而使电缆温度升高，长期超负荷运行时，过高的温度会加速绝缘的老化，以至绝缘被击穿，尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿，因此在夏季，电缆的故障也就特别多，特变是阴雨天气，直流母线电缆受潮，绝缘降低，逆变器检测到绝缘低，脱网待机。直流母线接头处，或者敷设时划伤、折弯，是电缆出现故障最高的部位，直流母线故障是影响光伏发电的主要原因之一。

3.2寻找故障母线原理图及应用

集中式大型并网光伏电站逆变器故障报警：母线绝缘阻抗低，逆变器故障。判断出汇流箱至逆变器的直流母线绝缘阻抗低，为了减少电量损失，先將该阻抗低的直流故障电缆隔离，恢复逆变器运行。故障直流母线无论是正极接地还是负极接地，大多说都是绝缘层破损，绝缘破损后，电缆沟水蒸气沿破损点进入直流母线，接地。故障直流母线从汇流箱到逆变器的距离从几米到几百米，最初的办法是，当直流母线接地故障时沿该母线边挖边查找故障，需要耗费大量的人力、财力，经济效益低下，并且在施工过程，有可能误伤同电缆沟带电电缆，存在触电的危险，为了提高效益，减少触电危险，采用分段寻找直流母线接地故障的方法，查找时故障直流母线与汇流箱、逆变器有可能来电的方向要完全断开，这样保证了故障电缆故障点寻找时不触电的危险。首先故障直流母线隔离，给该母线相对应的直流断路器上锁，断开组串支路，30分钟后拆卸直流母线与汇流箱铜排连接螺丝，做好安全措施后，利用电缆走向仪准确的定位故障电缆敷设走向，在该故障直流电缆中间位置，清理出电缆沟掩埋的土层，清理土层时不要破坏电缆，土层清理出后，电缆沟有多束电缆，钳形表和验电笔是无法直接找出不带电的直流故障电缆，因此利用给直流母线加交流电找出故障直流母线。利用一快24V的蓄电池提供电源，逆变器将24V直流电逆变为220V的交流电，逆变器的交流输出端N端与接地网（接地扁铁）相接，逆变器的交流输出端L端与分压电阻R（R>2500Ω）一端相接，再将故障直流母线的铠甲与分压电阻的另一端相接。上电后，交流电从逆变器的L段经过分压电阻分压后，通过电缆铠甲，进入接地网最后回到逆变器的N端，故障直流电缆铠甲带交流电，铠甲周围产生交流电波，用交流验电笔找出该故障电力缆。故障直流母线找出后，从中间切断该故障直流母线，切开后，测试切开点至逆变器之间母线的绝缘和切开点至汇流箱之间母线的绝缘，测试后电缆故障范围缩小一半，如果故障电缆的故障的范围缩小一半后，故障电缆长度还是很长，可以利用同样的方法，分段判断，进一步缩小范围。此方法已经在某领跑者项目中多次应用，此方法节省了人力财力，大大提高了经济效益，减少了发电损失。

结束语

简而言之，太阳能光伏发电技术是目前一项绿色环保的新能源技术，太阳能的开采不受地域条件的限制，随着全世界对能源的不断依赖，化石能源的无节制使用导致了碳排放超标，在现代新能源产业中的太阳能作为一项绿色可再生能源，在一定程度上让日常工作与生活发生了变化。今后中国乃至全世界对于太阳能利用的探索和研究将更加积极，同时也预示着太阳能光伏并网发电将在未来的社会中扮演越来越重要的角色。太阳能作为一项取之不尽、用之不竭的自然能源，对其进行科学合理的利用，不仅可以解决能源短缺、环境污染问题，还能够实现更为可观的经济效益。

参考文献

[1]马国清. 电力输配电线路运行维护措施研究[J].科学技术创新，2019（12）：192-193.

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