浅谈光伏技术之漏电保护器

作者: | 发布日期: 2018 年 07 月 12 日 15:45 | 分类: 新能源知识

1.漏电流和漏电流保护器

生活中不经意间触摸到一些电气的外壳,手会有一些麻麻的感觉。这个时候我们感觉到的就是漏电流。在物理学中,我们常说的导体和绝缘体的主要区别是电导率的不同,绝缘体也有很小的电导率。只是通常漏电流小得可以忽略不计。旧的家用电器和用电线路,因为长期使用,绝缘可能会老化而使漏电加大,造成安全隐患。

过去的光伏并网逆变器一般都会采用带变压器式的逆变器,包括在逆变器输出端接工频变压器和在逆变器输入端接高频变压器2种。虽然接压器可以实现电压调整和电气隔离的作用,但也存在一些固有的缺点和不足,如工频变压器存在体积大、重量重、成本高等缺点;而高频变压器虽然体积小,结构简单,但因采用多级结构使系统控制复杂,转换效率低。为了去掉笨重的工频变压器和复杂的高频变压器,这几年我们使用了无变压器结构的组串式单项或者三相逆变器。大大提高了整个系统的效率,但同时也带来了一些新的问题。

例如,共模电流(在实际光伏并网设备中俗称“漏电流”)、向电网注入直流分量等。由于在无变压器光伏并网逆变器中没有变压器的隔离作用,电网与光伏阵列存在直接的电气连接,而光伏阵列和地之间存在虚拟的寄生电容,因此形成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。寄生电容上变化的共模电压在这个共模谐振回路中就会产生相应的共模电流(即漏电流),如下图所示。

无变压器光伏并网系统中的共模电流会带来很多问题和危害,如引起并网电流的畸变、对其他设备产生电磁干扰等,更为严重的是会对人身安全构成重大威胁。因此一些国家对漏电流的要求进行了相关规定,如德国的VDE-0126-1-1标准规定,漏电流超过30mA时,光伏并网系统必须在0.3 S内与电网断开。因此漏电流抑制技术已经成为分布式发电的一个新的问题。

1.1 解决漏电流危害的方式

抑制漏电流可以从逆变器本身解决,比如很多厂家提出如带直流旁路的拓扑结构、带交流旁路的拓扑结构、H5拓扑结构等。这些拓扑结构一般都采用单极性PWM调制控制策略,通过利用本身的结构特点,使主桥臂开关管关断时,续流开关管导通,从而使直流侧和交流侧断开,实现抑制漏电流的目的(单相机)。

对于三相全桥式拓扑,采用传统的SPWM法和SVPWM法是不能有效抑制漏电流的,很多厂家,比如古瑞瓦特10-33KW采用了改进型SPWM算法,因能够使共模电压恒定,可以有效抑制漏电流。

由于目前的组串式逆变器多为高频不隔离逆变器,漏电流影响还是比较严重的。由于逆变器在高频切换時,部分输出电流会经由EMI Y电容流经PV array的寄生电容后,再流回逆变器,因此只要EMI Y电容或PV array的寄生电容越大,所产生的高频对地漏电流也就越大,以致使逆变器的輸出电流波形被影响的程度,也就越严重。

综上,光伏系统中必须安装漏电流保护装置。

1.2 漏电保护器

漏电开关的正确称呼为剩余电流保护装置(以下简称RCD),是一种具有特殊保护功能(漏电保护)的空气断路器。它所检测的是剩余电流,即被保护回路内相线和中性线电流瞬时值的代数和(其中包括中性线中的三相不平衡电流和谐波电流)。为此,RCD的整定值,也即其额动作电流IΔn,只需躲开正常泄漏电流值即可,此值以mA计,所以RCD能十分灵敏地切断保护回路的接地故障,还可用作防直接接触电击的后备保护。

漏电保护器是一种利用检测被保护电网内所发生的相线对地漏电或触电电流的大小,而作为发出动作跳闸信号,并完成动作跳闸任务的保护电器。在装设漏电保护器的低压电网中,正常情况下,电网相线对地泄漏电流(对于三相电网中则是不平衡泄漏电流)较小,达不到漏电保护器的动作电流值,因此漏电保护器不动作。当被保护电网内发生漏电或人身触电等故障后,通过漏电保护器检测元件的电流达到其漏电或触电动作电流值时,则漏电保护器就会发生动作跳闸的指令,使其所控制的主电路开关动作跳闸,切断电源,从而完成漏电或触电保护的任务。它除了空气断路器的基本功能外,还能在负载回路出现漏电(其泄漏电流达到设定值)时能迅速分断开关,以避免在负载回路出现漏电时对人员的伤害和对电气设备的不利影响。

由于光伏系统的组件与大地之间有寄生电容的存在,在雨后或者夏季的清晨,组件与大地之间的绝缘阻抗降低。逆变器开机(继电器闭合)后,产生了较大的漏电流,导致漏电保护器动作,不能并网。这是一个常见的现象。当太阳出来后,或者地面雨水蒸发完。系统恢复正常。

2.AFCI

AFCI:(Arc-Fault Circuit-Interrupter)即电弧故障断路器。

它在传统的断路器的基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能,以防范电弧引发的火灾。它是一种电路保护装置,其主要作用是为了防止由故障电弧引起的火灾。它有检测并区别电器启停或开关时产生的正常电弧和故障电弧的能力,在发现故障电弧及时切断电路。

AFCI的出现为用电安全提供了可靠的保障。它最早应用于航空航天领域,并逐步进入人们的日常生活之中。故障电弧断路保护技术(AFCI技术)可替代过去的漏电、过流、短路保护器,同时在家用电器的故障保护上。

下图为AFCI采样电路板,(古瑞瓦特40Kw逆变器内部含)

光伏系统为什么要有AFCI功能?

由于组件接头接点松脱、接触不良、电线受潮、绝缘破裂等原因,直流线路可能产生电弧,组件系统电压高达800-1000V.电弧产生的高温极易导致邻近的物质达到燃点而发生火灾.UL以及NEC对80V以上的直流系统,都有AFCI的强制要求。

由于光伏系统火灾不能直接用水扑灭,预警和预防显得十分重要。特别是彩钢瓦屋面,维护人员不能容易的检查出故障点和隐患。所以逆变器加装AFCI功能是十分必要的。

2.1 电弧

电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象,经常伴随着电极的局部挥发。典型的电弧是在阴、阳两极之间的空气间隔中形成的。电弧中心温度一般为5000至15000摄氏度。电弧存在的区域会产生很高的电离气压,导致电弧被局限的任何地方都会释放出高热气体和电极物质粒子。

电力系统在正常工作时比如电机旋转和插拔开关也会有电弧发生,称为“好弧”(Good Are)。这些电弧是瞬时性的,不会持续存在,也并不影响线路和设备的正常工作,也不会引起火灾。所以发生“好弧”的情况下,通常认为线路和设备是安全的,断路器如果认为发生了故障而断开电路,称为断路器误跳闸(UnwantedTrip)。误跳闸影响设备正常运行,是需要避免的。

线路因为绝缘老化或者短路等原因而引起的预想外的线路电弧为故障电弧,也称为“坏弧”(Bad Arc),分为以下2种类型:

串联电弧

电弧仅在一条导线中燃烧。磨损的导线被外力拉开或者插座和铰链触点连接发生松动所发生的故障电弧都属于串联电弧。串联电弧故障电流由于受负载限制,不会超过导线的负荷。

并联电弧

光伏系统中,直流线缆的绝缘皮被扎破或者被划破。发生的电弧都属于并联电弧。

在空气中电弧的温度是非常高的,小电流的电弧温度能够达到大概6000K,而电流值越大,温度也越高,下图清楚显示了两者的关系。虽然这些温度已经远远达到了易燃物的燃烧点,但是并不意味着遇到电弧易燃物一定会燃烧。电弧持续燃烧需要脆弱的能量平衡,所以当有固体物质阻拦了路径时,小电流的电弧很容易熄灭。因此需要在一定的条件下,电弧才能持续燃烧,并引起火灾。

2.2 光伏系统的直流电弧

光伏系统的直流故障电弧现象是系统线路直流端在回路意外断开后击穿空气而形成的弧光放电现象。

从微观上讲,当两电极间的电场强度足够大,极间自由电子的运动能量撞击空气中的中性分子或原子并足以使其游离出更多带负电的自由电子和带正电的正离子时,电场强度会进一步加强。在该电场中,电子撞向阴极,而正离子撞向阳极。若正离子的能量能使阴极游离出新的电子,辉光放电就转化为弧光放电,即形成电弧。由此可见,电弧是一种气体游离放电现象,也是一种等离子体。

从宏观来看,光伏系统的直流故障电弧现象可以发生

在直流电路断路器、光伏阵列的旁路二极管和电池连接处、接插件、熔断器、逆变器等多处位置,若没有采取及时的控制措施,持续的电弧将产生3000-7000℃的高温,极易烧毁绝缘层和周围可燃物而引起火灾。

2.2.1 电弧的检测和分析

实际上,电弧具有多种物理特性,但是在现有技术条件下方便检测的不多。如力学上,电弧燃烧会产生飞溅,但难以作为检测标准:热学上,电弧燃烧会产生高温,虽然现在已有测量局部热点的技术,但对于大型光伏电站而言成本过高;声学上,电弧燃烧会发出噪声,该特性可用于汇流箱内的电弧检测,而其他位置的电弧不适合用此种方法检测;光学上,电弧燃烧会发出特定频段的可见光和紫外光,但与热学和声学特性相同,该方法不合适大型光伏电站的检测。因此,电学特性成为目前技术条件下唯一可行的检测方法,而电流特性因其良好传播特性被作为重点研究的对象。

目前已知的逆变器电弧分析方法就是高频傅立叶分析法,这种方法有98%的准确性和0.1%的误报率。光伏系统直流故障电弧的检测涉及较多故障电弧的电压与电流的频域特性,而傅里叶分析是将信号由时域转至频域的常用工具。

如上图,1-1.5秒之间出现的一条细长的直线,就代表系统中出现了电弧(100kHz下)。

本文不对具体的过于复杂的时域、频域分析经行分析和解释。有兴趣的同行可以在网络上搜索相关的文章。

[1]Jay Johnson,Kenneth D.Blemel,Francis Peter.Preliminary Photovoltaic Arc.Fault Prognostic

Tests using Sacrificial Fiber Optic Cabling[R]:Sandia Technical Report,SAND2013.1185,2013

[2]J.Johnson,B.Pahl,C.Luebkeet a1.Photovoltaic DC arc fault detector testingat Sandia National Laboratories[A],2011

文章来源:古瑞瓦特 张喆

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