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浅谈“非主流”光伏技能(十二)

2019-03-16 15:25

  浅谈“非主流”光伏技能(十二)

  5.漏电流和漏电流保护器

  日子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。这个时分咱们感觉到的就是漏电流。在物理学中,咱们常说的导体和绝缘体的首要差异是电导率的不同,绝缘体也有很小的电导率。仅仅一般漏电流小得能够忽略不计。旧的家用电器和用电线路,因为长期运用,绝缘可能会老化而使漏电加大,构成安全危险。

  曩昔的光伏并网逆变器一般都会选用带变压器式的逆变器,包含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。尽管接压器能够完结电压调整和电气阻隔的效果,但也存在一些固有的缺陷和缺乏,如工频变压器存在体积大、亚美娱乐,重量重、本钱高级缺陷;而高频变压器尽管体积小,结构简略,但因选用多级结构使体系操控杂乱,变换功率低。为了去掉粗笨的工频变压器和杂乱的高频变压器,这几年咱们运用了无变压器结构的组串式单项或许三相逆变器。大大提高了整个体系的功率,但一起也带来了一些新的问题。

  例如,共模电流(在实践光伏并网设备中俗称“漏电流”)、向电网注入直流重量等。因为在无变压器光伏并网逆变器中没有变压器的阻隔效果,电网与光伏阵列存在直接的电气衔接,而光伏阵列和地之间存在虚拟的寄生电容,因而构成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。寄生电容上改变的共模电压在这个共模谐振回路中就会发作相应的共模电流(即漏电流),如下图所示。

  无变压器光伏并网体系中的共模电流会带来许多问题和损害,如引起并网电流的畸变、对其他设备发作电磁搅扰等,更为严峻的是会对人身安全构成严峻要挟。因而一些国家对漏电流的要求进行了相关规则,如德国的VDE-0126-1-1规范规则,漏电流超越30mA时,光伏并网体系有必要在0.3 S内与电网断开。因而漏电流按捺技能现已成为分布式发电的一个新的问题。

  

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5.1 处理漏电流损害的办法

  按捺漏电流能够从逆变器自身处理,比方许多厂家提出如带直流旁路的拓扑结构、带沟通旁路的拓扑结构、H5拓扑结构等。这些拓扑结构一般都选用单极性PWM调制操控战略,经过使用自身的结构特色,使主桥臂开关管关断时,续流开关管导通,然后使直流侧和沟通侧断开,完结按捺漏电流的意图(单相机)。

  关于三相全桥式拓扑,选用传统的SPWM法和SVPWM法是不能有用按捺漏电流的,许多厂家,比方古瑞瓦特10-33KW选用了改进型SPWM算法,因能够使共模电压稳定,能够有用按捺漏电流。

  因为现在的组串式逆变器多为高频不阻隔逆变器,漏电流影响仍是比较严峻的。因为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,因而只需EMI Y电容或PV array的寄生电容越大,所发作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,也就越严峻。

  

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综上,光伏体系中有必要装置漏电流保护装置。

  5.2 漏电保护器

  漏电开关的正确称号为剩下电流保护装置(以下简称RCD),是一种具有特别保护功用(漏电保护)的空气断路器。它所检测的是剩下电流,即被保护回路内相线和中性线电流瞬时值的代数和(其间包含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,只需躲开正常走漏电流值即可,此值以mA计,所以RCD能十分活络地堵截保护回路的接地毛病,还可用作防直接触摸电击的后备保护。

  漏电保护器是一种使用检测被保护电网内所发作的相线对地漏电或触电电流的巨细,而作为宣布动作跳闸信号,并完结动作跳闸使命的保护电器。在装设漏电保护器的低压电网中,正常情况下,电网相线对地走漏电流(关于三相电网中则是不平衡走漏电流)较小,达不到漏电保护器的动作电流值,因而漏电保护器不动作。当被保护电网内发作漏电或人身触电等毛病后,经过漏电保护器检测元件的电流到达其漏电或触电动作电流值时,则漏电保护器就会发作动作跳闸的指令,使其所操控的主电路开关动作跳闸,堵截电源,然后完结漏电或触电保护的使命。它除了空气断路器的基本功用外,还能在负载回路呈现漏电(其走漏电流到达设定值)时能敏捷分断开关,以防止在负载回路呈现漏电时对人员的损伤和对电气设备的晦气影响。

  因为光伏体系的组件与大地之间有寄生电容的存在,在雨后或许夏日的清晨,组件与大地之间的绝缘阻抗下降。逆变器开机(继电器闭合)后,发作了较大的漏电流,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,或许地上雨水蒸发完。体系康复正常。

  6.AFCI

  AFCI:(Arc-Fault Circuit-Interrupter)即电弧毛病断路器。

  它在传统的断路器的基础上添加了对毛病电弧起保护效果的功用,以防备电弧引发的火灾。它是一种电路保护装置,其首要效果是为了防止由毛病电弧引起的火灾。它有检测并差异电器启停或开关时发作的正常电弧和毛病电弧的才干,在发现毛病电弧及时堵截电路。

  AFCI的呈现为用电安全供给了牢靠的保证。它最早应用于航空航天范畴,并逐渐进入人们的日常日子之中。毛病电弧断路保护技能(AFCI技能)可代替曩昔的漏电、过流、短路保护器,一起在家用电器的毛病保护上。

  下图为AFCI采样电路板,(古瑞瓦特40Kw逆变器内部含)

  

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  光伏体系为什么要有AFCI功用?
 

  

因为组件接头接点松脱、触摸不良、电线受潮、绝缘决裂等原因,直流线路可能发作电弧,组件体系电压高达800-1000V.电弧发作的高温极易导致附近的物质到达燃点而发作火灾.UL以及NEC对80V以上的直流体系,都有AFCI的强制要求。

  因为光伏体系火灾不能直接用水平息,预警和防备显得十分重要。特别是彩钢瓦屋面,保护人员不能简单的检查出毛病点和危险。所以逆变器加装AFCI功用是十分必要的。

  6.1 电弧

  电弧是两个电极之间跨过某种绝缘介质的继续放电现象,常常伴随着电极的部分蒸发。典型的电弧是在阴、阳南北极之间的空气距离中构成的。电弧中心温度一般为5000至15000摄氏度。电弧存在的区域会发作很高的电离气压,导致电弧被约束的任何地方都会释放出高热气体和电极物质粒子。

  电力体系在正常作业时比方电机旋转和插拔开关也会有电弧发作,称为“好弧”(Good Are)。这些电弧是瞬时性的,不会继续存在,也并不影响线路和设备的正常作业,也不会引起火灾。所以发作“好弧”的情况下,一般以为线路和设备是安全的,断路器假如以为发作了毛病而断开电路,称为断路器误跳闸(UnwantedTrip)。误跳闸影响设备正常运转,是需求防止的。

  线路因为绝缘老化或许短路等原因而引起的料想外的线路电弧为毛病电弧,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焚烧。磨损的导线被外力摆开或许插座和铰链触点衔接发作松动所发作的毛病电弧都归于串联电弧。串联电弧毛病电流因为受负载约束,不会超越导线的负荷。

  并联电弧

  光伏体系中,直流线缆的绝缘皮被扎破或许被划破。发作的电弧都归于并联电弧。

  在空气中电弧的温度是十分高的,小电流的电弧温度能够到达大约6000K,而电流值越大,温度也越高,下图清楚显现了两者的联系。尽管这些温度现已远远到达了易燃物的焚烧点,可是并不意味着遇到电弧易燃物必定会焚烧。电弧继续焚烧需求软弱的能量平衡,所以当有固体物质阻挠了途径时,小电流的电弧很简单平息。因而需求在必定的条件下,电弧才干继续焚烧,并引起火灾。

  

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6.2 光伏体系的直流电弧

  光伏体系的直流毛病电弧现象是体系线路直流端在回路意外断开后击穿空气而构成的弧光放电现象。

  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碰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,即构成电弧。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。

  从微观来看,光伏体系的直流毛病电弧现象能够发作。

  在直流电路断路器、光伏阵列的旁路二极管和电池衔接处、接插件、熔断器、逆变器等多处方位,若没有采纳及时的操控措施,继续的电弧将发作3000-7000℃的高温,极易焚毁绝缘层和周围可燃物而引起火灾。

  6.2.1 电弧的检测和剖析

  实践上,电弧具有多种物理特性,可是在现有技能条件下便利检测的不多。如力学上,电弧焚烧会发作飞溅,但难以作为检测规范:热学上,电弧焚烧会发作高温,尽管现在已有丈量部分热门的技能,但关于大型光伏电站而言本钱过高;声学上,电弧焚烧会宣布噪声,该特性可用于汇流箱内的电弧检测,而其他方位的电弧不适合用此种办法检测;光学上,电弧焚烧会宣布特定频段的可见光和紫外光,但与热学和声学特性相同,该办法不合适大型光伏电站的检测。因而,电学特性成为现在技能条件下仅有可行的检测办法,而电流特性因其杰出传达特性被作为要点研讨的目标。

  现在已知的逆变器电弧剖析办法就是高频傅立叶剖析法,这种办法有98%的准确性和0.1%的误报率。光伏体系直流毛病电弧的检测触及较多毛病电弧的电压与电流的频域特性,而傅里叶剖析是将信号由时域转至频域的常用工具。

  

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  如上图,1-1.5秒之间呈现的一条细长的直线,就代表体系中呈现了电弧(100kHz下)。
 

  

本文不对详细的过于杂乱的时域、频域剖析经行剖析和解说。有爱好的同行能够在网络上查找相关的文章。

  [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

  作者:张喆

  

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