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1、个人收集整理 勿做商业用途直流接地故障保护继电器 在光伏并网发电控制保护系统中的应用吴小海 李忠良一、系统简介光伏发电系统 系统分类光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统,通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统.并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并
2、网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上. 系统设备光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器,逆变器，交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是：太阳能电池方阵在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能,是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种.蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供
3、电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b。使用寿命长；c。深放电能力强;d。充电效率高；e。少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g。降低价格（现在我国研究的晶硅成本都很高,但随着科技的发展，降低成本和寻找开发非晶硅产品是一种趋势）充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备.由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器.
4、独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器.方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统.正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。太阳跟踪控制系统由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳,发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置
5、存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论,需要地球经纬度地区的的数据和设定.二、接地故障保护的重要性目前我国光伏发电系统主要是直流交流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池经过光伏并网逆控处理后并入电网，尤其是国家推动的金太阳工程，大力推动了我国光伏发电的研究与建设新阶段。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护,这就要求逆变器具有合理的电路结构,严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护，过热、过载保护等。由于光伏发电系统的特殊性，光伏发电中光伏并网逆变器直流系统段均采用直
6、流不接地系统。直流供电系统段的正极、负极均不接地.一旦负极接地，除因通过柜体导致回流，还可以从地返回，这样会使杂散电流增大；若发生正极接地，就会对人身安全造成严重威胁，未接地直流系统上的接地故障也可以引起电源损坏和现场损坏,严重会影响并网系统的正常运行。本文针对直流不接地系统，介绍适宜采用和应用的保护方式。有专业机构经过数据研究分析表明在每年电气系统故障中接地故障占电气系统故障的9095%，瞬时故障及永久性故障只占电气系统故障的5%10% 。当循环供电时,记住跳闸状态,提前预报警泄露电流情况,允许系统在接地故障中安全的运行，又因为这些设备都处在边远地区和岛屿，许多电站无人值守和维护。在不接地直
7、流系统中这些接地故障检测和预防与保护措施就显得尤为重要。三、保护继电器的应用与介绍什么是保护继电器？保护继电器是一种智能的装置，它接收输入，将输入与设置点进行比较，并且提供输出。输入可以是电流、电压、电阻或温度.输出可以包括以指示等和/或字母数字显示形式的视觉反馈、通信、控制警告、报警和控制电源开关的通断.如下图所示。图1保护继电器可以是机电的或电子的/基于微处理器的.机电继电器是一种淘汰的技术，这种继电器由机械零件组成，这些零件要求定期校准,以便保持在预期公差內.微处理器或电子继电器使用数字技术，提供快速、可靠、准确且可重复的输出。使用电子的或基于微处理器的继电器代替机电设计,这样会有许多优
8、点，包括：提高准确性、附加功能、减少维护、较小的空间要求以及较低的寿命周期维护费用。输入继电器需要获取系统信息，以便做出決定。这些输入可以各种方式进行收集。在有些情況下,现场的电线可以直接连接到继电器。在其他应用中需要附加装置，以便将测得的参数转换继电器能够处理的格式。这些附加装置可以是地参考模块的电阻网络、电流互感器、电压互感器、电压耦合器、RTD或其它装置。设置许多型号的保护继电器都有可调的设置。用户设置（检波电平）进行編程，让继电器做決定.继电器将输入与这些设置值进行比较，并相应地做出反应。处理一旦对输入进行了连接和对设置进行编程，继电器就会比较这些数值，并做出決定。根据需要，可针对不同
9、的功能选择不同类型的继电器。输入继电器有双重方式传导已做出决定的通信.通常继电器会控制一个开关(继电器接点），指明输入已经超过了设置，或者，继电器可以通过视觉反馈(例如:仪表或者LED指示灯)提供通知.部分系列电子的或微处理器的继电器的一个优点是能够与网络或PLC进行通信。四、保护继电器是如何解决电气问题的？类似于自动调温器在控制家中的空调对自动化问題的解決方式,保护继电器也能够解决电器问题.保护继电器的用途是探测问题（最理想的情況是在问题的初始阶段），同时也消除并显著减少对人员或设备的损坏。下面的阶段说明了电器问题是如何形成的：第 1 阶段:当有良好绝缘的导体暴露于故障引发因素时，例如：潮湿
10、、灰尘、化学品、持久稳定的过载、振动或只是正常的劣化，那么绝缘将慢慢恶化.这种小变化，在损坏程度足够严重而引起电气故障之前,将不会立即变得很明显。通过测定电流、电压、电阻或温度的轻微变化，继电器可以探测到有问題正在形成.由于变化的量很小，所以只有精密的装置（例如：灵敏的保护继电器或监控器）才能够在发生任何进一步的损坏之前，探测到这些情況，并且指明可能有问题正在形成。第 2 阶段：在问题变得更严重时，会发生进一步的变化,例如：绝缘击穿、过热或过电压。由于从正常到异常的变化很大，所以可使用传统的装置来中断电源。在不能使用保险丝和断路器的情況下，通过探测故障形成的因素(过热、过电压等)，保护继电器可
11、以提供附加保护。第 3 阶段：此时,问题已经发生并且引起了损坏。不同类型的保护继电器和监控器可以减少或者消除损坏，因为它们可以比传统装置提前探测到问题。例如：如果一个工厂或电网管理公司不断地重置断路器，更换保险丝或维修设备,又找不到问题所在，那么他们可能遇到了过电流。如果情況确实如此，那么用户可以安装一个具有过电流保护功能的保护继电器器。该继电器测量电流（输入），并且允许用户将极限（设置值）编程到继电器中。设置值一般比保险丝或断路器更灵敏。一旦超过了这些极限,继电器将控制一个內部开关(继电器触点）。用户可以选择使用开关在发生更大的问题之前打开灯（报警显示)或断开电源（并联跳开）.用戶可以使用报
12、警显示，以帮助判断在传统装置清除故障之前的故障设备。五、继电器应用接地故障保护接地电气系统的主要目的是提供防电气故障保护。但是，这一目的直到二十世纪七十年代才被认识。在那之前，大多数商业和工业系统都是不接地的。虽然不接地的系统在第一次接地故障过程中不会引起严重损坏，但是与接地故障相关的许多缺点还是导致了接地观念的改变。接地系统有其它的优点，例如:降低触电危险和防雷击。电气故障可以细分为两类：相对相故障和接地故障.有研究已经表明所有电气故障中95%是接地故障(资料来源：2003年5月1日Woodham, Jack， P.E.的“接地系统基础知识http：/www。ecmweb。com/mag/e
13、lectric_basics_grounding_systems_2/index.html）。例如在设置保险丝的系统中可以防止相对相故障的地方，往往要求附加保护，例如：保护继电器，以防止接地故障.接地故障的定义接地故障是通电导体和地或设备框架之间不注意的的接触。故障电流的返回路经是通过接地系统以及成为该系统的一部分的任何人员和设备.接地故障常常是绝缘击穿的结果。重要的是，需注意潮湿、多雨和多灰尘的环境要求，在设计和维护时要格外细心。因为水是导电的，所以它会使绝缘降级，以及增加形成危险的可能性。表 1显示了电气故障的主要引发因素。故障的主要引发因素 占所有故障的百分比 暴露于潮湿中22.5 工具
14、、啮齿类动物等造成的短路18。0% 暴露于灰尘中14.5 其他机械损坏12.1% 暴露于化学品中9。0 老化引起的正常劣化7。0 % 表 1图2例如:在上述图2烤箱电路中，零线或火线短路到烤箱的金属外壳上。当线路闭合时,全部或部分电流流过烤箱框架,然后流过地线。当有足够的电流流过(通常按615安90安计算）时,断路器将断开。可以安装一个保护继电器，以探测低至5mA的电流,能够在相当低的水平下断开断路器,因此要比传统断路器快得多。虽然上面的例子只显示直接接地的单相电路,但是在以后讨论的三相电路上，其基本原理都是相同的。继电器和监控器是特別设计的，以便通过探测电流、电压、电阻或温度的低水平变化而找
15、到表1中所示的主要引发因素。以上为继电保护器的综合介绍。下面我们来详细分析接地保护继电器在不接地直流系统的应用和方案 直流系统 直流（DC）系统有正负总线.如果两条总线中任何一条接地,那么这个系统就称为直流接地系统。如果两条总线都不接地,那么这个系统就称为直流不接地系统。未接地直流系统上的接地故障也可以引起电源损坏和现场损坏. 如果系统是未接地的,那么可以使用一个接地故障继电器，即在两条总线之间装设一个地参考模块,建立一个中性点.接地故障继电器使用这个中性点所取得的值一探测低水平的接地故障。 地参考模块是一种电阻网络，用于限制接地故障电流小于25mA，并且提供一种信号传给接地故障继电器的一种装置 太阳能光伏并网发电系统网络图太阳能光伏并网逆控系统中未接地直流系统中接地保护继电器接
