單機功率的增大，對逆變器的整體設計變得十分嚴格。其中漏電檢測就是非常核心的一塊。它需要克服隨功率增大而帶來(lái)的：大量程、電磁干擾、不同的漏電模式等問(wèn)題。這次來(lái)討論其中之一的高頻漏電。

逆變器常見(jiàn)對地漏電的幾種類(lèi)型

【非隔離型PV系統對地漏電】

由于輸出側直接接地，如有人觸碰到輸出端任何一條線(xiàn)，都會(huì )導致電流通過(guò)人體和大地形成漏電回路。

圖 1

圖 2

【隔離型PV系統對地漏電】

而加入隔離型變壓器之后，一次和二次端都沒(méi)有直接連接大地。這時(shí)候觸碰輸出端，則不會(huì )形成有效的漏電回路。

圖 3

圖 4

【高頻對地漏電】

而重點(diǎn)關(guān)注的高頻漏電，不受輸出端是否加有隔離變壓的影響，始終存于系統回路中。

其產(chǎn)生的原理：由于逆變器在高頻切換時(shí)，部分輸出電流會(huì )經(jīng)由EMI Y電容流經(jīng)PV 組件對大地的寄生電容后，再流回逆變器，因此只要由EMI的Y電容或PV 組件的寄生電容越大，所產(chǎn)生的高頻對地漏電流也越大，而逆變器的輸出電流被影響的程度，也就越嚴重。

圖 5

高頻漏電的處理及保護與否?

(1)要了解逆變器中高頻漏電是否需要保護，首先要知道漏電保護的目的是什么?

一般對漏電流的幾種保護目的：

其一為對人體安全的保護，設定為短時(shí)間的突變，如30mA要在0.03S內完成報警保護。

其二為系統設備防止火災的保護。通常保護閾值設定為300mA，設備功率較大的，閾值會(huì )隨功率段的增大而增大。

其三為對直流6mA及以下漏電流的檢測，其目的為檢測對地絕緣阻抗值，通過(guò)檢測對地電壓的變化量來(lái)確認系統對地泄露電是否正常。

而高頻容性漏電隨著(zhù)逆變器的運行實(shí)時(shí)存在，基礎值較大，并且隨工況的變化而緩慢變化，這顯然不屬于保護人體安全的突變漏電和絕緣檢測。而從防火的角度來(lái)看，高頻漏電更多是由時(shí)間很短的奇次諧波構成，其能量相對較弱，不足以引發(fā)火災。且這些高次諧波可以通過(guò)硬件的方式將其去除掉。對高頻容性漏電的定位存在一定爭議。

圖 6

既然對這些高頻容性漏電的保護目的不是十分明確，那是否有類(lèi)似的系統可供參考，他們又是怎么處理的?

礦井變頻器在井下工作及漏電產(chǎn)生情況就與光伏逆變器類(lèi)似。

圖 7

礦井變頻器由于其特殊的結構，早期經(jīng)常會(huì )引起煤礦漏電保護系統做出誤判，導致在正常的生產(chǎn)情況下，漏電保護系統向斷路器發(fā)出錯誤的斷電信號，對煤礦安全生產(chǎn)造成了嚴重的事故隱患。

加入變頻器導致煤礦漏電保護系統誤判的原因主要有以下2點(diǎn)：

① 變頻器內部產(chǎn)生高次諧波引發(fā)漏電電流：

變頻器整流過(guò)程中產(chǎn)生的矩形方波和逆變過(guò)程中經(jīng)PWM調制形成的脈沖方波除了含有基波外都還含有高次諧波 ，這樣輸出線(xiàn)路中也就含有基波和高次諧波，由于井下電纜對地電容的存在，且電機機殼之間、繞組對地之間還有寄生電容，以及機器內部本身有Y電容。高次諧波會(huì )在電容上產(chǎn)生電流，即零序電流，從而使得煤礦漏電保護器系統誤判，發(fā)出斷電信號;

圖 8

② 高頻干擾：

變頻器中的高頻、高脈沖比常規信號還要高，監測點(diǎn)很難分辨這是干擾信號還是正常信號，這種情況下，系統很難保證檢測值的可靠性，從而導致監控系統的誤判動(dòng)作。并且干擾導致的系統檢測與實(shí)際保護目標點(diǎn)相比，既會(huì )出現偏高，也會(huì )出現偏低。對后端的保護，輕者，頻繁保護影響系統的正常運行。重者，在該保護的情況不保護，對生產(chǎn)設備造成損壞，存在重大事故隱患。高頻干擾總結為EMC電磁干擾的問(wèn)題。

關(guān)于EMC與漏電流之間的關(guān)系，筆者會(huì )在后續的文章中說(shuō)明。

由變頻器自己產(chǎn)生的高次諧波，對整個(gè)礦井系統產(chǎn)生的不良影響，可以通過(guò)硬件的方式處理。如: 安裝輸出濾波器、電抗器限制、變壓器隔離等方法。

另外，設備的接地與否，以及絕緣阻抗值的檢測也越來(lái)越顯得重要，它能監控設備對地阻抗的實(shí)時(shí)值，能反應設備在長(cháng)時(shí)間工作后有無(wú)泄漏電流等問(wèn)題。

硬件修正法：

圖 9

軟件修正改法：

在經(jīng)過(guò)一系列的硬件處理過(guò)后，高次諧波漏電會(huì )被去除大部分，但仍然會(huì )留下一小部分。而且會(huì )趨向于平滑。對于此時(shí)的平滑漏電，一般采取提高變頻器保護閾值的方法來(lái)操作。每個(gè)礦井的環(huán)境有所不同，所以這個(gè)閾值的選擇也需要分別調試。

(2) 在專(zhuān)門(mén)處理漏電檢測的低壓電器行業(yè)，對于高頻容性漏電又是怎樣進(jìn)行保護的呢?

筆者收集了相關(guān)信息，從漏保使用的各處客戶(hù)現場(chǎng)端了解到，早期在給變頻器選用漏保的時(shí)候經(jīng)常會(huì )出現機器運行時(shí)跳閘的現象。在考慮到變頻器工況的特殊性之后，再給變頻器選擇漏保時(shí)大家都更傾向于選擇帶漏電保護可調功能的漏保裝置。原因是機器在運行時(shí)本身就帶有高頻容性漏電，行業(yè)內把它稱(chēng)作假漏電。叫它假漏電的原因是它不是漏保真正要保護的對象。其危害性較小，它的存在影響到了人體安全保護及火災漏電保護的準確性。

所以在我們經(jīng)常能見(jiàn)到很多漏保上會(huì )有可調節漏電保護閾值的功能。

具體調節廠(chǎng)家需根據自身變頻器系統既定存在的漏電大小，結合總保護閾值的大小做一定比例分配。一般采取的比例為：

保護閾值(IΔn)=真實(shí)漏電流(0.7*IΔn)+高頻容性漏電(0.3*IΔn);

要求高頻容性漏電部分占比不高于保護閾值的30%，不然會(huì )導致整個(gè)系統頻繁報警無(wú)法正常工作。

回歸到光伏逆變器中漏電流的檢測方式：

光伏逆變器的高頻容性漏電產(chǎn)生原因和礦井變頻器類(lèi)似。兩者的實(shí)時(shí)漏電流值都會(huì )受寄生電容及自己本身的電壓變化影響?？紤]到安規，逆變器的功率段越大，所需要用到的吸收電容總容值就越大。在提高了抗電網(wǎng)電壓沖擊和EMC抗擾度能力的同時(shí)，也間接增加了高頻容性漏電。對于高次諧波等高頻漏電的處理方式一般采用電抗器等方式濾除。

逆變器內部對漏電流的處理方式分偏軟件處理和偏硬件處理。

【主軟件處理】：

(對于偏軟件處理的漏電檢測也分兩種方案)

① 對所采集到的所有漏電成分都進(jìn)行累加計算。

但該方案存在一定缺陷：很難完整地采集到所有漏電流信號;同時(shí)由于高頻容性漏電的存在，它會(huì )對逆變器突變漏電保護和持續漏電保護的準確性造成很大的影響。

舉例：

一臺較大功率的逆變器在現場(chǎng)工作時(shí)，由于其前端連接的組件數量較多，整機運行起來(lái)后，其產(chǎn)生的高頻容性漏電基礎值就已經(jīng)很大了。而且現場(chǎng)的影響因素不定，其基礎漏電由無(wú)數個(gè)大小時(shí)間各不相同的諧波組成。這時(shí)候任何一點(diǎn)現場(chǎng)變化都會(huì )放大漏電檢測的真實(shí)輸出，且極大可能觸發(fā)突變漏電。這里的變化包括，環(huán)境溫濕度，線(xiàn)纜風(fēng)擺，逆變器內部的電壓變化以及電磁干擾等。

這時(shí)，我們再來(lái)反觀(guān)IEC62109中的檢測要求。測試模型中其實(shí)并沒(méi)有檢測高頻容性漏電的要求。有的則是在高頻容性漏電的基礎上突加阻性漏電，以檢驗這時(shí)候突變漏電的可靠性。

圖 11

為了說(shuō)明逆變器中容性疊加阻性這一測試要求，這里引入汽車(chē)漏電保護的要求

舉例IEC62752汽車(chē)漏電保護。漏電流檢測的項目中有一項要求是在正常檢測工頻50Hz漏電流基礎上，疊加1KHz波形。標準中就明確注明了疊加1KHz的目的：模擬運行中的各種干擾工況。要求測試中系統的保護閾值以50Hz為基準，但不能受1KHz波形的干擾。法規同樣認可你可以提前濾除高頻的干擾再做檢測判斷。

圖 12

圖 13

兩個(gè)測試標準和驗證方式相比就不難發(fā)現，高頻部分都是作為影響真實(shí)漏電檢測的干擾量。

② 對采集到的漏電軟件濾除所有高頻部分，只保留下低頻至直流的漏電。

這種方式的好處在于，系統只對認為要保護的漏電進(jìn)行保護，不受高頻部分的影響。它對真實(shí)漏電報警的準確率會(huì )大大提升。但缺點(diǎn)同樣明顯，以軟件來(lái)區分真實(shí)漏電和高頻漏電的算法困難度較高，還要占據大量的運算量。

【主硬件處理】：

光伏逆變器通過(guò)自身硬件濾除大部分高頻干擾漏電。但光靠硬件無(wú)法完全去除干凈，此時(shí)傳感器通過(guò)自身內部集成的低通濾波，把檢測到的信號再一次濾除。將真正需要關(guān)注的漏電流以主體形式體現出來(lái)。

仿真驗證測試如下：

針對逆變器內部剩余存在的高頻漏電，通過(guò)調節低通濾波可以將其控制到合理位置。

圖 14

客戶(hù)端實(shí)際應用：

圖 15

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