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光伏电力系统应用中的接地故障保护装置的调查
摘要
光伏发电系统，像其他电气系统一样，可能会出现意外的接地故障。已安装的光伏发电系统总是有其电气原理图所示以外的看不见的元素。杂散电感、电容和电阻分布在整个系统中。与光伏组件、相互连接的阵列、电线、浪涌保护装置和管道相关的泄漏电流加起来，可能大到看起来像接地故障。光伏系统经常连接到其他电源或能源储存，如电池、备用发电机和公用电网。这种分布式电源和能源的复杂安排，分布式阻抗和与其他电源的接近，需要感应接地故障并由接地故障保护装置作出适当的反应。不同的接地要求（国家与国家之间）往往使情况更加混乱。本文讨论了与光伏系统的交流和非交流侧相关的接地故障问题，并介绍了在各种运行模式下对市面上的交流接地故障保护装置进行反送的测试结果和运行影响。此外，还报告了在与美国光伏逆变器公用事业互连的防孤岛时间相当的时间内，回馈跳闸的接地故障装置的测量效果。
简介
光伏发电系统可能会在逆变器的直流或交流侧遇到意外的接地故障。有时，与光伏组件、光伏阵列、电线、接线板、浪涌保护装置和导管有关的杂散漏电电流会变得足够大，看起来就像光伏系统的接地故障。美国国家电气规范（NECreg;）自1987年以来，在第690-5节中要求对安装在住宅上的光伏系统使用接地故障保护装置。 NEC规定：'位于住宅上的屋顶光伏阵列应提供接地故障保护，以减少火灾危险'。与这些接地故障保护装置相关的跳闸水平通常被设定为防止火灾危险的水平，而不是为了保护人员。现有装置的故障跳闸水平一般为0.5A左右。
在1999年版的NEC中增加了关于交流（ac）光伏组件的第690-6条。它规定 '690-6(d) 应允许交流模块系统使用单一的检测装置，只检测交流接地故障，并通过移除交流模块的交流电源使阵列失效。'这规定了单个和多个交流光伏组件的安装，并允许使用单个接地故障装置来保护多个交流光伏组件。这条规定没有说明交流光伏组件的接地故障保护装置是用于防火还是用于人员保护，也没有提到市面上的硬件没有额定的回馈。
本文重点讨论接地故障问题与交流光伏系统和交流接地故障装置有关。分支电路上正确安装的（非后馈）接地故障装置的正常接地故障跳闸，在不到一个周期内将GFCI的跳闸线圈与线路电源断开。如果该装置被光伏电源（如交流光伏模块）反哺，那么电源现在就从负载侧传到接地故障装置的线路侧。当大多数接地故障设备被跳闸，并且存在回馈时，跳闸线圈通过相关的内部电路保持通电，并保持与逆变器的连接。只要变频器继续运行，它就能保持通电状态。测试结果和许多商业上可用的交流接地故障保护装置在跳闸状态下的反送所造成的运行故障都有描述。这些数据证明了需要澄清NEC对交流光伏组件系统交流侧的交流接地故障保护的现有要求，以及硬件的允许用途。
接地故障安全要求
NEC对dc接地故障保护的要求是基于防火，而不是通常要求户外场所、厨房、车库和浴室的交流防震人员保护。第一批用于光伏系统的de设备是定制设计，没有上市或认证。现在，接地故障保护可以作为单独的上市设备获得，或者现在包括在一些公用事业的逆变器设计中。
1999年NEC中新的第690-6条允许在交流电路上使用单一的接地故障装置来检测交流接地故障，并通过移除集成逆变器的交流电源使交流光伏组件失效。尽管第690-6(d)条是允许的，而不是要求使用交流接地故障保护，但其他的法规的某些部分确实要求对户外和潮湿场所的设备和插座进行接地故障护，这就产生了一系列混乱和冲突的要求。一些光伏安装人员对NEC的解释是，允许使用用于人员保护的接地故障电路断路器（GFCls）来满足接地故障设备的要求。然而，GFCls的低跳闸水平（4-6毫安）已被发现，由于某些逆变器的电磁干扰（EMI）滤波器泄漏，会导致错误跳闸。还有一些光伏安装人员解释说，接地故障保护（GFP）装置（用于设备保护）可以用来满足NEC的要求。这两种类型的设备都被用于光伏安装，但这两种类型的设备都没有被列为由另一个电源反哺，因为在使用交流光伏组件向电网供电的应用中。
直流接地故障保护硬件
用于光伏阵列的接地故障保护硬件现在可以作为低压系统（48V或以下）的独立设备在市场上买到，或者可以集成到用于光伏应用的直流-交流市电交互式逆变器。脱离接地故障保护的需求完全是基于防火的考虑，而且该要求一般只适用于住宅屋顶安装的光伏阵列。商业上可用的接地故障保护硬件被设计成从光伏阵列和逆变器两端供电，以满足NEC的要求。
人员用交流接地故障电路中断装置
有几种类型的交流接地故障保护装置可以在市场上买到。防震接地故障断路器（GFCls）是用来防止震荡和触电的。它们被设计用来测量负载侧对地的泄漏电流（4-6毫安），然后在交流电的一个周期内断开电源。这些设备被设计成安装在配电盘上的断路器或插座。有些设备标有 '不回馈 '的字样，但即使是那些没有标示的设备，也没有被独立的实验室评为或列入可回馈的名单。
安装在服务入口面板上的断路器类型的防震GFCI被设计用来保护整个分支电路免受接地故障的影响，并作为过电流保护。另一种类型的防震GFCI是人们比较熟悉的装置，在住宅的浴室、厨房和车库里都能找到。它们是插座型GFCI装置，可以保护整个分支电路、部分电路或单个插座免受接地故障影响。图1显示了一些被测试的插座式GFCI（人员保护）装置。这些插座型GFCI装置都没有被评为或列入后备电源。
图1 插座式GFC1装置
设备的交流接地故障保护装置
接地故障保护（GFP）装置（接地故障保护的一个单独类别）是为了保护设备免受接地故障的影响，并提供过电流保护。它们被设定为在较高的接地故障电流下跳闸，只提供设备和消防保护。所测试的商业设备上的跳闸电流被标记为30毫安。图2显示了一些测试的断路器GFP（设备保护）装置。测试的设备是单极的，额定电压为120伏。
图2 测试的断路器GFP装置
交流光伏组件的防陷落要求
NEC要求光伏系统和交流光伏模块中的逆变器，包括那些可能使用GFCI或GFP设备的逆变器，都必须经过认证。一般来说，这意味着逆变器将根据保险商实验室的《光伏发电系统中使用的静态逆变器和充电控制器安全标准》（ UL1741 ） 上 市 （ 测 试 和 评 估 ） 。 [7] IEEE 标 准 929-2000 '光伏发电系统的公用事业接口推荐做法 '也可由当地公用事业部门作为互连标准来应用。[8] 这两份文件都经过协调，规定并测试了逆变器在市电断开或超出规定时的最小运行时间（与市电断开后继续运行）。除了超出电压容限的响应时间外，还有一个孤岛保护部分它解决了上市（非孤岛）逆变器在面临孤岛条件时必须表现出的反应。
通常情况下，当市电突然断开，而逆变器上的剩余负载与其输出功率几乎平衡时，可能存在孤岛状态。UL1741和IEEE标准929-2000中的测试，在逆变器上添加了一个调谐的LC（电感和电容）电路，与逆变器并联。平衡电阻性负载。[1OJ 总的RLC电路有一个质量系数（Q）为2.5，倾向于保持谐振。频率接近60赫兹。符合该标准的逆变器能够检测到上述的孤岛状态，如果负载小于50%或大于150%的逆变器输出功率，且功率因数小于0.95（领先或滞后），则在10个周期内断开连接。如果负载在50%的范围内平衡，并且功率因数大于0.95，那么当测试电路的质量因数为2.5或更低时，逆变器必须在2秒内断开。
由gfci和gfp设备代表的负载
所进行的测试表明，所有断路器类型的GFCI和GFP装置的构造是，该装置的跳闸线圈连接在电路的负载侧。在一个正常的（非回馈）分支电路上跳闸，GFCI的跳闸线圈在一个周期内与线路电源断开。如果该设备被光伏电源（如交流光伏模块）反哺，那么电源现在从负载侧流向该设备的线路侧。当跳闸时，跳闸线圈通过相关电路保持通电状态，并保持与逆变器的连接。只要逆变器继续工作，它就能保持通电状态。
我们发现，各种GFCI和GFP模型中的一些跳闸线圈和电子电路表现出100W至300W的电阻性负载，这与单块或多块交流光伏组件中的功率范围完全相同，因此增加了概率的孤岛。即使是这个范围内的短期功率水平，当被限制在接地故障保护装置的小尺寸时，也会导致电路或跳闸线圈的破坏。人们发现，许多跳闸的断路器接地故障保护装置中的跳闸电路会在变频器运行的2-3秒内被破坏。
在孤岛条件下进行的测试
使用图3所示的电路测试了市面上的GFP和GFCI装置[6]。该测试设置允许GFP和GFCI设备进行广泛的回馈操作。请注意，这些装置是为从 '线路 '流向 '负载 '的电流而设计的。在光伏系统中，电流将从 '负载 '流向 '线路'，这意味着该设备被反哺。逆变器模拟器的输出特性类似于电压来源的发电商，具有可控的功率输出和运行时间调整。功率输出是可调的，以匹配接地故障设备提供的负载，或显示接地故障保护跳闸后较高和较低的回馈电流的效果。使用电子定时器/计数器，运行时间可以很容易地从大约40毫秒到几小时，以10毫秒为单位进行调整。其他功能包括调整接地故障电流的大小，以及直接短路接地故障的保护保险丝。
图3 接地故障装置的测试
被测的GFCI设备或GFP设备被可调的接地故障电流跳闸，计时器在同一时刻被触发。然后，计时器/计数器调整变频器模拟器向被测接地故障保护装置反送的时间长度。接地故障断路器设备被置于整个运行时间范围内，直到跳闸电路失效。
用数字示波器记录电压和电流波形以及故障时间。一些对插座型GFCls的测试需要将示波器与地线隔离，因为中性线是当设备跳闸时就会中断。 这也要求从设备的负载HOT端到负载NEUTRAL端施加一个高电阻负载。
所有的接地故障设备都对指定的故障水平作出反应，并在不到一个周期内断开（跳闸）。然而，来自不同制造商的接地故障硬件的电流差异很大。每种类型的断路器接地故障装置在跳闸后的运行时间越来越长，直到失效或没有观察到进一步的变化为止。大多数断路器类设备的跳闸电路在模拟变频器运行2-3秒后失效。所有跳闸电路失效的设备都能在失效后复位，但没有一个能继续作为接地故障保护装置发挥作用。请注意，客户知道设备是否损坏的唯一方法是按下设备上的测试按钮并观察跳闸情况。所有的设备都被标记为每月进行一次 '测试'。
gfci和gfp设备的回馈测试结果
在发生接地故障之前和之后，记录了电压和电流波形。本文报告的波形包括接地故障设备的负载端子（负载HOT到负载NEUTRAL）上的电压和流入该设备的负载（HOT）端子的电流。由逆变器模拟器提供的故障电流没有被测量。波形显示了由接地故障引起的干扰、接地故障设备的反应时间、接地故障后接地故障设备的电流、模拟逆变器运行和逆变器禁用的反应。
下面一组波形显示了广泛的种类所代表的反应和跳闸电路负荷。在运行过程中，设备的电流逐渐减少（也显示在图4中），直到设备的跳闸电路在大约2秒的运行后失效。每个接地故障装置都被测试到失效或直到明显没有进一步的变化发生。失效时间通常在2到5秒之间。L1741和IEEE Std. 929-2000要求允许2秒的平衡负载断开时间，这给在背负式配置中使用这些断路器设备带来了困境。一些交流光伏组件或交流光伏组件的组合工作在100-300W的范围内，一些接地故障设备可能会对光伏系统的输出呈现出匹配的负载。请注意，即使逆变器符合标准，平衡负载（由接地故障保护的跳闸电路代表）也会使允许的运行时间最大化。
图4 接地电流波形图
图5显示了在一个设备型（30毫安）接地故障保护装置上测量的波形，该装置在跳闸后吸取的电流似乎是一个整流电流。这个特殊的波形描述了这样一种情况：由逆变器模拟器提供给公用电网的电流大约是被跳闸的接地故障设备吸取的数值的两倍。该设备在不到二分之一的周期内跳闸，该测试的运行时间为55毫秒。
图5 接地故障保护装置波形图
图6显示了在断路器型人员保护（5毫安灵敏度）GFCI上测量的波形。请注意，所有的人员型GFCls表现出一系列的波形和反应，与设备保护GFP相似。这个波形代表了模拟变频器的50毫秒运行。还测试了插座型GFCI装置。
图6 断路器波形图
图7显示了模拟变频器的电流波形在设备被跳闸时被终止。请注意，一旦GFCI跳闸，就没有电流，因为插座型设备在跳闸时同时打开中性线和热线，这就有效地将跳闸线圈与模拟变频器电路的负载终端断开。没有迹象表明，插座型设备会因为孤岛效应而失效。这种设计（具有较高的跳闸点）将是为光伏应用提供接地故障保护的良好候选方案，例如交流光伏模块，但NEC不允许在交流光伏模块的专用电路上有任何插座。另外，该设备必须被列入后备电源。
图7 模拟变频器电流波形图
NEC规定 '690-64。连接点。光伏电源的输出应按(a)或(b)的规定连接。(a) 供电侧。在第230-82(5)条允许的情况下，应允许将光伏电源连接到服务断开装置的供电侧。(b) 负载侧。在满足以下所有条件的情况下，应允许将光伏电源连接到场所内任何配电设备上的其他电源的服务断开装置的负载侧。在这些测试中观察到，一旦从跳闸的断路器型接地故障设备上切断电源，然后再重新接通，跳闸电路就不会产生电流。如果一个可再生能源系统试图反复重启，这一特性可以使设备免于破坏。用于光伏系统的上市市电交互式逆变器不应试图重新启动，除非市电电压存在并在规格范围内两分钟。然而，今天有了新的逆变器，它们也可以独立于公用电网运行，在公用电网停电的情况下为负载供电。如果跳闸的断路器型接地故障装置仍在电路中，独立的逆变器输出可以继续，直到内部接地故障装置的电路被破坏。图8
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