CN116936236A - 一种改善直流电弧检测精度的检测互感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，用于检测光伏电池板的正负极直流电弧，包括磁芯，磁芯包括外圈环形磁芯和磁芯中柱；磁芯中柱上绕设有测量线圈Ns；待检测光伏电池板的正极接线和负极接线均绕设于所述磁芯中柱上，正极接线和负极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数相等且绕制方向相反；待检测光伏电池板的正极接线和负极接线流过电弧，测量线圈输出所述检测互感器的检测信号。采用该检测互感器检测光伏电池板产生的直流电弧，可消除共模电流对电弧电流检测的影响，提升电弧检测的准确性。此外，检测互感器在Ns匝数不变时，正负极接线均绕在中柱上、磁通量增倍，即差模电流包含的电弧电流变化同步增倍，进一步提高检测精度。

Description

一种改善直流电弧检测精度的检测互感器及方法
技术领域
本申请涉及一种改善直流电弧检测精度的检测互感器及方法，属于新能源并网发电技术领域。
背景技术
随着光伏研究的日益进步，光伏发电装机容量得以不断增长。作为未来主流的绿色能源，太阳能系统的可靠性也开始引起人们的重视。由于光伏发电组件的功率等级不断提升，以及长时间的户外工作，对其安全运行也带来巨大的考验，直流电弧的产生就是其中之一。设备频繁开断，接头松动，线缆老化都是直接引起直流电弧的重要原因。直流电弧不存在过零点的特性加上白天的持续光照使其难以熄灭，极易引起火灾事故，对发电设备带来毁灭性的后果。光伏直流电弧故障检测也成为了国内外研究的热点。
如图1所示，传统直流电弧检测方案将一串(或多串)光伏(PV)电池板的正极(或负极)导体穿过一个互感器磁环(为方便叙述，此处假设只有一串PV穿入,即Np＝1)，同时磁环绕有一组匝数为Ns的信号测量线圈，一般称Np导体为互感器原边，绕组Ns为互感器副边。理想情况下，原边导体在互感器中产生的净安匝数为Np*IPV+＝IPV，由互感器基本原理可知，测量线圈Ns会感应出电流Is＝IPV+/Ns＝IPV/Ns,其中IPV为接入的PV电流。光伏电池板回路安装或接触不良时可能会在IPV中产生电弧信号，此噪声信号会被测量线圈Ns检测到。
但是实际光伏电池板存在对地(PE)寄生电容CPV，逆变器运行时会在该电容中产生共模电流Icm，从图2可以看出，此时互感器原边产生的净安匝数为Np*IPV+＝IPV-Icm，即共模电流Icm也会影响互感器原边安匝数，并被副边测量线圈检测到，共模电流Icm与电弧信号并无直接关联，且该电流随着逆变器运行状态或环境而改变，从而影响电弧检测的精度。
逆变器工作时所带来的共模电流会对直流电弧检测产生较大干扰，目前现有技术缺少针对这种问题的解决办法。
发明内容
本申请要解决的技术问题是逆变器工作时产生的共模电流对直流电弧检测产生干扰的问题。
为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，用于检测光伏电池板的正负极直流电弧，包括磁芯，磁芯包括外圈环形磁芯和磁芯中柱；
磁芯中柱上绕设有测量线圈Ns；待检测光伏电池板的正极接线和负极接线均绕设于所述磁芯中柱上，正极接线和负极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数相等且绕制方向相反；
待检测光伏电池板的正极接线和负极接线流过电弧，测量线圈Ns输出所述检测互感器的检测信号。
优选的，所述外圈环形磁芯设为沿磁芯中柱的对称结构。
一种优选结构形式，所述外圈环形磁芯为方形，所述磁芯由两个E型磁芯拼接而成。
另一种优选结构形式，所述外圈环形磁芯为圆形，磁芯中柱位于所述外圈环形磁芯的直径位置处。
另一种优选结构形式，所述外圈环形磁芯为菱形，磁芯中柱位于菱形的对角线处。
优选的，所述中柱上绕设有两组测量线圈Ns，一组输出所述检测互感器的检测信号，一组输出所述检测互感器的干扰自检信号。
优选的，所述光伏电池板的正极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数设为1、且正极接线的首尾两端位于磁芯两侧。
优选的，所述光伏电池板的正极接线相对于测量线圈Ns同方向或反方向绕设于所述磁芯中柱上。
本申请还提供了一种改善直流电弧检测精度的检测方法，采用上述的检测互感器检测光伏电池板产生的直流电弧。
采用上述的检测互感器检测光伏电池板产生的直流电弧，可消除光伏系统共模电流对电弧电流检测的影响，达到只检测电路里面的差模电流，消除其中共模电流，从而提升电弧检测的准确性。另外此电路在Ns匝数不变时还可以使差模电流检测的幅值增倍(正负极接线均绕在中柱上，使得磁通量增倍)，即差模电流里面包含的电弧电流变化也同步增倍，进一步提供高了检测精度。
附图说明
图1为传统直流电弧检测互感器原理图；
图2为共模电流对电弧检测的影响示意图；
图3为实施例中提供的直流电弧检测互感器原理图；
图4-1为由直流电弧检测互感器拆分出的差模电流检测电路原理图；
图4-2为图4-1所示电路的等效电路原理图；
图5-1为由直流电弧检测互感器拆分出的共模电流流向PE检测电路原理图；
图5-2为由直流电弧检测互感器拆分出的共模电流从PE流出检测电路原理图；
图5-3为图5-1所示电路的等效电路原理图；
图5-4为图5-2所示电路的等效电路原理图；
图6为正负极线同方向绕制在中柱上的直流电弧检测互感器原理图。
具体实施方式
为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本实施例提供的改善直流电弧检测精度的方法，采用图3所示的检测互感器，包括由两个E型或相似形状(半圆形、三角形等)拼接在一起的磁芯，使得磁芯具有一个外圈环形磁芯和一个磁芯中柱，磁芯中柱上绕有测量线圈Ns，Ns绕组可以分为2组绕制，一组作为检测用，一组作为干扰信号自检用。光伏电池板正极接线、负极接线同样绕制在磁芯中柱上，正极接线和负极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数相等且绕制方向相反。正极接线相对于测量线圈Ns可以有两种绕制方法，一种正极接线与测量线圈Ns同方向绕制，另一种正极接线与测量线圈Ns反方向绕制，其中图3为正极接线与测量线圈Ns反方向绕制。
为方便叙述及理解，按照图3中绕制方式，假定绕制匝数为1，正极接线的首尾两端位于磁芯两侧。根据叠加原理，可将正、负极接线电流等效为差模电流与共模电流的叠加，即正极接线电流IPV+＝I’PV++Icm,负极接线电流IPV-＝I’PV-+Icm,其中I’PV+＝I’PV-＝IPV为差模电流，Icm+＝Icm-＝Icm为共模电流。定义IPV+、IPV-的箭头方向为正，可得出IPV+＝IPV-Icm，IPV-＝IPV+Icm，根据基本电磁原理可知，正、负极接线在闭合回路CPV1及CPV2中产生相应的磁通，IPV+感应产生磁通定义为ΦPV+＝Np*IPV+/Ae，IPV-感应产生磁通定义为ΦPV-＝Np*IPV-/Ae，式中Ae为中柱的磁芯截面积。把ΦPV+与ΦPV-相加，就是中柱的总磁通，如下计算简化后可得：ΦPV++ΦPV-＝Np*IPV+/Ae+Np*IPV-/Ae＝Np*(IPV-Icm)/Ae+Np*(IPV+Icm)/Ae＝2Np*IPV/Ae
通过上式可以看出，此种绕制方式与接线后，磁芯中柱上的磁通只与差模电流IPV的大小有关系，与共模电流Icm无关系。故测量线圈Ns不会感应出任何共模电流Icm的大小变化，只能感应出差模电流IPV的大小变化，因此该方案可以消除共模电流Icm对电弧信号检测的干扰。
为进一步说明理解，将图3所示的检测互感器拆分为图4-1所示的差模电流检测电路和图5-1和图5-2所示的共模电流检测电路；
参见图4-1和图4-2，差模电流部分I’PV+与I’PV-在磁芯中柱产生的磁场Φ’PV+、Φ’PV-大小相等、方向相同，通过测量线圈Ns中感应出的电流Is的大小，就可计算出差模电流的大小；
参见图5-1～图5-4，可以看出，共模电流存在两种电流方向，但是同一时刻的两根导体中共模电流方向相同，大小相等，图5-3是流向PE的等效电路,图5-4是从PE流出的等效电路，从等效电路都可以看出，Icm+与Icm-在中柱产生的磁通ΦIcm+、ΦIcm-是大小相等、但方向相反的，即磁通在磁芯中柱上相互抵消的，测量线圈Ns不会感应出任何大小的共模电流，因此该方案可以消除共模电流Icm对电弧信号检测的干扰。
图3中正极接线与测量线圈Ns反方向绕制在磁芯中柱上，图6所示为另一种绕制方式，正极接线与测量线圈Ns同方向，同样的根据叠加原理，可将正、负极接线电流等效为差模电流与共模电流的叠加，即IPV+＝I’PV++Icm，IPV-＝I’PV-+Icm，其中I’PV+＝I’PV-＝IPV为差模电流，Icm+＝Icm-＝Icm为共模电流。定义IPV+、IPV-的箭头方向为正，可得出IPV+＝IPV-Icm，IPV-＝IPV+Icm，根据基本电磁原理可知，正、负极电流在闭合回路CPV1及CPV2中产生相应的磁通，IPV+感应产生磁通定义为ΦPV+＝Np*IPV+/Ae，IPV-感应产生磁通定义为ΦPV-＝Np*IPV-/Ae，式中Ae为中柱的磁芯截面积。把ΦPV+与ΦPV-相加，就是中柱的总磁通，如下计算简化后可得：ΦPV++ΦPV-＝Np*IPV+/Ae+Np*IPV+/Ae＝Np*(IPV-Icm)/Ae+Np*(IPV+Icm)/Ae＝2Np*IPV/Ae
通过上式可以看出，此种绕制方式与接线后，磁芯中柱上的磁通只与差模电流IPV的大小有关系，与共模电流Icm无关系。故测量线圈Ns不会感应出任何共模电流Icm的大小变化，只能感应出差模电流IPV的大小变化，因此该方案也可以消除共模电流Icm对电弧信号检测的干扰。

Claims (9)

1.一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，用于检测光伏电池板的正负极直流电弧，其特征在于，包括磁芯，磁芯包括外圈环形磁芯和磁芯中柱；
磁芯中柱上绕设有测量线圈Ns；待检测光伏电池板的正极接线和负极接线均绕设于所述磁芯中柱上，正极接线和负极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数相等且绕制方向相反；
待检测光伏电池板的正极接线和负极接线流过电弧，测量线圈Ns输出所述检测互感器的检测信号。
2.如权利要求1所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述外圈环形磁芯设为沿磁芯中柱的对称结构。
3.如权利要求2所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述外圈环形磁芯为方形，所述磁芯由两个E型磁芯拼接而成。
4.如权利要求2所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述外圈环形磁芯为圆形，磁芯中柱位于所述外圈环形磁芯的直径位置处。
5.如权利要求2所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述外圈环形磁芯为菱形，磁芯中柱位于菱形的对角线处。
6.如权利要求1所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述中柱上绕设有两组测量线圈Ns，一组输出所述检测互感器的检测信号，一组输出所述检测互感器的干扰自检信号。
7.如权利要求1所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述光伏电池板的正极接线绕设于所述磁芯中柱上的匝数设为1、且正极接线的首尾两端位于磁芯两侧。
8.如权利要求1所述的一种改善直流电弧检测精度的检测互感器，其特征在于，所述光伏电池板的正极接线相对于测量线圈Ns同方向或反方向绕设于所述磁芯中柱上。
9.一种改善直流电弧检测精度的检测方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的检测互感器检测光伏电池板产生的直流电弧。
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