在构建可持续能源未来的征程中光伏系统作为关键角色

在构建可持续能源未来的征程中，光伏系统作为关键角色，正不断拓展其在全球能源版图中的地位。从大规模的光伏电站到分布式的屋顶光伏设施，其应用场景日益广泛。而在光伏系统复杂的架构中，电压电流传感器扮演着极为重要的角色，尤其是在接地故障检测与中断(GFDI)领域，其作用关乎系统的安全性、稳定性与高效性。

多个光伏电池(PV)通过串联和并联组成高压的光伏电池组，连接逆变器后开始并网发电，接入最大功率点跟踪(MPPT)装置则可给电池组充电储能。当 PV 电压达到 600V 及以上时，就有了 GFDI 的要求。需注意，GFDI(Ground Fault Detection Interrupter)与常见的漏电保护装置 GFCI(Ground Fault Circuit Interrupter)不同，其目的并非保护人身安全，而是防止因设备错误接地引发的各类故障，如功率损失、幽灵电压、杂散电压等，旨在保护设备。

GFDI 的核心思想基于两个关键方面。一方面，从人身安全角度考虑，正端和金属外壳接地较为理想，但这会引发所谓的 PID(电势诱导衰减)问题。另一方面，负极接地是抑制 PID 的有效手段，但需要监测 GFDI 的漏电流，避免因错误接地或接地故障导致短路。其核心目标便是检测直流侧异常的接地风险。在 UL1741、IEC62109 等安全标准中，明确要求光伏系统电压≥600V 时需配备 GFDI，且故障响应时间≤2 秒。

早期一种高压电池组的 GFDI 电路，纯粹依靠机械式的 Breaker 来断开系统，以实现因错误接地的保护。这种方式优点显著，可靠性高。然而，其缺点也较为明显。成本方面，需要使用专门的 GFDI breaker，不仅增加了成本，还引入了采购风险;响应时间上，由于利用电流通过电阻发热使 Breaker 脱扣(遵循 I²t 关系)，导致响应时间慢，检测精度也比较低。

针对上述产品的优缺点，业界提出了一种改进的 GFDI 电路。该电路的创新之处在于引入闭环霍尔电流传感器，实时监测漏电流。程序不断进行 A/D 转换并做逻辑判断，一旦漏电流大于某个限值(IEC 要求最低为 5A，此值可在程序中任意设定)，便迅速输出控制信号，使设备脱扣。整个响应时间不到 100ms(0.1s)，远远小于 IEC 要求的最低 2s。

该电路能在短时间内作出响应，主要得益于以下因素。闭环霍尔电流传感器选用光伏、储能专用的芯森电子 CM 系列，如 CM2A、CM3A，量程为 0 - 200A，精度达 0.3%。在做好零点消除，后端采样、放大电路采用低温漂、高精度电阻及自校准等一系列措施后，精度可轻松优于 0.1%，甚至可达 0.05%。并且该器件响应时间小于 1μs，意味着能够精确测量、迅速反应。以 12Mhz 主频、1T 指令周期的 8 Bit 的 8051 内核单片机为例，完成一个 A/D 转换周期最快约 6μs，最慢约 35μs，程序做判断按 100 条机器指令计算，约需 100μs = 0.1ms。最终输出控制接触器通断，接触器动作时间最大约为 60ms，合计最大约需 61ms。

完整的应用电路中，主电源 24V 输入，带有 EMC 保护部分，该设计能抗至少 2000V 的 EFT 和浪涌。主 CPU 为 8051 内核，配备标准的 485 接口。输出通过一个 10A 触点容量的继电器，去推动一个大电流的直流接触器，从而实现保护目的。此电路还自带一个最大值检测并保持电路。测试表明，该单元电路能顺利检测到宽度仅 10μs 的脉冲幅值并保持至少 10 秒。程序只需定时读取该点的 A/D 值，无需担心错过最大值时刻，所以不必在意单片机运行速度。即便单片机主频低至 1Mhz，整体响应速度也快于 65ms，该单元电路成为一大亮点。

芯森电子 CM2A/CM3A 霍尔电流传感器工作电压为 ±15V，对于一些只用单 5V/12V 电源的单片机系统可能不太友好。这种情况下，可以考虑芯森电子 CS1V 器件。该器件采用单 5V 电源供电，为闭环霍尔、PCB 安装、穿线式，最高可测量到 300A，响应时间约为 1.2μs ，用于测量 GFDI 的漏电流也是不错的选择。不过需要注意绝缘问题，该结构器件的被测线电压不能太高。

电压电流传感器在光伏系统的 GFDI 中有着不可或缺的地位。从早期简单但存在诸多缺陷的机械式 GFDI 电路，到引入先进闭环霍尔电流传感器的高性能 GFDI 电路，技术的不断革新推动着光伏系统安全性与稳定性的提升。随着科技的持续进步，相信会有更多高性能、低成本、高可靠性的电压电流传感器及相关电路应用于光伏系统，为全球清洁能源事业的发展注入更强大的动力。