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摘要：随着社会经济的快速发展，我国的科学技术也在迅速进步。光伏系统中的直流故障电弧严重危害光伏系统的安全运行。研究光伏系统直流故障电弧的特性及检测方法对保障光伏系统运行的安全性和可靠性具有重要意义。介绍了光伏系统中直流故障电弧产生的原因及分类、国内外对光伏系统直流故障电弧的研究成果，对比分析了光伏系统中直流故障电弧的定位方法以及检测原理和检测方法，综述了故障电弧断路器的研究现状和发展方向。最后，对光伏系统直流故障电弧研究的发展趋势进行了展望。
关键词：光伏系统；直流故障电弧；故障电弧检测；检测方法
引言
目前，光伏发电系统应用广泛，尤其是分布式光伏发电系统的推广，光伏直流电弧导致的火灾与安全问题已逐渐威胁到住宅建筑、商业设施、公共设施及其光伏系统的安全。光伏系统工作在直流高电压和大电流的情况下，由于线缆绝缘老化、连接受潮、接触器接触不良、磨损、腐蚀或机械压力导致的松动、靠近热源等都会产生直流电弧。光伏系统直流侧接线端子很多，发生电弧危害可能性高，特别是屋顶光伏电站，一旦失火扑救困难、经济损失巨大。
1光伏直流电弧的特点
光伏直流电弧的形成往往伴随着以下特点：电弧是强功率的放电现象，伴随着电弧，大量的电能转化为热能，使电弧处的温度极高，以焦耳热的形式发出；电弧是一种自持放电现象，不用很高的电压和很大的电流就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭；电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状，电弧区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状。电弧强度随电压、电流、间距增大而增大，稳定性随间距增大而降低。电弧特性曲线如图1所示。
图1 电弧特性曲线
2光伏系统直流电弧故障检测相关研究
2.1直流电弧故障基础研究
研究电弧的高频电流产生机理，发现高频电流与等离子弧柱和阴极斑点区域运动有关，阴极斑点区域取决于电弧根部移动和电弧根部半径，并且电流大小和电极材料影响高频电流的强弱程度。其研究模型表明：当电流增加时，高频电流的发射点增加，则阴极区域的活动减少并趋于稳定，高频电流的幅值越弱。同时，阐述在熔点较低的材料作为阴极时（如铜电极），380V直流电压产生的电弧电流主要成分为高频电流。当铜电极产生电弧时，高频电流的幅度随着电弧电流等级增加而衰减，频带在10MHz以上的高频成分基本消失。因此，从工程应用角度出发，当电流等级增加到一定程度，采用电弧的高频电流来检测电弧故障并不可靠。通过2～17A的电流等级下电弧电压的功率谱密度来研究直流电弧的高频特性，电弧电流越大，电弧电压上升越快，说明电极表面温度影响电弧信号的波形变化；且电弧间隙影响电弧信号的频率成分，间隙越小，高频信号越强。针对光伏系统直流电弧故障的产生方式进行参数化研究试验并进行相应的频谱分析。根据电弧的特点，电弧的U-I曲线分为两个区域：反比例区域和恒电压区域。反比例区域即在电弧起始阶段，随电弧电流增加电弧电压减少；在恒电压区域，随电弧电流增加，电弧电压略有上升。根据电弧的电流和电压反比关系，以及电弧间隙对电弧电压和电流变化的影响，提出反映电弧电压与电流关系的修正方程。当铜电极产生电弧故障时，电弧压降取决电弧间隙的长度，一般压降为20～30V。电弧压降只有在电弧起始阶段会超过30V。
2.2光伏系统直流故障电弧的定位
光伏供电系统中，准确定位电弧故障位置，对于及时应对故障电弧避免损失具有重要的意义。当前的故障电弧定位方法主要是通过传感器阵列与小波分析、时间尺度分析、高阶统计分析（HOSA）和递归图分析（ＲPA）等分析方法相结合，预测电弧故障出现的方向和距离，从而达到准确定位故障电弧空间位置的目的。由于直流故障电弧在发生时是瞬态信号，时间尺度分析检测瞬态信号的能力非常强大，小波方法也非常适合检测电弧这样的非固定信号，所以当前这两种方法在故障电弧定位中应用较多。递归图分析方法具有强大的处理原始数据的能力（不需要任何预过滤），能理想地估计出电弧发生点到定位器的距离，并能在信噪比较低的情况下准确检测出电弧及其到达的时刻，与声学传感器系统或宽频带天线触发装置相结合能够准确定位电弧位置。光伏系统故障电弧定位用传感器阵列如图2所示。图2中的探测系统由光伏供电系统中空间放置的4个传感器组成，计算故障电弧信号到达时间差实现空间定位，定位结果来源于基于小波分析和递归图分析方法的时间检测。
图2 光伏系统故障电弧定位用传感器阵列
此外，经试验发现，在实际应用中宽频带天线触发装置比声学传感器触发装置的效果要更理想。未来对故障电弧的定位研究将重点集中于实现更远距离、更高精度、更快速度的定位。
3直流故障电弧检测原理
3.1基于仿真模型的故障电弧检测方法对于电弧各参数间的本质联系，能通过低压直流电弧故障仿真模型有效地描述。基于电弧宏观描述物理数学方程进行仿真是常用的基于仿真模型的电弧检测技术。该方法将电弧视为可变电阻，通过非线性微分方程计算等效阻抗，由此获得了故障电弧的建模以及仿真。主要的电弧数学模型包括了针对低电阻电弧的模型、高电阻电弧的模型和在基础上改进的模型等。这些模型符合能量守恒定律和电弧柱等离子体的特性，并且都是关于时间的微分方程式，因此不仅要在时域中考察电弧的特性，也要在频域中分析电弧特征。一些学者还提出通过二极管模型、指数双曲线模型等动态模型改进传统阻抗模型，电弧逻辑可以利用电弧产生的机理来进一步阐述，借助电压和电流的分析来阐明电弧相关的反应机制。
以上方法通过构建电弧的仿真模型，并对参数进行计算最终来检测故障电弧的发生。对该方法分析表明，其含有基本微分方程，方程十分复杂；此外，电弧仿真模型由于应用条件和电弧参数复杂的限制，导致基于仿真模型进行电弧检测的研究没有大的进展，更多地停留在仿真的阶段，并不能投入实际应用中。但是通过对电弧模型的研究，可以帮助对电弧产生机制的阐述进一步发展，促进故障电弧检测技术的发展。
3.2基于声、光物理特性的检测方法
电弧燃烧时会伴随着声、光、热及电磁辐射等物理现象。利用这个特征，在开关柜和配电柜等设备直流故障电弧的检测中取得了很大的效果，但是在建筑电气检测中效果并不好，由于建筑物的主故障位置无法确定，所以没法安装传感器。同时，建筑线路中还有大量的正常电弧现象，也无法通过物理现象来区分电弧的好坏。
国内外基于故障电弧的物理现象的研究也取得了不少成果。加拿大大学的等设计了一种故障电弧检测装置，该装置主要有以下3部分组成：压力分区话筒、红外线接收器和回路天线。毛协国等借助两组复眼透镜及光敏管组，检测狭窄的光伏汇流箱中的弧光，从而实现电弧故障的检测。将超声波应用于光伏器件中的电弧故障检测，在比较传感器接收信号的振幅、持续时间和中心频率与预定值后，判断是否产生电弧故障。
结语
对于今后智能光伏来说，光伏直流电弧的检测技术将显得至关重要，在光伏系统直流电弧检测中，噪声、误判、不稳定等都是下一步完善和提高电弧故障检测技术的一个难点。本文对光伏直流电弧检测方法、判断依据提供了理论依据，为国内今后光伏系统的直流电弧检测提供了借鉴和参考。
参考文献：
［1］刘金琰，栗惠，章建兵，等．电弧故障断路器UL标准研究［J］．低压电器，2011（18）：56-59．
［2］刘官耕，杜松怀，苏娟，等．低压电弧故障防护技术研究与发展趋势［J］．电网技术，2017，41（1）：305-313．
论文作者:陈雯雯,井立刚
论文发表刊物:《河南电力》2018年22期
论文发表时间:2019/6/20
标签：电弧论文; 故障论文; 光伏论文; 电流论文; 系统论文; 电压论文; 模型论文; 《河南电力》2018年22期论文;