分布式光伏发电系统直流故障电弧保护装置测试和评估技术的研究与探讨

中国质量认证中心 ■ 施江锋 张雪 李海鹏

0 引言

在国家利好的分布式光伏政策的有力推动下，国内分布式光伏发电项目的应用范围日益扩大。相关数据显示， 2017年分布式光伏发电呈现爆发式增长，全年新增装机量为1944万kW，为2016年新增规模的3.7倍，增速同比增加3倍；占新增装机总量的36.64%，较2016年提升24.39个百分点。这一数据创历史新高，也标志着我国分布式光伏发电进入了快速增长期。

在分布式光伏发电快速增长的同时，相关质量问题也日益凸显，其中影响最大的是火灾问题。由于分布式光伏发电系统大都具有与建筑相结合的特征，若发生火灾会造成巨大损失，尤其是安装在厂房或民居屋顶上的分布式光伏发电系统。一旦系统发生火灾，由于无法直接用水灭火，所以必须以最快的速度切断电源。

造成分布式光伏发电系统火灾事故的原因有很多，直流故障电弧是其中的重要原因之一，在整个光伏发电系统中，直流侧最高电压可达到1000 V以上。由于分布式光伏项目屋面的实际安装特性，会出现组件接头容易松脱、电线受潮、绝缘破裂等情况，极易引起直流故障电弧现象；而一旦产生直流故障电弧又无法有效灭弧及采取保护，则极有可能瞬间点燃周围的可燃物或光伏组件，从而造成火灾事故[1]。为解决此类问题，美国国家电气规范NEC(National Electrical Code)第690.11号文件要求“光伏并网系统直流母线大于80 V应配备故障电弧检测装置与断路器”。另外，由于分布式光伏发电系统发生火灾后不能直接用水扑灭，预警和预防就显得十分重要，再加上维护人员很难通过日常巡检发现系统的故障点及隐患，所以系统具有故障电弧检测功能是十分必要的。

本文从直流故障电弧发生的原理、常见故障电弧评价手段及功能检测评估方法等方面进行了综合论述，为分布式光伏发电系统直流故障电弧保护装置的测试和评估提出一些建议。

1 直流故障电弧产生的原因及分类

1.1 直流故障电弧产生的基本原因

分布式光伏发电系统的直流端输出电压高，安装在直流端的任何器件发生破损都可能导致直流故障电弧产生；另外，系统长期运行过程中的线路老化、元器件老化等原因都有可能导致直流故障电弧发生的概率增大。

常见的直流故障电弧产生的典型原因有[2]：1)连接失效，如连接头损坏、螺栓未拧紧、端子固定不够等；2)绝缘失效，如连接线缆绝缘失效、设备绝缘失效等。经研究发现，连接失效是分布式光伏发电系统直流故障电弧产生的最重要因素之一。当连接端子之间的距离很小时，即使电压很小也有可能产生击穿风险，而当电压大于30 V时[2]，产生的电火花可能会导致电弧持续燃烧，若直流故障电弧保护不当，则引起火灾的概率较大。

分布式光伏发电系统可能产生直流故障电弧的位置[2]较多，常见位置如图1所示，如直流输入线路之间的a，组件与组件连接处的b，直流阵列到逆变器输入的c，组串与组串连接处的d、e，组串中最边缘组件输出连接处的f，直流输入回路对地的g等。

图1 分布式光伏发电系统中可能产生直流故障电弧的位置

1.2 直流故障电弧分类

目前，常见的直流故障电弧有3种，分别是串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧。

1)串联故障电弧。正常的光伏阵列直流回路，在有太阳光照射产生电流时，连接端子松动造成的微小距离偏差就有可能造成串联故障电弧，如图1中的b、c、d、e、f几处位置。

2)并联故障电弧。该类故障电弧通常产生于直流输入相线与相线之间、相线与地之间，大多是由于绝缘失效造成的；即使直流输入极性不同的线路的并行间距很小，一旦由于外界异常环境引起绝缘失效，都有可能引起并联故障电弧，如图1中的a位置。

3)接地故障电弧。接地故障电弧指的是由短路故障引起的故障电弧，如直流输入线路绝缘失效等，如图1中的g位置。

接地故障电弧一般由接地回路保护进行保护，串联故障电弧和并联故障电弧则是依靠电弧故障保护器(AFDD)或电弧故障断路器(AFCI)进行保护。本文研究分析的直流故障电弧保护主要是针对串联故障电弧和并联故障电弧进行。

2 直流故障电弧特征检测方法

目前，针对直流故障电弧特征的检测方法的研究较多，经整理分析后将检测方法归纳为以下3种。

1)弧光特性[3]。采用声光装置进行弧光特性探测，用超声波方式通过传感器采集相关信号的频率、时间、振幅等参数，与预期值进行分析比较，然后确定是否有直流故障电弧产生。

2)功率变化限值法[3]。通过采集一段时间的输入、输出的电性能(如电流、电压)波形变化引起的输出功率和电弧功率变化，与设定的限值进行比较，从而判断是否有直流故障电弧产生。由于此种方法对检测装置精度的要求较高，并且由于光伏阵列电流和电压受辐照度和温度变化的影响，会造成电流、电压波形变化不规律的情况，因此，通过电性能参数波形变化判定直流故障电弧的方法存在局限性。

3)高频特性[3]。发生直流故障电弧时，通常会有高频信号产生，通过采集一段时间内产生的电弧电流中交流分量的能量并进行累计计算后，与设定的限值进行比较，判定是否产生直流故障电弧。目前，高频特性方法是这3种方法中应用较多的方法。常见的方式是采用小波分析进行电弧特征提取，然后建立仿真检测模型。通过提供不同频率下的小波系数及统计累计平均能量等方式，为有效判断直流故障电弧提供合理的支撑依据。

典型故障电弧电流与正常电流的幅值差异如图2所示。

图2 典型故障电弧电流与正常电流幅值差异

3 分布式光伏发电系统直流故障电弧保护装置评估方法

3.1 国外检测评估标准

目前，国外针对分布式光伏发电系统直流故障电弧保障装置的检测评估主要参照标准UL 1699B-2018《光伏(PV)直流电弧保护安全标准》。

3.1.1 测试步骤

1)直流故障电弧检测装置需要放置在环境箱内进行湿度测试预处理，具体参数为：32.0±2.0℃，93%±2%RH，168 h。

2)预处理后，设备需要继续放置在环境箱内，分别在 25±2℃、40±2℃、66±2℃及 -35±2℃这 4个温度下进行直流故障电弧检测测试，每个温度条件下测试3次。

3.1.2 测试方法

1)设备。如图3～图5所示，2根电极，其中1根固定，另1根可以移动；电极材料为铜，实心；电极直径约为6.35 mm。用1个19 mm长的聚碳酸酯管套住2个电极，聚碳酸酯管的直径应略大于电极直径，以保证故障电弧产生的气体可以散出。放置一小簇钢丝棉在2个电极之间，通过电极上的钢丝棉气体放电来模拟故障电弧。

图3 直流故障电弧测试电路图

图4 直流故障电弧检测装置示意图

图5 直流故障电弧检测装置

2)参数设置。直流故障电弧测试参数如表1所示。

表1 直流故障电弧测试参数表

3.1.3 判定条件

装置需要在规定时间内检测出直流故障电弧的发生，报警并断开直流端的相关电路。在检测过程中，可以让直流故障电弧保护装置停机或进入待机状态。若有故障，显示的电弧自检故障代码需要和外部电弧故障代码区分开。直流故障电弧保护装置直流断开，重新通电，需要保持故障状态，让故障不能被自动清除。

3.2 国内检测评估标准

目前，国内具体针对光伏系统直流故障电弧保护装置的检测评估标准仅有GB/T 31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》。

3.2.1 直流故障电弧测试参数表

在GB/T 31143-2014中，针对直流故障电弧测试的判别条件如表2、表3所示。

表2 额定电压为230 V的63 A及以下小电弧电流下AFDD动作判别的极限值

表3 额定电压为230 V的63 A以上大电弧电流下AFDD动作判别的极限值

3.2.2 直流故障电弧发生装置及试验电路

直流故障电弧发生装置如图6所示，串联、并联故障电弧试验电路如图7、图8所示。

图6 直流故障电弧发生装置[4]

图7 串联故障电弧试验电路

图8 并联故障电弧试验电路

3.3 对比分析及相关建议

3.3.1 预处理

UL 1699B-2018中，预处理要求采用的参数为32.0±2.0 ℃、93%±2%RH、168 h，而国内暂无预处理标准，但国内电工产品预处理要求通常为25±2 ℃、90%±3%RH、48 h，因此，建议后续直流故障电弧保护装置检测标准中，针对环境预处理参照25±2 ℃、90%±3%RH、48 h进行。如此要求，一方面可降低产品制造商的检测成本，另一方面，也可与我国电工安全通用规定相一致。3.3.2 测试参数

UL 1699B-2018针对故障电弧电压、平均故障电弧功率、大约的电极间距均做了要求，而国内基础标准仅对故障电弧试验电流进行了要求，但国内基础标准对故障电弧试验电流的范围从3～63 A、75～500 A均有要求。建议后续直流故障电弧保护装置检测标准中，测试参数限值范围应考虑分布式光伏发电项目的实际情况，额定电流63 A及以下(如3 A、6 A、13 A、20 A、40 A)的系统中，若仅用UL 1699B-2018中的7 A、14 A，可能会存在覆盖面不够和不适应我国实际要求的情况，应根据后续调研及试验验证情况综合评估后确定具体的测试参数。

3.3.3 试验回路

UL 1699B-2018及国内标准中，针对串联故障电弧和并联故障电弧试验回路均有要求，但是并联故障电弧在实际过程中存在模拟 难度大和捕捉难度大的问题，后续试验电路应根据后续调研及试验验证的情况进行综合评估后再确定。

4 结论

直流故障电弧作为引起分布式光伏发电系统火灾的重要原因，已经引起了国外的高度重视，尤其是北美地区，针对80 V以上的系统强制要求配备故障电弧检测装置与断路器；并且由于分布式项目(尤其是屋顶)中，直流故障电弧保护装置很难通过日常运维发现其故障点及相关隐患，因此，为了有效防止直流故障电弧带来的火灾风险，系统配备直流故障电弧保护装置尤其重要。本文在分析后发现，目前，针对具体的光伏系统直流故障电弧保护装置的标准缺失，给光伏系统直流故障电弧保护装置的测试和评估带来不便。本文对国外标准UL 1699B-2018与国内标准GB/T 31143-2014进行了综合研究，系统分析了分布式光伏发电系统直流故障电弧保护装置测试评估技术中的预处理过程、测试参数、试验回路等，并给出了具体建议，为后续直流故障电弧保护装置测试评估方法或检测标准的制定提供了有效参考。