分布式光伏發電系統直流故障電弧保護裝置測試和評估技術的研究與探討

中國質量認證中心 ■ 施江鋒 張雪 李海鵬

0 引言

在國家利好的分布式光伏政策的有力推動下，國內分布式光伏發電項目的應用范圍日益擴大。相關數據顯示， 2017年分布式光伏發電呈現爆發式增長，全年新增裝機量為1944萬kW，為2016年新增規模的3.7倍，增速同比增加3倍；占新增裝機總量的36.64%，較2016年提升24.39個百分點。這一數據創歷史新高，也標志著我國分布式光伏發電進入了快速增長期。

在分布式光伏發電快速增長的同時，相關質量問題也日益凸顯，其中影響最大的是火災問題。由于分布式光伏發電系統大都具有與建筑相結合的特征，若發生火災會造成巨大損失，尤其是安裝在廠房或民居屋頂上的分布式光伏發電系統。一旦系統發生火災，由于無法直接用水滅火，所以必須以最快的速度切斷電源。

造成分布式光伏發電系統火災事故的原因有很多，直流故障電弧是其中的重要原因之一，在整個光伏發電系統中，直流側最高電壓可達到1000 V以上。由于分布式光伏項目屋面的實際安裝特性，會出現組件接頭容易松脫、電線受潮、絕緣破裂等情況，極易引起直流故障電弧現象；而一旦產生直流故障電弧又無法有效滅弧及采取保護，則極有可能瞬間點燃周圍的可燃物或光伏組件，從而造成火災事故[1]。為解決此類問題，美國國家電氣規范NEC(National Electrical Code)第690.11號文件要求“光伏并網系統直流母線大于80 V應配備故障電弧檢測裝置與斷路器”。另外，由于分布式光伏發電系統發生火災后不能直接用水撲滅，預警和預防就顯得十分重要，再加上維護人員很難通過日常巡檢發現系統的故障點及隱患，所以系統具有故障電弧檢測功能是十分必要的。

本文從直流故障電弧發生的原理、常見故障電弧評價手段及功能檢測評估方法等方面進行了綜合論述，為分布式光伏發電系統直流故障電弧保護裝置的測試和評估提出一些建議。

1 直流故障電弧產生的原因及分類

1.1 直流故障電弧產生的基本原因

分布式光伏發電系統的直流端輸出電壓高，安裝在直流端的任何器件發生破損都可能導致直流故障電弧產生；另外，系統長期運行過程中的線路老化、元器件老化等原因都有可能導致直流故障電弧發生的概率增大。

常見的直流故障電弧產生的典型原因有[2]：1)連接失效，如連接頭損壞、螺栓未擰緊、端子固定不夠等；2)絕緣失效，如連接線纜絕緣失效、設備絕緣失效等。經研究發現，連接失效是分布式光伏發電系統直流故障電弧產生的最重要因素之一。當連接端子之間的距離很小時，即使電壓很小也有可能產生擊穿風險，而當電壓大于30 V時[2]，產生的電火花可能會導致電弧持續燃燒，若直流故障電弧保護不當，則引起火災的概率較大。

分布式光伏發電系統可能產生直流故障電弧的位置[2]較多，常見位置如圖1所示，如直流輸入線路之間的a，組件與組件連接處的b，直流陣列到逆變器輸入的c，組串與組串連接處的d、e，組串中最邊緣組件輸出連接處的f，直流輸入回路對地的g等。

圖1 分布式光伏發電系統中可能產生直流故障電弧的位置

1.2 直流故障電弧分類

目前，常見的直流故障電弧有3種，分別是串聯故障電弧、并聯故障電弧和接地故障電弧。

1)串聯故障電弧。正常的光伏陣列直流回路，在有太陽光照射產生電流時，連接端子松動造成的微小距離偏差就有可能造成串聯故障電弧，如圖1中的b、c、d、e、f幾處位置。

2)并聯故障電弧。該類故障電弧通常產生于直流輸入相線與相線之間、相線與地之間，大多是由于絕緣失效造成的；即使直流輸入極性不同的線路的并行間距很小，一旦由于外界異常環境引起絕緣失效，都有可能引起并聯故障電弧，如圖1中的a位置。

3)接地故障電弧。接地故障電弧指的是由短路故障引起的故障電弧，如直流輸入線路絕緣失效等，如圖1中的g位置。

接地故障電弧一般由接地回路保護進行保護，串聯故障電弧和并聯故障電弧則是依靠電弧故障保護器(AFDD)或電弧故障斷路器(AFCI)進行保護。本文研究分析的直流故障電弧保護主要是針對串聯故障電弧和并聯故障電弧進行。

2 直流故障電弧特征檢測方法

目前，針對直流故障電弧特征的檢測方法的研究較多，經整理分析后將檢測方法歸納為以下3種。

1)弧光特性[3]。采用聲光裝置進行弧光特性探測，用超聲波方式通過傳感器采集相關信號的頻率、時間、振幅等參數，與預期值進行分析比較，然后確定是否有直流故障電弧產生。

2)功率變化限值法[3]。通過采集一段時間的輸入、輸出的電性能(如電流、電壓)波形變化引起的輸出功率和電弧功率變化，與設定的限值進行比較，從而判斷是否有直流故障電弧產生。由于此種方法對檢測裝置精度的要求較高，并且由于光伏陣列電流和電壓受輻照度和溫度變化的影響，會造成電流、電壓波形變化不規律的情況，因此，通過電性能參數波形變化判定直流故障電弧的方法存在局限性。

3)高頻特性[3]。發生直流故障電弧時，通常會有高頻信號產生，通過采集一段時間內產生的電弧電流中交流分量的能量并進行累計計算后，與設定的限值進行比較，判定是否產生直流故障電弧。目前，高頻特性方法是這3種方法中應用較多的方法。常見的方式是采用小波分析進行電弧特征提取，然后建立仿真檢測模型。通過提供不同頻率下的小波系數及統計累計平均能量等方式，為有效判斷直流故障電弧提供合理的支撐依據。

典型故障電弧電流與正常電流的幅值差異如圖2所示。

圖2 典型故障電弧電流與正常電流幅值差異

3 分布式光伏發電系統直流故障電弧保護裝置評估方法

3.1 國外檢測評估標準

目前，國外針對分布式光伏發電系統直流故障電弧保障裝置的檢測評估主要參照標準UL 1699B-2018《光伏(PV)直流電弧保護安全標準》。

3.1.1 測試步驟

1)直流故障電弧檢測裝置需要放置在環境箱內進行濕度測試預處理，具體參數為：32.0±2.0℃，93%±2%RH，168 h。

2)預處理后，設備需要繼續放置在環境箱內，分別在 25±2℃、40±2℃、66±2℃及 -35±2℃這 4個溫度下進行直流故障電弧檢測測試，每個溫度條件下測試3次。

3.1.2 測試方法

1)設備。如圖3～圖5所示，2根電極，其中1根固定，另1根可以移動；電極材料為銅，實心；電極直徑約為6.35 mm。用1個19 mm長的聚碳酸酯管套住2個電極，聚碳酸酯管的直徑應略大于電極直徑，以保證故障電弧產生的氣體可以散出。放置一小簇鋼絲棉在2個電極之間，通過電極上的鋼絲棉氣體放電來模擬故障電弧。

圖3 直流故障電弧測試電路圖

圖4 直流故障電弧檢測裝置示意圖

圖5 直流故障電弧檢測裝置

2)參數設置。直流故障電弧測試參數如表1所示。

表1 直流故障電弧測試參數表

3.1.3 判定條件

裝置需要在規定時間內檢測出直流故障電弧的發生，報警并斷開直流端的相關電路。在檢測過程中，可以讓直流故障電弧保護裝置停機或進入待機狀態。若有故障，顯示的電弧自檢故障代碼需要和外部電弧故障代碼區分開。直流故障電弧保護裝置直流斷開，重新通電，需要保持故障狀態，讓故障不能被自動清除。

3.2 國內檢測評估標準

目前，國內具體針對光伏系統直流故障電弧保護裝置的檢測評估標準僅有GB/T 31143-2014《電弧故障保護電器(AFDD)的一般要求》。

3.2.1 直流故障電弧測試參數表

在GB/T 31143-2014中，針對直流故障電弧測試的判別條件如表2、表3所示。

表2 額定電壓為230 V的63 A及以下小電弧電流下AFDD動作判別的極限值

表3 額定電壓為230 V的63 A以上大電弧電流下AFDD動作判別的極限值

3.2.2 直流故障電弧發生裝置及試驗電路

直流故障電弧發生裝置如圖6所示，串聯、并聯故障電弧試驗電路如圖7、圖8所示。

圖6 直流故障電弧發生裝置[4]

圖7 串聯故障電弧試驗電路

圖8 并聯故障電弧試驗電路

3.3 對比分析及相關建議

3.3.1 預處理

UL 1699B-2018中，預處理要求采用的參數為32.0±2.0 ℃、93%±2%RH、168 h，而國內暫無預處理標準，但國內電工產品預處理要求通常為25±2 ℃、90%±3%RH、48 h，因此，建議后續直流故障電弧保護裝置檢測標準中，針對環境預處理參照25±2 ℃、90%±3%RH、48 h進行。如此要求，一方面可降低產品制造商的檢測成本，另一方面，也可與我國電工安全通用規定相一致。3.3.2 測試參數

UL 1699B-2018針對故障電弧電壓、平均故障電弧功率、大約的電極間距均做了要求，而國內基礎標準僅對故障電弧試驗電流進行了要求，但國內基礎標準對故障電弧試驗電流的范圍從3～63 A、75～500 A均有要求。建議后續直流故障電弧保護裝置檢測標準中，測試參數限值范圍應考慮分布式光伏發電項目的實際情況，額定電流63 A及以下(如3 A、6 A、13 A、20 A、40 A)的系統中，若僅用UL 1699B-2018中的7 A、14 A，可能會存在覆蓋面不夠和不適應我國實際要求的情況，應根據后續調研及試驗驗證情況綜合評估后確定具體的測試參數。

3.3.3 試驗回路

UL 1699B-2018及國內標準中，針對串聯故障電弧和并聯故障電弧試驗回路均有要求，但是并聯故障電弧在實際過程中存在模擬 難度大和捕捉難度大的問題，后續試驗電路應根據后續調研及試驗驗證的情況進行綜合評估后再確定。

4 結論

直流故障電弧作為引起分布式光伏發電系統火災的重要原因，已經引起了國外的高度重視，尤其是北美地區，針對80 V以上的系統強制要求配備故障電弧檢測裝置與斷路器；并且由于分布式項目(尤其是屋頂)中，直流故障電弧保護裝置很難通過日常運維發現其故障點及相關隱患，因此，為了有效防止直流故障電弧帶來的火災風險，系統配備直流故障電弧保護裝置尤其重要。本文在分析后發現，目前，針對具體的光伏系統直流故障電弧保護裝置的標準缺失，給光伏系統直流故障電弧保護裝置的測試和評估帶來不便。本文對國外標準UL 1699B-2018與國內標準GB/T 31143-2014進行了綜合研究，系統分析了分布式光伏發電系統直流故障電弧保護裝置測試評估技術中的預處理過程、測試參數、試驗回路等，并給出了具體建議，為后續直流故障電弧保護裝置測試評估方法或檢測標準的制定提供了有效參考。