中國質(zhì)量認(rèn)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(dòng)下，國內(nèi)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示， 2017年分布式光伏發(fā)電呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，全年新增裝機(jī)量為1944萬kW，為2016年新增規(guī)模的3.7倍，增速同比增加3倍；占新增裝機(jī)總量的36.64%，較2016年提升24.39個(gè)百分點(diǎn)。這一數(shù)據(jù)創(chuàng)歷史新高，也標(biāo)志著我國分布式光伏發(fā)電進(jìn)入了快速增長期。

在分布式光伏發(fā)電快速增長的同時(shí)，相關(guān)質(zhì)量問題也日益凸顯，其中影響最大的是火災(zāi)問題。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大都具有與建筑相結(jié)合的特征，若發(fā)生火災(zāi)會(huì)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(fā)電系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，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(fā)電系統(tǒng)火災(zāi)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(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流側(cè)最高電壓可達(dá)到1000 V以上。由于分布式光伏項(xiàng)目屋面的實(shí)際安裝特性，會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)象；而一旦產(chǎn)生直流故障電弧又無法有效滅弧及采取保護(hù)，則極有可能瞬間點(diǎn)燃周圍的可燃物或光伏組件，從而造成火災(zāi)事故[1]。為解決此類問題，美國國家電氣規(guī)范NEC(National Electrical Code)第690.11號(hào)文件要求“光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流母線大于80 V應(yīng)配備故障電弧檢測(cè)裝置與斷路器”。另外，由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)后不能直接用水撲滅，預(yù)警和預(yù)防就顯得十分重要，再加上維護(hù)人員很難通過日常巡檢發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障點(diǎn)及隱患，所以系統(tǒng)具有故障電弧檢測(cè)功能是十分必要的。

本文從直流故障電弧發(fā)生的原理、常見故障電弧評(píng)價(jià)手段及功能檢測(cè)評(píng)估方法等方面進(jìn)行了綜合論述，為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置的測(cè)試和評(píng)估提出一些建議。

1 直流故障電弧產(chǎn)生的原因及分類

1.1 直流故障電弧產(chǎn)生的基本原因

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

常見的直流故障電弧產(chǎn)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(shè)備絕緣失效等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，連接失效是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧產(chǎn)生的最重要因素之一。當(dāng)連接端子之間的距離很小時(shí)，即使電壓很小也有可能產(chǎn)生擊穿風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)電壓大于30 V時(shí)[2]，產(chǎn)生的電火花可能會(huì)導(dǎo)致電弧持續(xù)燃燒，若直流故障電弧保護(hù)不當(dāng)，則引起火災(zāi)的概率較大。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可能產(chǎn)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(duì)地的g等。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中可能產(chǎn)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(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧和接地故障電弧。

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

2)并聯(lián)故障電弧。該類故障電弧通常產(chǎn)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(huán)境引起絕緣失效，都有可能引起并聯(lián)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(hù)進(jìn)行保護(hù)，串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧則是依靠電弧故障保護(hù)器(AFDD)或電弧故障斷路器(AFCI)進(jìn)行保護(hù)。本文研究分析的直流故障電弧保護(hù)主要是針對(duì)串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧進(jìn)行。

2 直流故障電弧特征檢測(cè)方法

目前，針對(duì)直流故障電弧特征的檢測(cè)方法的研究較多，經(jīng)整理分析后將檢測(cè)方法歸納為以下3種。

1)弧光特性[3]。采用聲光裝置進(jìn)行弧光特性探測(cè)，用超聲波方式通過傳感器采集相關(guān)信號(hào)的頻率、時(shí)間、振幅等參數(shù)，與預(yù)期值進(jìn)行分析比較，然后確定是否有直流故障電弧產(chǎn)生。

2)功率變化限值法[3]。通過采集一段時(shí)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(shè)定的限值進(jìn)行比較，從而判斷是否有直流故障電弧產(chǎn)生。由于此種方法對(duì)檢測(cè)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(huì)造成電流、電壓波形變化不規(guī)律的情況，因此，通過電性能參數(shù)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(fā)生直流故障電弧時(shí)，通常會(huì)有高頻信號(hào)產(chǎn)生，通過采集一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電弧電流中交流分量的能量并進(jìn)行累計(jì)計(jì)算后，與設(shè)定的限值進(jìn)行比較，判定是否產(chǎn)生直流故障電弧。目前，高頻特性方法是這3種方法中應(yīng)用較多的方法。常見的方式是采用小波分析進(jìn)行電弧特征提取，然后建立仿真檢測(cè)模型。通過提供不同頻率下的小波系數(shù)及統(tǒng)計(jì)累計(jì)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(jù)。

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(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置評(píng)估方法

3.1 國外檢測(cè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

目前，國外針對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧保障裝置的檢測(cè)評(píng)估主要參照標(biāo)準(zhǔn)UL 1699B-2018《光伏(PV)直流電弧保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)》。

3.1.1 測(cè)試步驟

1)直流故障電弧檢測(cè)裝置需要放置在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行濕度測(cè)試預(yù)處理，具體參數(shù)為：32.0±2.0℃，93%±2%RH，168 h。

2)預(yù)處理后，設(shè)備需要繼續(xù)放置在環(huán)境箱內(nèi)，分別在 25±2℃、40±2℃、66±2℃及 -35±2℃這 4個(gè)溫度下進(jìn)行直流故障電弧檢測(cè)測(cè)試，每個(gè)溫度條件下測(cè)試3次。

3.1.2 測(cè)試方法

1)設(shè)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(dòng)；電極材料為銅，實(shí)心；電極直徑約為6.35 mm。用1個(gè)19 mm長的聚碳酸酯管套住2個(gè)電極，聚碳酸酯管的直徑應(yīng)略大于電極直徑，以保證故障電弧產(chǎn)生的氣體可以散出。放置一小簇鋼絲棉在2個(gè)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(cè)試電路圖

圖4 直流故障電弧檢測(cè)裝置示意圖

圖5 直流故障電弧檢測(cè)裝置

2)參數(shù)設(shè)置。直流故障電弧測(cè)試參數(shù)如表1所示。

表1 直流故障電弧測(cè)試參數(shù)表

3.1.3 判定條件

裝置需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出直流故障電弧的發(fā)生，報(bào)警并斷開直流端的相關(guān)電路。在檢測(cè)過程中，可以讓直流故障電弧保護(hù)裝置停機(jī)或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。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(qū)分開。直流故障電弧保護(hù)裝置直流斷開，重新通電，需要保持故障狀態(tài)，讓故障不能被自動(dòng)清除。

3.2 國內(nèi)檢測(cè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)具體針對(duì)光伏系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置的檢測(cè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)僅有GB/T 31143-2014《電弧故障保護(hù)電器(AFDD)的一般要求》。

3.2.1 直流故障電弧測(cè)試參數(shù)表

在GB/T 31143-2014中，針對(duì)直流故障電弧測(cè)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(dòng)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(dòng)作判別的極限值

3.2.2 直流故障電弧發(fā)生裝置及試驗(yàn)電路

直流故障電弧發(fā)生裝置如圖6所示，串聯(lián)、并聯(lián)故障電弧試驗(yàn)電路如圖7、圖8所示。

圖6 直流故障電弧發(fā)生裝置[4]

圖7 串聯(lián)故障電弧試驗(yàn)電路

圖8 并聯(lián)故障電弧試驗(yàn)電路

3.3 對(duì)比分析及相關(guān)建議

3.3.1 預(yù)處理

UL 1699B-2018中，預(yù)處理要求采用的參數(shù)為32.0±2.0 ℃、93%±2%RH、168 h，而國內(nèi)暫無預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)，但國內(nèi)電工產(chǎn)品預(yù)處理要求通常為25±2 ℃、90%±3%RH、48 h，因此，建議后續(xù)直流故障電弧保護(hù)裝置檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)環(huán)境預(yù)處理參照25±2 ℃、90%±3%RH、48 h進(jìn)行。如此要求，一方面可降低產(chǎn)品制造商的檢測(cè)成本，另一方面，也可與我國電工安全通用規(guī)定相一致。3.3.2 測(cè)試參數(shù)

UL 1699B-2018針對(duì)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(nèi)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)故障電弧試驗(yàn)電流進(jìn)行了要求，但國內(nèi)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)故障電弧試驗(yàn)電流的范圍從3～63 A、75～500 A均有要求。建議后續(xù)直流故障電弧保護(hù)裝置檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，測(cè)試參數(shù)限值范圍應(yīng)考慮分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)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(tǒng)中，若僅用UL 1699B-2018中的7 A、14 A，可能會(huì)存在覆蓋面不夠和不適應(yīng)我國實(shí)際要求的情況，應(yīng)根據(jù)后續(xù)調(diào)研及試驗(yàn)驗(yàn)證情況綜合評(píng)估后確定具體的測(cè)試參數(shù)。

3.3.3 試驗(yàn)回路

UL 1699B-2018及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧試驗(yàn)回路均有要求，但是并聯(lián)故障電弧在實(shí)際過程中存在模擬 難度大和捕捉難度大的問題，后續(xù)試驗(yàn)電路應(yīng)根據(jù)后續(xù)調(diào)研及試驗(yàn)驗(yàn)證的情況進(jìn)行綜合評(píng)估后再確定。

4 結(jié)論

直流故障電弧作為引起分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)火災(zāi)的重要原因，已經(jīng)引起了國外的高度重視，尤其是北美地區(qū)，針對(duì)80 V以上的系統(tǒng)強(qiáng)制要求配備故障電弧檢測(cè)裝置與斷路器；并且由于分布式項(xiàng)目(尤其是屋頂)中，直流故障電弧保護(hù)裝置很難通過日常運(yùn)維發(fā)現(xiàn)其故障點(diǎn)及相關(guān)隱患，因此，為了有效防止直流故障電弧帶來的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)配備直流故障電弧保護(hù)裝置尤其重要。本文在分析后發(fā)現(xiàn)，目前，針對(duì)具體的光伏系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)缺失，給光伏系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置的測(cè)試和評(píng)估帶來不便。本文對(duì)國外標(biāo)準(zhǔn)UL 1699B-2018與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31143-2014進(jìn)行了綜合研究，系統(tǒng)分析了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧保護(hù)裝置測(cè)試評(píng)估技術(shù)中的預(yù)處理過程、測(cè)試參數(shù)、試驗(yàn)回路等，并給出了具體建議，為后續(xù)直流故障電弧保護(hù)裝置測(cè)試評(píng)估方法或檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了有效參考。