主要針對光伏直流系統(tǒng)用故障電弧檢測裝置的測試方法展開研究。首先，搭建光伏直流系統(tǒng)故障電弧檢測裝置試驗(yàn)平臺(tái)，采用光伏模擬器模擬不同天氣情況下的光伏組件發(fā)電特性輸出;其次，將故障電弧檢測裝置接入測試平臺(tái)中的不同位置來模擬裝置在光伏直流系統(tǒng)中可能安裝的位置，并且通過使用不同功率逆變器來模擬故障電弧檢測裝置在不同光伏系統(tǒng)等條件下的情況。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，由于光伏系統(tǒng)發(fā)電條件的多變性，采用頻域特性方法且配有高精度傳感器的故障電弧檢測裝置能更準(zhǔn)確地識(shí)別故障電弧;同時(shí)，提出了為驗(yàn)證裝置的可靠性，應(yīng)在不同運(yùn)行狀態(tài)及不同接入位置對裝置進(jìn)行測試。

1 故障電弧的產(chǎn)生原因及分類

故障電弧的產(chǎn)生主要是由于電纜導(dǎo)線電氣絕緣性能的下降，或由于污染及空氣潮濕等而引起的空氣擊穿，以及電氣連接松動(dòng)等各種原因。當(dāng)產(chǎn)生故障電弧的電纜兩端具有足夠的電場強(qiáng)度時(shí)，會(huì)形成電弧[5-6]。在整個(gè)電弧的形成過程中，會(huì)伴隨弧光、噪聲、輻射、溫度升高等物理現(xiàn)象。

一般而言，光伏直流系統(tǒng)中的故障電弧按故障產(chǎn)生的原因可以分為串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧，而并聯(lián)故障電弧又可以分為線線故障電弧和接地故障電弧。串聯(lián)故障電弧一般是由于直流線路中接頭處松動(dòng)而出現(xiàn)微小距離時(shí)或斷裂搭接時(shí)產(chǎn)生。并聯(lián)故障電弧一般是由于線與線之間的絕緣層遭到破壞而引起，其中，接地故障電弧一般是由于高壓相線出現(xiàn)了絕緣失效而引起的。

2 故障電弧檢測裝置測試平臺(tái)

為驗(yàn)證故障電弧檢測裝置的可靠性，本文參考UL 1699B 標(biāo)準(zhǔn)搭建了電弧發(fā)生器，如圖 1 所示。電弧發(fā)生器由固定底座、固定電極、可移動(dòng)電極( 銅質(zhì)圓棒)、絕緣夾塊及滑動(dòng)塊等組成。固定電極比套管稍細(xì)，使電弧氣體能夠從套管中散出，通過一定的方式可調(diào)節(jié)電極距離，以產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生后，固定電極的間隙逐漸增大使電弧電流逐漸減小，直至電弧熄滅。文獻(xiàn)[7] 中指出，在一定條件下，電極移動(dòng)速度的加快會(huì)使電弧電流具有增大的趨勢。所以，為了避免被測產(chǎn)品在電弧檢測裝置測試平臺(tái)調(diào)節(jié)時(shí)出現(xiàn)誤判，應(yīng)在拉弧出現(xiàn)后再通電運(yùn)行，或采用伺服電機(jī)控制電極移動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)拉弧。

此外，直流源電壓的提升使平均電弧電阻和平均電弧電壓有減小的趨勢[8];兩電極間隙增大時(shí)會(huì)使平均電弧電阻有增大的趨勢[9]。由于電弧發(fā)生器產(chǎn)生的電弧在測試故障電弧檢測裝置時(shí)會(huì)受到電壓及電極間隙的影響，因此，為了保證同一性及測試結(jié)果的可比性，采用故障電弧檢測裝置測試平臺(tái)進(jìn)行測試時(shí)，電壓及電極間隙應(yīng)保持不變。

測試平臺(tái)的外圍配套系統(tǒng)還包括信號(hào)采集系統(tǒng)與信號(hào)分析系統(tǒng)。信號(hào)采集系統(tǒng)用于采集回路中產(chǎn)生拉弧時(shí)輸出的電流信號(hào)，信號(hào)分析系統(tǒng)主要通過互感器耦合的方式檢測直流故障電弧，由電流互感器、示波器和計(jì)算機(jī)組成。

3 故障電弧檢測裝置測試研究

要解決直流故障電弧產(chǎn)生的危害就必須在第一時(shí)間切斷系統(tǒng)中產(chǎn)生故障的部分，故障電弧檢測裝置最核心的功能是能夠準(zhǔn)確、快速地檢測到故障電弧并快速切斷回路。本文依據(jù)圖2 搭建測試平臺(tái)，對3 個(gè)故障電弧檢測裝置，即樣品A、B、C 進(jìn)行功能測試。

試驗(yàn)條件1：按照常規(guī)要求，將3 個(gè)故障電弧檢測裝置正常接入平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件2：被測樣品分別接入不同位置。其中，a 為前端離拉弧點(diǎn)100 m 處，b 為后離

拉弧點(diǎn)100 m 處，c 為前端離拉弧點(diǎn)500 m 處，d 為后端離拉弧點(diǎn)500 m 處。

試驗(yàn)條件3：光伏模擬器采用不同天氣時(shí)的輻照度、溫度，其中，a 為陰天，b 為多云，c 為晴天。仿真光伏系統(tǒng)會(huì)模擬真實(shí)天氣環(huán)境下的工作狀況，并選取每種天氣的不同時(shí)刻進(jìn)行試驗(yàn)。

由于光伏模擬器的輻照度幅值和溫度幅值會(huì)隨時(shí)間而變化，因此，輻照度和溫度會(huì)影響光伏系統(tǒng)I-V 輸出特性曲線。試驗(yàn)條件4：采用功率不同的逆變器X、Y，其中，逆變器X 的功率為5 kW，逆變器Y 的功率為500 kW。試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2 所示。
基于上述的測試，故障電弧檢測裝置都具備一定的直流故障電弧檢測及切斷回路、保護(hù)電路安全的功能。

在試驗(yàn)條件1 時(shí)，A、B、C 3 個(gè)樣品都能夠?qū)崿F(xiàn)回路切斷的保護(hù)功能。其中，A 樣品采用高精度傳感器，是依據(jù)電弧頻域特性的方法來監(jiān)測系統(tǒng)的故障電弧;B 樣品同樣是采用電弧頻域特性的方法來監(jiān)測系統(tǒng)的故障電弧，但傳感器的精度較低;C 樣品是依據(jù)系統(tǒng)發(fā)生電弧時(shí)監(jiān)測電流電壓波形變化來判斷故障電弧的發(fā)生。

在試驗(yàn)條件2 時(shí)，樣品在接入后端離拉弧點(diǎn)500 m( 靠近并網(wǎng)側(cè)) 時(shí)，樣品B 和C 都發(fā)生了誤判，未能實(shí)現(xiàn)回路切斷，保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)條件3 時(shí)，在多云的天氣條件下，樣品C 未能實(shí)現(xiàn)回路切斷，保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)。

在試驗(yàn)條件4 時(shí)，樣品B 和C 在逆變器Y接入測試時(shí)都發(fā)生了誤判，未能實(shí)現(xiàn)回路切斷，保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)。

為了進(jìn)一步貼近實(shí)際工況，將試驗(yàn)條件3 的天氣更靠近實(shí)際設(shè)置光伏模擬器，使其模擬日出日落的逐漸變化過程形成I-V 曲線作為試驗(yàn)條件5，結(jié)果如表3 所示。在陰天及多云天氣時(shí)，樣品C 未能實(shí)現(xiàn)回路切斷，保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)。

光伏系統(tǒng)一般分為分布式和集中式兩種。分布式系統(tǒng)中直流側(cè)距離較短，而集中式距離較長;分布式系統(tǒng)多采用小功率逆變器，集中式系統(tǒng)多采用大功率逆變器(500 kW 逆變器居多)。因此，將試驗(yàn)條件2 和試驗(yàn)條件4 進(jìn)行條件交叉，作為試驗(yàn)條件6 進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件6 中，a 為前端離拉弧點(diǎn)100 m 處，采用逆變器X;b 為后端離拉弧點(diǎn)100 m 處，采用逆變器X;c 為前端離拉弧點(diǎn)500 m 處，采用逆變器Y;d 為后端離拉弧點(diǎn)500 m 處采用逆變器Y;測試結(jié)果如表4 所示。在后端離拉弧點(diǎn)500 m 處、采用逆變器Y 時(shí)，樣品A、B、C 都未能實(shí)現(xiàn)回路切斷，保護(hù)功能未能實(shí)現(xiàn)。

由表1～表4 可知，受環(huán)境溫度、幅照度的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性發(fā)生變化;由表2和表3 可知，采用監(jiān)測電流電壓波形變化來判斷故障電弧發(fā)生的方法有可能會(huì)出現(xiàn)誤判。表3 中，光伏模擬器在模擬陰天變化情況時(shí)，由于陰天變化不明顯，因此故障電弧檢測裝置未受較大影響，仍能夠正常工作。

在光伏系統(tǒng)中，對于故障電弧檢測裝置安裝位置的選擇十分關(guān)鍵。由表2 和表4 可以看出，故障電弧檢測裝置安裝位置的不同直接影響其能否正常工作。

樣品A 和B 同樣是采用頻域特性的方法來監(jiān)測系統(tǒng)，但是精度高的樣品A 明顯能更準(zhǔn)確地監(jiān)測到系統(tǒng)的故障電弧，這主要是由于拉弧發(fā)生時(shí)，高頻部分的特征會(huì)有明顯變化，高精度的樣品能更好地監(jiān)測并判別高頻部分信號(hào)。

因此，在光伏系統(tǒng)中，直流故障電弧的研究應(yīng)致力于： 1) 綜合考慮電壓、電流、頻率等變化，以尋求更為有效合理的檢測算法;排除光照、溫度變化等外界的干擾，以及來自逆變器等系統(tǒng)內(nèi)的噪聲干擾，以實(shí)現(xiàn)更有效的監(jiān)測。 2) 根據(jù)實(shí)際的安裝使用情況，按照系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行分類，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等先進(jìn)方法進(jìn)行閾值判斷，可更為準(zhǔn)確地監(jiān)測故障電弧情況。3) 研究更加合理的軟件和硬件，從優(yōu)化功能和成本的角度考量也是故障電弧檢測裝置降低經(jīng)濟(jì)成本、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方向。

對故障電弧檢測裝置的性能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)制定不同的測試條件，電壓電流輸入條件至少應(yīng)選擇滿載、輕載兩種狀態(tài)。對于在遠(yuǎn)距離接線的系統(tǒng)中使用的故障電弧檢測裝置，至少要驗(yàn)證離拉弧點(diǎn)大于500 m 時(shí)的保護(hù)功能，在實(shí)際測試時(shí)可將條件參數(shù)微調(diào)，使其更符合實(shí)際使用。應(yīng)確保經(jīng)檢測驗(yàn)證后的裝置在實(shí)際應(yīng)用中能做到在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)切斷，在非故障時(shí)保持連接，避免業(yè)主出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失，使光伏系統(tǒng)更安全、更有效。

4 結(jié)論

本文針對光伏系統(tǒng)用故障電弧檢測裝置的測試方法進(jìn)行試驗(yàn)論證，搭建不同測試條件下的故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫;對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，提出了在驗(yàn)證故障電弧檢測裝置的性能時(shí)會(huì)影響驗(yàn)證結(jié)果的幾種測試條件，如，依據(jù)電流電壓波形變化的裝置應(yīng)通過不同的運(yùn)行條件來驗(yàn)證其是否能準(zhǔn)確識(shí)別故障并進(jìn)行保護(hù)，而采用頻域特性方法的裝置應(yīng)在不同運(yùn)行條件及不同接入位置來判定其功能是否符合要求等，為進(jìn)一步研究驗(yàn)證光伏系統(tǒng)用故障電弧檢測裝置的可靠性提供了實(shí)證依據(jù)。