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摘 要：在建设光伏电站当中因为接触不良、老化，短路等引起拉弧起火的事故越来越频繁，因此，直流电弧故障的检测在光伏系统中日益重要，如何提高电弧故障检测的精度，防止在日常操作当中误操作也是重中之重。本文详细阐述了直流电弧故障的危害和类型，结合直流电弧的特点和光伏电站的属性，提出了三种检测方法，最后对直流电弧故障进行展望，希望积累更多的实际经验，寻找到更为合理有效的检测算法。
关键词：光伏电站，直流电弧故障，检测算法
1 引言
进入21世纪以来，随着人口的增加和工业化的发展，化石能源的大量开发和利用，导致地球生态环境遭到了严重的破坏和恶化。因此，世界各国都在纷纷采取提高能源效率和能源结构的措施，以寻求解决与能源相关的重大环境问题，而太阳能作为一种可持续发展的清洁能源得到了重视。
在光伏电站建站越来越多的同时，各种灾害也日益显现，其中，直流电弧故障是引起电气火灾的罪魁祸首之一。在光伏系统中，一旦发生直流电弧故障，由于没有过零点保护，并且光伏组件在阳光照射下产生源源不断的能量，使得光伏系统中的故障电弧有了稳定的燃烧环境，若不采取及时有效地防护措施，会产生3000℃以上的高温现象，引发火灾，某些物质熔化甚至蒸发产生大量的有毒气体，进而危及人身生命安全和国家的经济遭受重大损失。因此2011年美国电工法NEC690.8规定光伏系统中直流电压大于80V必须配备检测故障电弧的检测装置和断路器，而UL也制定相应标准UL1699B用以检测评估光伏直流电弧的有效方法。
2 电弧故障类型
电弧故障主要是由于电缆导线电气绝缘性能老化、破损，污染及空气潮湿引起的空气击穿，或者电气连接松动等原因造成的，是一种穿过绝缘介质的连续发光和放电过程，是一个时变的非线性过程。电弧在放电的过程中，主要特性有强光、热、噪声、电磁辐射、电压电流的高突变率以及电弧电流在某些频带内的变化等。
针对光伏系统发生的故障电弧，总体归纳来看，主要分为两类：
（1）串行电弧，是一条电流导线在未预期的情况下扯断或断裂，在其断裂处即会产生串联故障电弧。这种不佳的接触点好发于太阳组件与组件之间、快速接头之间、接线与接线盒之间，或是断裂的连接在线。光伏系统因为有成千上万个接点，因此，串联电弧是引起火灾危险的主要潜在因素。
（2）并行电弧，是一个未预期的路径刚好通过两个极性相反的导体之间发生的意外即为并联故障电弧。此类故障电弧的成因常是囓齿动物咬破电线、外力造成电线破损等，电线失去既有的绝缘功效，并让正负两极的金属互相接触产生了故障电弧状况。
虽然并联故障电弧的发生机率远小于串联故障电弧，但是其带来的危险性确是远远超过后者。另外，接地故障也是一种并联故障电弧的典型型态。
3 直流电弧故障的检测方法
在光伏系统中产生的电弧可分为正常电弧和非正常电弧两种。断路器的正常关断等操作所引起的电弧属正常电弧；而电线老化、接触不良等故障引起的电弧属于不正常电弧，这就代表着电弧检测要正确地分辨好弧和坏弧；因为存在着这样复杂的因素，往往给故障电弧检测带来了较大的挑战，同时也给检测方式和算法提出更高的要求。
故障电弧的检测就是在电弧产生的初始阶段，通过传感器检测电弧在物理上和电气上的各种参数变化，加以分析来判断是否有电弧产生。目前，结合光伏系统的特性大致可分为以下三种。
3.1基于热、声以及电磁特性的电弧检测
故障电弧产生的同时伴有光、热、声音和电磁辐射等特性，国内外的学者就是根据这些特性来检测电弧。
1998年，加拿大Saskatchewan大学的T.S.Sidhu等人利用PZM、红外线接受器以及回路天线来检测电弧放电时的噪声、热量以及电磁辐射等特性，设计了一种电弧检测装置。而随着多信息融合技术的逐渐成熟，基于故障电弧物理现象检测的可靠性也得到逐步提高。
但是光伏电站中的线路连接环境复杂，这类装置只能安装控制在电站主要频发故障点，投资过大并不实用，具有非常大的局限性。
3.2 基于电压电流变化的检测
故障电弧发生时候必然会导致电压和电流的变化，在故障电弧发生时，电压会瞬间升高，而电流值会瞬间下降，这样就可以利用电压和电流的变化来判断是否产生电弧。
但是这样的检测也有其局限性，第一是需要判定电弧产生的具体位置才能更好的检测电压和电流波形，第二在发生并联故障电弧时，逆变器的输入端电流波形只出现较小的跌落，电压波形略有下降，这就要求检测设备必须具有较高的精度，不然会引起频繁的误判报警，同时也因为光伏系统受光照和温度变化的影响，光伏组件的输出电流和电压幅值不稳定，给检测带来更大的困难。
3.3 基于故障电流特性的检测
该方法是通过电流检测的方式对高通滤波得到的高频信号、低通滤波得到的低频信号进行特征值统计，目前这种方法得到普遍的运用。
在故障电弧发生时，故障电流中都含有大量的谐波分量，幅值发生变化，通过对故障电流信号时域特性和频域特性进行详细的分析，依据故障信号各自的共性和个性，利用快速傅立叶变换和小波变换提取故障电流的特征值，提高故障识别的灵敏性和准确性。
在时域中电弧电流会出现反复的跳变，但当电弧稳定燃烧时电流幅值突变变小，这就必须通过检测电路来判断。而在频域中并行电弧和串行电弧电流出现有大量的高频谐波，那么就需要使用快速傅立叶变换和小波变换提取特征值，比如利用傅立叶变换提取谐波总能量的增量为特征值，在故障判断时，当特征值产生增量，设为一个电弧故障疑似点，当电弧故障疑似点个数大于八个时就判定为电弧故障；利用小波分析方法的带通特性，将高频成分变换进行重构，求出每个频段上的能量时谱图和能量总和，并进行归一化处理，选取电弧故障的特征频带的能量百分比作为特征向量的元素。
但是这种方法比较容易受到光伏电站的装置和逆变器的电磁干扰、白噪声等其它周期性干扰，电流中谐波的含量增多，特征值出现增量往往会误判为电弧故障。
4 结语
在光伏系统中，由于光伏阵列组成了庞大的系统使得直流电弧故障需要较高的检测精度，也由于光伏电站的输出受温度和日照强度变化，逆变器本身的拓扑结构和电气设备辐射等影响，使得故障电弧的检测容易受到干扰。因此，直流电弧检测未来的发展方向是覆盖尽可能多的电弧故障，且不发生误动作。同时为了提高电弧检测的可靠性，需要对大量的光伏系统进行电弧试验，积累大量的原始数据，进而对这些数据进行分析，建立起合理的故障特征库，寻找更为有效合理的检测算法，这是逐步积累的一个过程。
参考文献
[1] SCHIMPE F，NARUM L E.Recognition of electric arcing in the DC-wring of photovoltaic systems[c]/Proceedings of Telecommunications Energy Conference 2009.Vienna： Telecommunications energy Conference，2009：1-6
[2] 杨艺，董爱华，付永丽.低压故障电弧检测概述[J].低压电器；通用低压电器篇，2009（5）：12
[3] 尹同庆，陈洪亮.基于小波变换的故障电弧检测技术研究[J].实验室研究与探讨，2008（3）：19
关键词：光伏电站，直流电弧故障，检测算法
1 引言
进入21世纪以来，随着人口的增加和工业化的发展，化石能源的大量开发和利用，导致地球生态环境遭到了严重的破坏和恶化。因此，世界各国都在纷纷采取提高能源效率和能源结构的措施，以寻求解决与能源相关的重大环境问题，而太阳能作为一种可持续发展的清洁能源得到了重视。
在光伏电站建站越来越多的同时，各种灾害也日益显现，其中，直流电弧故障是引起电气火灾的罪魁祸首之一。在光伏系统中，一旦发生直流电弧故障，由于没有过零点保护，并且光伏组件在阳光照射下产生源源不断的能量，使得光伏系统中的故障电弧有了稳定的燃烧环境，若不采取及时有效地防护措施，会产生3000℃以上的高温现象，引发火灾，某些物质熔化甚至蒸发产生大量的有毒气体，进而危及人身生命安全和国家的经济遭受重大损失。因此2011年美国电工法NEC690.8规定光伏系统中直流电压大于80V必须配备检测故障电弧的检测装置和断路器，而UL也制定相应标准UL1699B用以检测评估光伏直流电弧的有效方法。
2 电弧故障类型
电弧故障主要是由于电缆导线电气绝缘性能老化、破损，污染及空气潮湿引起的空气击穿，或者电气连接松动等原因造成的，是一种穿过绝缘介质的连续发光和放电过程，是一个时变的非线性过程。电弧在放电的过程中，主要特性有强光、热、噪声、电磁辐射、电压电流的高突变率以及电弧电流在某些频带内的变化等。
针对光伏系统发生的故障电弧，总体归纳来看，主要分为两类：
（1）串行电弧，是一条电流导线在未预期的情况下扯断或断裂，在其断裂处即会产生串联故障电弧。这种不佳的接触点好发于太阳组件与组件之间、快速接头之间、接线与接线盒之间，或是断裂的连接在线。光伏系统因为有成千上万个接点，因此，串联电弧是引起火灾危险的主要潜在因素。
（2）并行电弧，是一个未预期的路径刚好通过两个极性相反的导体之间发生的意外即为并联故障电弧。此类故障电弧的成因常是囓齿动物咬破电线、外力造成电线破损等，电线失去既有的绝缘功效，并让正负两极的金属互相接触产生了故障电弧状况。
虽然并联故障电弧的发生机率远小于串联故障电弧，但是其带来的危险性确是远远超过后者。另外，接地故障也是一种并联故障电弧的典型型态。
3 直流电弧故障的检测方法
在光伏系统中产生的电弧可分为正常电弧和非正常电弧两种。断路器的正常关断等操作所引起的电弧属正常电弧；而电线老化、接触不良等故障引起的电弧属于不正常电弧，这就代表着电弧检测要正确地分辨好弧和坏弧；因为存在着这样复杂的因素，往往给故障电弧检测带来了较大的挑战，同时也给检测方式和算法提出更高的要求。
故障电弧的检测就是在电弧产生的初始阶段，通过传感器检测电弧在物理上和电气上的各种参数变化，加以分析来判断是否有电弧产生。目前，结合光伏系统的特性大致可分为以下三种。
3.1基于热、声以及电磁特性的电弧检测
故障电弧产生的同时伴有光、热、声音和电磁辐射等特性，国内外的学者就是根据这些特性来检测电弧。
1998年，加拿大Saskatchewan大学的T.S.Sidhu等人利用PZM、红外线接受器以及回路天线来检测电弧放电时的噪声、热量以及电磁辐射等特性，设计了一种电弧检测装置。而随着多信息融合技术的逐渐成熟，基于故障电弧物理现象检测的可靠性也得到逐步提高。
但是光伏电站中的线路连接环境复杂，这类装置只能安装控制在电站主要频发故障点，投资过大并不实用，具有非常大的局限性。
3.2 基于电压电流变化的检测
故障电弧发生时候必然会导致电压和电流的变化，在故障电弧发生时，电压会瞬间升高，而电流值会瞬间下降，这样就可以利用电压和电流的变化来判断是否产生电弧。
但是这样的检测也有其局限性，第一是需要判定电弧产生的具体位置才能更好的检测电压和电流波形，第二在发生并联故障电弧时，逆变器的输入端电流波形只出现较小的跌落，电压波形略有下降，这就要求检测设备必须具有较高的精度，不然会引起频繁的误判报警，同时也因为光伏系统受光照和温度变化的影响，光伏组件的输出电流和电压幅值不稳定，给检测带来更大的困难。
3.3 基于故障电流特性的检测
该方法是通过电流检测的方式对高通滤波得到的高频信号、低通滤波得到的低频信号进行特征值统计，目前这种方法得到普遍的运用。
在故障电弧发生时，故障电流中都含有大量的谐波分量，幅值发生变化，通过对故障电流信号时域特性和频域特性进行详细的分析，依据故障信号各自的共性和个性，利用快速傅立叶变换和小波变换提取故障电流的特征值，提高故障识别的灵敏性和准确性。
在时域中电弧电流会出现反复的跳变，但当电弧稳定燃烧时电流幅值突变变小，这就必须通过检测电路来判断。而在频域中并行电弧和串行电弧电流出现有大量的高频谐波，那么就需要使用快速傅立叶变换和小波变换提取特征值，比如利用傅立叶变换提取谐波总能量的增量为特征值，在故障判断时，当特征值产生增量，设为一个电弧故障疑似点，当电弧故障疑似点个数大于八个时就判定为电弧故障；利用小波分析方法的带通特性，将高频成分变换进行重构，求出每个频段上的能量时谱图和能量总和，并进行归一化处理，选取电弧故障的特征频带的能量百分比作为特征向量的元素。
但是这种方法比较容易受到光伏电站的装置和逆变器的电磁干扰、白噪声等其它周期性干扰，电流中谐波的含量增多，特征值出现增量往往会误判为电弧故障。
4 结语
在光伏系统中，由于光伏阵列组成了庞大的系统使得直流电弧故障需要较高的检测精度，也由于光伏电站的输出受温度和日照强度变化，逆变器本身的拓扑结构和电气设备辐射等影响，使得故障电弧的检测容易受到干扰。因此，直流电弧检测未来的发展方向是覆盖尽可能多的电弧故障，且不发生误动作。同时为了提高电弧检测的可靠性，需要对大量的光伏系统进行电弧试验，积累大量的原始数据，进而对这些数据进行分析，建立起合理的故障特征库，寻找更为有效合理的检测算法，这是逐步积累的一个过程。
参考文献
[1] SCHIMPE F，NARUM L E.Recognition of electric arcing in the DC-wring of photovoltaic systems[c]/Proceedings of Telecommunications Energy Conference 2009.Vienna： Telecommunications energy Conference，2009：1-6
[2] 杨艺，董爱华，付永丽.低压故障电弧检测概述[J].低压电器；通用低压电器篇，2009（5）：12
[3] 尹同庆，陈洪亮.基于小波变换的故障电弧检测技术研究[J].实验室研究与探讨，2008（3）：19