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平臺，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。對試驗結(jié)果進行分析后發(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確地識別故障電弧;同時，提出了為驗證裝置的可靠性，應(yīng)在不同運行狀態(tài)及不同接入位置對裝置進行測試。

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度時，會形成電弧[5-6]。在整個電弧的形成過程中，會伴隨弧光、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而出現(xiàn)微小距離時或斷裂搭接時產(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

為驗證故障電弧檢測裝置的可靠性，本文參考UL 1699B 標(biāo)準搭建了電弧發(fā)生器，如圖 1 所示。電弧發(fā)生器由固定底座、固定電極、可移動電極( 銅質(zhì)圓棒)、絕緣夾塊及滑動塊等組成。固定電極比套管稍細，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[7] 中指出，在一定條件下，電極移動速度的加快會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調(diào)節(jié)時出現(xiàn)誤判，應(yīng)在拉弧出現(xiàn)后再通電運行，或采用伺服電機控制電極移動速度來實現(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];兩電極間隙增大時會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會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進行測試時，電壓及電極間隙應(yīng)保持不變。

測試平臺的外圍配套系統(tǒng)還包括信號采集系統(tǒng)與信號分析系統(tǒng)。信號采集系統(tǒng)用于采集回路中產(chǎn)生拉弧時輸出的電流信號，信號分析系統(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、示波器和計算機組成。

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，對3 個故障電弧檢測裝置，即樣品A、B、C 進行功能測試。

試驗條件1：按照常規(guī)要求，將3 個故障電弧檢測裝置正常接入平臺進行試驗。

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

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

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

由于光伏模擬器的輻照度幅值和溫度幅值會隨時間而變化，因此，輻照度和溫度會影響光伏系統(tǒng)I-V 輸出特性曲線。試驗條件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、保護電路安全的功能。

在試驗條件1 時，A、B、C 3 個樣品都能夠?qū)崿F(xiàn)回路切斷的保護功能。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。

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

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

為了進一步貼近實際工況，將試驗條件3 的天氣更靠近實際設(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 曲線作為試驗條件5，結(jié)果如表3 所示。在陰天及多云天氣時，樣品C 未能實現(xiàn)回路切斷，保護功能未能實現(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，將試驗條件2 和試驗條件4 進行條件交叉，作為試驗條件6 進行試驗。試驗條件6 中，a 為前端離拉弧點100 m 處，采用逆變器X;b 為后端離拉弧點100 m 處，采用逆變器X;c 為前端離拉弧點500 m 處，采用逆變器Y;d 為后端離拉弧點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500 m 處、采用逆變器Y 時，樣品A、B、C 都未能實現(xiàn)回路切斷，保護功能未能實現(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)生的方法有可能會出現(xiàn)誤判。表3 中，光伏模擬器在模擬陰天變化情況時，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，高頻部分的特征會有明顯變化，高精度的樣品能更好地監(jiān)測并判別高頻部分信號。

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，以實現(xiàn)更有效的監(jiān)測。 2) 根據(jù)實際的安裝使用情況，按照系統(tǒng)對產(chǎn)品進行分類，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等先進方法進行閾值判斷，可更為準確地監(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)濟成本、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方向。

對故障電弧檢測裝置的性能進行驗證時，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)。對于在遠距離接線的系統(tǒng)中使用的故障電弧檢測裝置，至少要驗證離拉弧點大于500 m 時的保護功能，在實際測試時可將條件參數(shù)微調(diào)，使其更符合實際使用。應(yīng)確保經(jīng)檢測驗證后的裝置在實際應(yīng)用中能做到在故障發(fā)生時及時切斷，在非故障時保持連接，避免業(yè)主出現(xiàn)經(jīng)濟損失，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行試驗論證，搭建不同測試條件下的故障電弧試驗平臺，建立試驗數(shù)據(jù)庫;對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，提出了在驗證故障電弧檢測裝置的性能時會影響驗證結(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)通過不同的運行條件來驗證其是否能準確識別故障并進行保護，而采用頻域特性方法的裝置應(yīng)在不同運行條件及不同接入位置來判定其功能是否符合要求等，為進一步研究驗證光伏系統(tǒng)用故障電弧檢測裝置的可靠性提供了實證依據(jù)。