光伏系统直流电弧故障的特性和在线监测系统研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 在光伏系统直流侧，因光伏组件压接头松脱、接触不良、导线绝缘破裂等原因 可能导致发生直流电弧故障。现有保护设施如保险丝、断路器等无法主动断开电 弧支路，导致电弧持续燃烧进而引发火灾。因此，为保障光伏系统的安全、可靠 运行，将电弧消灭在萌芽状态，本文通过实验室模拟和光伏电站现场实验的方法 研究了电弧特性，提取了有利于电弧检测与识别的特征量，并研制了一套电弧故 障在线监测系统。 设计了电弧发生器，搭建了直流电弧故障实验平台，并分别在实验室和光伏 电站开展了大量实验。实验室中，借助直流稳压电源，采用控制变量的方法分析 了影响电弧特性的主要因素，数据表明影响电弧特性的主要因素是电流和电极间 距，而电源电压则决定了电弧能否产生以及电弧能否稳定燃烧。同时，建立了电 弧的数值拟合模型，研究了电弧的R-I、V-I、P-I 特性。在光伏电站现场实验模拟 了四种电弧故障，即两种位置不同的串联型故障和并联型故障，发现：1）无论电 流、电极间距多大，在电弧发生后，不同类型故障的支路电流、电压变化各不同， 但是共性为：时域上电流波动加剧，体现在频谱中40kHz-80kHz 范围内的谐波幅 值明显增加，因此，可有效检测电弧，并根据支路电流变化幅值的不同区分串联 型电弧故障和并联型电弧故障；2 ）两种类型的电弧故障均可通过汇流箱进线处的 电流信号进行检测，串联型电弧故障可通过断开回路的方法实施保护，熄灭电弧， 而并联型电弧故障由于新增一条电弧支路，即使断开汇流箱的断路器也无法熄弧， 难以实施保护。 研制了光伏系统直流电弧故障在线监测系统，系统主要包括电弧检测模块、 电源模块、主控模块、GPRS 模块、蓝牙模块等。最后，进行了现场实验测试，数 据表明该系统能快速、有效地检测到上述类型的电弧故障，并采取相应的保护措 施或报警，响应时间均小于 100ms，远远小于UL1699B 关于电弧检测装置燃弧时 间小于2s 的规定。同时，阴影遮挡、光照强度等环境因素的变化不会引起系统误 动作。 综上，本文通过实验的方法研究了直流电弧故障的特性，并研制了直流电弧 故障在线监测系统，该系统能在光伏系统出现电弧故障时，快速检测与报警，促 进光伏系统安全、可靠运行。 关键词：光伏系统；直流电弧；电弧特征；在线监测 I 英文摘要 Abstract In the DC side of the photovoltaic system, DC fault arc is generated by failure connection, poor contacts and insulation failure of cables. Existing protection facilities, such as fuses and circuit breakers, cannot actively disconnect the arc circuit, and the arc will continue to burn, which leads to fire disaster. In order to guarantee the safe and reliable operation of the PV system, eliminate the arc in the bud, the arc fault characteristics are studied by experiments in both lab and field, and an on-line monitoring system is developed. In this paper, a DC arc generator and arc fault experiment platform was set up, and arc experiments were conducted in lab