光伏发电与电磁辐射：光伏直流电弧故障危害大

光伏发电与电磁辐射：光伏直流电弧故障危害大为了解决现有检测方法的不足，近年来国内外学者开始探索电弧电磁辐射信号用于电弧故障识别的可行性。这些方法对光伏直流电弧故障起到一定的保护作用，但是中小功率光伏逆变器网侧大多为非隔离设计，电弧故障检测会受到来自逆变器高频噪声以及电网谐波的干扰，容易引起保护误动作。随着光伏发电技术的快速发展，光伏发电装机容量不断增长，截至2017年底我国光伏发电累计装机容量已超过130GW，光伏发电为人们带来绿色清洁能源的同时，其安全运行问题也受到国内外广泛关注。由于接头松动、线缆老化等原因引起的直流电弧故障是影响光伏系统安全运行的关键问题。直流电弧不存在过零点，一旦产生很难熄灭，极易引起火灾事故。根据电弧发生位置，电弧故障可以分为串联型和并联型两种类型。电弧相当于一个非线性电阻，当发生串联电弧故障时，电弧电流往往小于线路工作的正常电流，系统中的断路器、熔断器等保护装置无法对其进行有效保护。因此，光伏串联直流电

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）、浙江大学电气工程学院、天津科技大学电子信息与自动化学院的研究人员王尧、张彦风、牛峰、赵双乐、李奎，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“光伏直流电弧电磁辐射特性分析与测量方法”）指出，直流故障电弧是威胁光伏系统安全运行的重要因素。

该文研究光伏直流电弧电磁辐射信号特征及测量方法，探索电弧电磁辐射用于光伏直流电弧故障诊断与定位的可行性。直流电弧电磁辐射在时域呈现为一系列间断脉冲序列，其脉冲起始时刻与电弧电流突变时刻相对应，并且每个电磁辐射脉冲都是一个衰减的振荡信号。

理论分析表明，电弧电磁辐射信号强度与电弧电流变化率近似成正比，电弧电磁辐射频谱最大值所对应频率与电弧电磁辐射脉冲宽度近似成反比。在此基础上，设计出一种用于电弧电磁辐射测量的三阶Hilbert分形天线，其有效频率范围为210～800MHz。

实验结果表明，电弧电磁辐射强度与电流变化率的关系及其频谱最大值所对应频率与理论分析相吻合，验证了天线设计的正确性。此外，还分析了测量距离对电弧电磁辐射信号强度的影响，为电弧故障定位策略研究奠定了基础。

随着光伏发电技术的快速发展，光伏发电装机容量不断增长，截至2017年底我国光伏发电累计装机容量已超过130GW，光伏发电为人们带来绿色清洁能源的同时，其安全运行问题也受到国内外广泛关注。由于接头松动、线缆老化等原因引起的直流电弧故障是影响光伏系统安全运行的关键问题。

直流电弧不存在过零点，一旦产生很难熄灭，极易引起火灾事故。根据电弧发生位置，电弧故障可以分为串联型和并联型两种类型。电弧相当于一个非线性电阻，当发生串联电弧故障时，电弧电流往往小于线路工作的正常电流，系统中的断路器、熔断器等保护装置无法对其进行有效保护。因此，光伏串联直流电弧故障的识别与保护已成为国内外研究热点。

现有光伏系统直流电弧故障保护方法主要基于故障电弧的电压和电流特征。

• 有学者研究了光伏电池板不同工作点下，不同电极间隙以及不同位置处的电弧电压和电流信号特征，提出了一种基于BP神经网络的故障电弧检测方法。
• 有学者研究了直流电弧产生和发展过程中电弧电流变化规律，提出一种基于电源电压突变的故障电弧检测方法。
• 有学者分析了光伏直流电弧电流的频域特性，提出了一种基于多重判据的故障电弧检测算法。
• 有学者研究了直流电弧在空气中放电时电弧电流的高频特征，分析了电极材料和电弧电流大小对电弧电流高频特性的影响。

这些方法对光伏直流电弧故障起到一定的保护作用，但是中小功率光伏逆变器网侧大多为非隔离设计，电弧故障检测会受到来自逆变器高频噪声以及电网谐波的干扰，容易引起保护误动作。

为了解决现有检测方法的不足，近年来国内外学者开始探索电弧电磁辐射信号用于电弧故障识别的可行性。

• 有学者研究了低气压下串联直流电弧电磁辐射时频域特征，结果表明直流电弧电磁辐射脉冲幅值与气压、电极形状以及电极移动速度等因素有关，选取了36～41MHz作为直流电弧电磁辐射的特征频段。
• 有学者通过电容耦合方式获取电弧电磁辐射信号，实现电弧故障检测。
• 有学者分析了电弧起始阶段和稳定燃烧阶段的电弧能量，指出不同阶段下电弧电磁辐射频率范围有所不同。
• 有学者利用电网产生电弧故障，在距离90m处检测到电弧电磁辐射，进一步验证了将测量电磁辐射用于检测电弧的可行性。

然而，针对电弧故障电磁辐射的研究尚处于起步阶段，当前研究侧重于电弧故障电磁辐射信号特征分析。

本文在分析电弧故障电磁辐射信号特征的基础上，提出一种基于三阶Hilbert分形天线的故障电弧电磁辐射测量方法，为电弧故障识别与定位策略研究奠定基础。

图1 直流电弧实验平台

总结

首先，针对电弧燃弧起始阶段，分析了光伏直流电弧电磁辐射特性。电弧电磁辐射为间断脉冲序列，其脉冲起始点与电流突变时刻相对应，且每个电磁辐射脉冲为一个衰减振荡信号。电弧电磁辐射强度与其电流变化率近似成正比，电弧电磁辐射频谱最大值对应频率与电弧振荡脉冲宽度近似成反比。

其次，研究了电磁辐射测量方法，提出了一种用于电弧电磁辐射测量的三阶Hilbert分形天线，在较小外形尺寸（仅有60mm×60mm）下实现了较大频率测量范围，其带宽可达210～800MHz，并具有较好的回波损耗及接收方向性。

最后，利用所设计的三阶Hilbert分形天线进行了实验验证。结果表明，电弧电磁辐射与电流变化率的关系及其频谱最大值所对应频率与理论分析相吻合，验证了天线设计的正确性。同时，分析了电弧电流变化率以及测量距离对电弧电磁辐射信号强度的影响，采用实验结果统计及min-max归一化处理方法有效避免了电弧信号随机性的影响，为基于电弧电磁辐射信号的故障电弧定位策略研究奠定了基础。

下一步准备开展基于电弧电磁辐射的电弧故障定位方法研究，采用天线阵列接收电弧故障信号，并用接收信号强度和信号时延进行电弧故障定位研究。