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[摘 要]光伏发电直流侧拉弧影响到光伏系统的安全运行，因此需要采取防拉弧保护措施。本文介绍了几种光伏直流侧防拉弧安全保护的检测方法。
[关键词]光伏；拉弧；检测
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0258-01
光伏发电是重要的清洁能源，近年来发展迅速，在各地建设了大量光伏电站。从这些光伏电站的实际运行情况看，光伏发电系统也存在不少安全问题，需要引起重视，尤其是直流拉弧现象，一旦发生拉弧没有及时处理，往往造成较大经济损失。因此很有必要对光伏系统直流侧进行研究，找出有效的保护方案，提高光伏系统的安全性。本文将探讨几种光伏直流侧防拉弧安全保护的检测方法。
光伏系统一般由光伏组件、汇流箱、逆变器组成，从光伏组件到逆变器直流输入侧均为直流线路。在直流线路中，由于接头松脱，接触不良，绝缘下降等原因易出现拉弧现象。直流电由于无过零点，电弧不能自动熄灭，持续拉弧高温引燃周边材料，进而造成事故扩大。
要减少拉弧事故，一方面需要的是对光伏系统进行高质量的维护，另一方面可以通过增加光伏系统的防拉弧保护装置实现。
光伏系统的防拉弧保护装置，按照其实施原理可以分为预防性保护装置和补救性保护装置。预防性保护装置在发生拉弧前，通过检测直流线路中特定状态参数，提前查找出潜在拉弧风险，引导运维人员实施预防性措施；补救性保护装置在发生拉弧时，通过检测直流线路中特定状态参数，及时检测到拉弧现象，通过切断线路避免事故扩大。
光伏系统的防拉弧预防性保护装置主要是直流母线绝缘监测仪，通过检测直流线路正、负母线对地绝缘，及两线间绝缘值判断是否有发生拉弧风险。光伏系统正、负直流母线均对地绝缘，理论上绝缘电阻无穷大，正、负直流母线对地电压为零。但是实际上正、负直流母线对地电阻为数百kΩ至数MΩ级，且正、负直流母线对地电阻值可视为近似相等，如图1所示，R1为正直流母线对地电阻，R2为负直流母线对地电阻，由于R1与R2近似相等，因此正直流母线对地电压U+与负直流母线对地电压U-极性相反，绝对值相等，即U+=-U-。若在正、负直流母线间接阻值相等的电阻R3、R4，则R3、R4之间对地电压V0为（U++U-）/2，由于U+=-U-，因此R3与R4之间对地电压V0为零（图1）。
在正、负直流母线任一线路发生对地绝缘下降情况时，正、负直流母线对地电压发生变化，造成V0变化，由于R3、R4数值及直流母线对地绝缘电阻值大致数值已知，通过测量V0电压可以推算出对地绝缘电阻R1、R2的大致数值，当V0发生变化超出一定范围，即可确定直流母线对地绝缘电阻下降到警戒范围。
光伏系统的防拉弧补救性保护装置目前市场上较少，原理是通过测量直流线路的特定状态参数进行判断是否发生拉弧，之后切断电路实现灭弧。实现补救性保护的重点是及时发现拉弧现象，可以采用电流数值比较法和电压/电流波形检测法实现。
电流数值比较法原理较简单，即通过检测直流线路首末两端电流值，并进行比较。如图2所示。
根据基尔霍夫定律，在正常运行状态下，流入线路的电流I2与流出线路的电流I1应相等，若在线路中段发生短路拉弧，部分电流I3从短路拉弧点流出，此时I1≠I2。因此可以根据I1与I2差值判断线路是否发生短路，避免拉弧发生。
电压/电流波形检测法较为复杂。当直流线路发生拉弧时，线路电压与电流急剧变化，通过特定拉弧检测算法判断是否发生拉弧，进而采取灭弧措施。由于该方法较复杂，在此不详细介绍。
除以上方法外，目前还出现了一种新型的拉弧检测方法：针对光伏系统的特性，提出了一种全新的利用汇流箱防反二极管端电压检测拉弧的方法。如图3所示。
常规汇流箱输入端存在一个防反二极管，在正常工作情况下，防反二极管A、B两端电压差值等于防反二极管管压降，而管压降是由二极管的特性所决定的，数值固定在一个较小的范围内。当线路发生拉弧时，由于电弧拉弧电流抖动，造成A端电压快速突变，而B端连接与汇流箱直流母线正极，连接有多个光伏阵列输入，电压并不会发生较大波动，此时，A端电压低于B端电压，因此，在实际使用中可通过检测A端与B端电压差变化的情况及时发现直流线路是否发生拉弧现象。使用该方法，由于算法较简单，增加的硬件投资较少，具有一定的优势。
目前，上述几种防拉弧保护检测方法，均已经形成产品并应用在光伏系统保护产品中，在实际应用中均有效的避免了拉弧造成更大损失。由于光伏发电是重要的清洁能源，今后将会是我国电力的一种主流供应方式，因此很有必要继续在光伏发电防拉弧保护上进行更深入的研究。
参考文献
[1] HAEBERLN H，REAL M.Method of protecting electrical equipment，in particular direct current equipment，e.g.photo-voltaic equipment and a detection unit for said equipment. WIPO：PCT/WO 95/25374，1995-09-21.
[2] 姚秀，汲胜昌，LuisHerrera，王瑾.串联直流电弧特性及其在故障诊断中的应用.高压电器，2012.48：6—10.
[3] 吴积钦，钱清泉.受电弓与接触网系统电基础特性[J]，中国铁道科学，2008（3）：106-109.
[4] HAEBERLIN H， REAL M.Arcdetector for remote detection of dangerous arcs on the dc side of PV plants.22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference.：IEEE，2007：1-6.
[关键词]光伏；拉弧；检测
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0258-01
光伏发电是重要的清洁能源，近年来发展迅速，在各地建设了大量光伏电站。从这些光伏电站的实际运行情况看，光伏发电系统也存在不少安全问题，需要引起重视，尤其是直流拉弧现象，一旦发生拉弧没有及时处理，往往造成较大经济损失。因此很有必要对光伏系统直流侧进行研究，找出有效的保护方案，提高光伏系统的安全性。本文将探讨几种光伏直流侧防拉弧安全保护的检测方法。
光伏系统一般由光伏组件、汇流箱、逆变器组成，从光伏组件到逆变器直流输入侧均为直流线路。在直流线路中，由于接头松脱，接触不良，绝缘下降等原因易出现拉弧现象。直流电由于无过零点，电弧不能自动熄灭，持续拉弧高温引燃周边材料，进而造成事故扩大。
要减少拉弧事故，一方面需要的是对光伏系统进行高质量的维护，另一方面可以通过增加光伏系统的防拉弧保护装置实现。
光伏系统的防拉弧保护装置，按照其实施原理可以分为预防性保护装置和补救性保护装置。预防性保护装置在发生拉弧前，通过检测直流线路中特定状态参数，提前查找出潜在拉弧风险，引导运维人员实施预防性措施；补救性保护装置在发生拉弧时，通过检测直流线路中特定状态参数，及时检测到拉弧现象，通过切断线路避免事故扩大。
光伏系统的防拉弧预防性保护装置主要是直流母线绝缘监测仪，通过检测直流线路正、负母线对地绝缘，及两线间绝缘值判断是否有发生拉弧风险。光伏系统正、负直流母线均对地绝缘，理论上绝缘电阻无穷大，正、负直流母线对地电压为零。但是实际上正、负直流母线对地电阻为数百kΩ至数MΩ级，且正、负直流母线对地电阻值可视为近似相等，如图1所示，R1为正直流母线对地电阻，R2为负直流母线对地电阻，由于R1与R2近似相等，因此正直流母线对地电压U+与负直流母线对地电压U-极性相反，绝对值相等，即U+=-U-。若在正、负直流母线间接阻值相等的电阻R3、R4，则R3、R4之间对地电压V0为（U++U-）/2，由于U+=-U-，因此R3与R4之间对地电压V0为零（图1）。
在正、负直流母线任一线路发生对地绝缘下降情况时，正、负直流母线对地电压发生变化，造成V0变化，由于R3、R4数值及直流母线对地绝缘电阻值大致数值已知，通过测量V0电压可以推算出对地绝缘电阻R1、R2的大致数值，当V0发生变化超出一定范围，即可确定直流母线对地绝缘电阻下降到警戒范围。
光伏系统的防拉弧补救性保护装置目前市场上较少，原理是通过测量直流线路的特定状态参数进行判断是否发生拉弧，之后切断电路实现灭弧。实现补救性保护的重点是及时发现拉弧现象，可以采用电流数值比较法和电压/电流波形检测法实现。
电流数值比较法原理较简单，即通过检测直流线路首末两端电流值，并进行比较。如图2所示。
根据基尔霍夫定律，在正常运行状态下，流入线路的电流I2与流出线路的电流I1应相等，若在线路中段发生短路拉弧，部分电流I3从短路拉弧点流出，此时I1≠I2。因此可以根据I1与I2差值判断线路是否发生短路，避免拉弧发生。
电压/电流波形检测法较为复杂。当直流线路发生拉弧时，线路电压与电流急剧变化，通过特定拉弧检测算法判断是否发生拉弧，进而采取灭弧措施。由于该方法较复杂，在此不详细介绍。
除以上方法外，目前还出现了一种新型的拉弧检测方法：针对光伏系统的特性，提出了一种全新的利用汇流箱防反二极管端电压检测拉弧的方法。如图3所示。
常规汇流箱输入端存在一个防反二极管，在正常工作情况下，防反二极管A、B两端电压差值等于防反二极管管压降，而管压降是由二极管的特性所决定的，数值固定在一个较小的范围内。当线路发生拉弧时，由于电弧拉弧电流抖动，造成A端电压快速突变，而B端连接与汇流箱直流母线正极，连接有多个光伏阵列输入，电压并不会发生较大波动，此时，A端电压低于B端电压，因此，在实际使用中可通过检测A端与B端电压差变化的情况及时发现直流线路是否发生拉弧现象。使用该方法，由于算法较简单，增加的硬件投资较少，具有一定的优势。
目前，上述几种防拉弧保护检测方法，均已经形成产品并应用在光伏系统保护产品中，在实际应用中均有效的避免了拉弧造成更大损失。由于光伏发电是重要的清洁能源，今后将会是我国电力的一种主流供应方式，因此很有必要继续在光伏发电防拉弧保护上进行更深入的研究。
参考文献
[1] HAEBERLN H，REAL M.Method of protecting electrical equipment，in particular direct current equipment，e.g.photo-voltaic equipment and a detection unit for said equipment. WIPO：PCT/WO 95/25374，1995-09-21.
[2] 姚秀，汲胜昌，LuisHerrera，王瑾.串联直流电弧特性及其在故障诊断中的应用.高压电器，2012.48：6—10.
[3] 吴积钦，钱清泉.受电弓与接触网系统电基础特性[J]，中国铁道科学，2008（3）：106-109.
[4] HAEBERLIN H， REAL M.Arcdetector for remote detection of dangerous arcs on the dc side of PV plants.22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference.：IEEE，2007：1-6.