光伏發電是當今世界的尖端科技，可為人類解決能源危機、環境污染和可持續發展等三大世界難題。雖然短期光伏遇到政策性困擾，但隨著組件等材料價格下降，光伏發電對政策補貼的依賴性也越來越低，從長遠上看，光伏還是大有可為，將會越來越普及。光伏系統不同于家電產品，當光伏發電系統發生重大故障后，需要有專業的裝置在保證人身安全的情況下盡量減小損失。根據統計，60%以上的光伏電站火災是因為直流電弧，今天我們就來學習一下什么是直流電弧，如何檢測，如何防患。

什么是直流電弧，起因和破壞力如何？

直流電弧是一種氣體放電現象，可以理解為絕緣情況下產生的高強度瞬時電流。根據文獻報道：當用電開關斷開電流或接觸不良時，如果電路電壓不低于20 伏，電流不小于80~100mA，電器的觸頭間便會產生直流電弧。

跟交流電弧不一樣的是，直流電弧沒有過零點，意味著如果發生了直流電弧，觸發部位會維持相當長一段時間穩定燃燒而不熄滅。
在光伏電站中，電纜接頭沒有擰緊，會導致接觸不良；接插件或者直接開關的可靠性；絕緣層長時間老化，由于外力導致絕緣層破損等問題，都會造成直流電弧。隨著電站運行時間增加，出現直流電弧的概率也會增加。

直流電弧產生的高溫輕易超過3000℃，能夠直接導致起火。綜合國內外的案例和數據，直流電弧儼然已經成為引發電站火災的頭號殺手。


直流電弧的發生概率有多大？

不考慮其他接觸件以及絕緣部位，在一個10MW的分布式電站中，光接觸點便超過了80,000個，它們時刻存在發生直流電弧的可能性。即便在25年的電站運行時間中只有1/1000的接觸點發生直流電弧，這個電站也會發生80次直流電弧事件，引起火災的概率非常之高。

若不采取及時有效地防護措施，會產生3000℃以上的高溫現象，引發火災，某些物質熔化甚至蒸發產生大量的有毒氣體，進而危及人身生命安全和國家的經濟遭受重大損失。因此2011年美國電工法NEC690.8規定光伏系統中直流電壓大于80V必須配備檢測故障電弧的檢測裝置和斷路器，而UL也制定相應標準UL1699B用以檢測評估光伏直流電弧的有效方法。

電弧故障類型

電弧故障主要是由于電纜導線電氣絕緣性能老化、破損，污染及空氣潮濕引起的空氣擊穿，或者電氣連接松動等原因造成的，是一種穿過絕緣介質的連續發光和放電過程，是一個時變的非線性過程。電弧在放電的過程中，主要特性有強光、熱、噪聲、電磁輻射、電壓電流的高突變率以及電弧電流在某些頻帶內的變化等。

針對光伏系統發生的故障電弧，總體歸納來看，主要分為兩類：
串行電弧，是一條電流導線在未預期的情況下扯斷或斷裂，在其斷裂處即會產生串聯故障電弧。這種不佳的接觸點發生于太陽組件與組件之間、快速接頭之間、接線與接線盒之間，或是斷裂的連接在線。光伏系統因為有成千上萬個接點，因此，串行電弧是引起火災危險的主要潛在因素。

并行電弧，是一個未預期的路徑剛好通過兩個極性相反的導體之間發生的意外即為并行故障電弧。此類故障電弧的成因常是小動物咬破電線、外力造成電線破損等，電線失去既有的絕緣功效，并讓正負兩極的金屬互相接觸產生了故障電弧狀況。

雖然并行故障電弧的發生機率遠小于串行故障電弧，但是其帶來的危險性確是遠遠超過后者。另外，接地故障也是一種并行故障電弧的典型型態。

直流電弧故障的檢測方法

在光伏系統中產生的電弧可分為正常電弧和非正常電弧兩種。斷路器的正常關斷等操作所引起的電弧屬正常電弧；而電線老化、接觸不良等故障引起的電弧屬于不正常電弧，這就代表著電弧檢測要正確地分辨好弧和壞弧；因為存在著這樣復雜的因素，往往給故障電弧檢測帶來了較大的挑戰，同時也給檢測方式和算法提出更高的要求。

故障電弧的檢測就是在電弧產生的初始階段，通過傳感器檢測電弧在物理上和電氣上的各種參數變化，加以分析來判斷是否有電弧產生。

基于電壓電流變化的檢測

故障電弧發生時候必然會導致電壓和電流的變化，在故障電弧發生時，電壓會瞬間升高，而電流值會瞬間下降，這樣就可以利用電壓和電流的變化來判斷是否產生電弧。

但是這樣的檢測也有其局限性，第一是需要判定電弧產生的具體位置才能更好的檢測電壓和電流波形，第二在發生并聯故障電弧時，逆變器的輸入端電流波形只出現較小的跌落，電壓波形略有下降，這就要求檢測設備必須具有較高的精度，不然會引起頻繁的誤判報警，同時也因為光伏系統受光照和溫度變化的影響，光伏組件的輸出電流和電壓幅值不穩定，給檢測帶來更大的困難。

基于故障電流特性的檢測

該方法是通過電流檢測的方式對高通濾波得到的高頻信號、低通濾波得到的低頻信號進行特征值統計，目前這種方法得到普遍的運用。

在故障電弧發生時，故障電流中都含有大量的諧波分量，幅值發生變化，通過對故障電流信號時域特性和頻域特性進行詳細的分析，依據故障信號各自的共性和個性，利用快速傅立葉變換和小波變換提取故障電流的特征值，提高故障識別的靈敏性和準確性。

在光伏系統中，由于光伏陣列組成了龐大的系統使得直流電弧故障需要較高的檢測精度，也由于光伏電站的輸出受溫度和日照強度變化，逆變器本身的拓撲結構和電氣設備輻射等影響，使得故障電弧的檢測容易受到干擾。因此，直流電弧檢測未來的發展方向是覆蓋盡可能多的電弧故障，且不發生誤動作。

火災是光伏電站經濟效益損失最大的事故，如果是安裝在廠房或者民居屋頂上，還很容易危及人身安全。光伏電站一旦發生火災，不能直接用水來滅火，首先要以最快的速度切斷電源，古瑞瓦特在多款機型上推出一種電路保護裝置AFCI（Arc-Fault Circuit-Interrupter），其主要作用是防止故障電弧引起火災。它有檢測并區別逆變器在啟停或開關時產生的正常電弧和故障電弧的能力，發現故障電弧后及時切斷電路。這個電路有以下特點：