太陽能應用的電弧檢測分析

　　電壓波形分析

　　首先關注電弧上的電壓，我們可得出一些有意義的信息。電弧間隙打開時，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時，產生一個小電弧，圖5顯示間隙上的電壓降低20 V。當間隙保持閉合狀態時，一個穩定的電流流過，電弧上幾乎檢測不到電壓。

　　然而，當間隙打開且電弧持續發生時，可以看到間隙上的壓降約為20 V。此電壓保持不變，隨著間隙增大，其上的電壓會提高。在某一時間點，電弧不再繼續發生，間隙上的電壓回到設定值。

　　圖5.電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

　　對電壓波形交流性能的進一步分析可揭示更多信息。當間隙閉合且沒有電弧時，電壓波形上出現瞬變，如圖6中紅圈區域所示。

　　圖6.電弧間隙上電壓的交流分析

　　當電弧燃起并持續時，又出現一個瞬變。隨著間隙進一步打開，最初高頻分量的幅度看似較低，但隨著間隙變寬，其幅度也增大，直至間隙過寬(100 V/14 A為14 mm)導致電弧不能維持自身而停止。當電弧停止時，再次出現一個高瞬變。

　　電流信號分析

　　現在看看經過系統的電流方面的情況，下面的波形是流經系統的電流的預覽。最初間隙閉合，然后間隙打開，最后間隙過大導致電流無法流過，電弧完全停止。

　　圖7.從電流分析得到的電弧直流和交流分量

　　對流過系統的電流的進一步分析顯示：當電弧存在時(圖8)，系統中存在高頻成分;當電弧不存在時(圖9)，這些信號也不存在。

　　圖8.無電弧——無高頻成分

　　圖9.有電弧——有高頻成分

　　頻譜分析

　　對電弧頻譜進行分析也是有意義的。圖11顯示了系統中存在電弧時的頻譜。它在系統的基本電平以上是可見的。頻率較低時，電平較高，更易于檢測，但在這種較低電平時，存在系統開關元件，需要予以濾除以便檢測電弧特征。在頻率范圍的較低區域可能需要使用較高分辨率的ADC。

　　圖10.電弧電流頻譜

　　頻率較高時，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統的開關元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測更容易。在較高頻率區域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。

　　圖11.無電弧頻譜

　　還有一條有價值的信息，那就是在相同條件下，無論產生電弧的電流/電壓為多大，圖11中的頻譜變化極小。這表明電弧具有一致性，因此系統中可以檢測到。

　　結語

　　必須根據下列要點解決直流電弧問題：

　　? 對象是可能產生電弧的系統和需要電弧檢測的電路。確保能檢測到所有電弧。

　　? 然后測量電弧的強度或幅度。

　　? 這是明確判斷電弧是否產生所必需的，同時還能消除系統受到外部輻照所引起的電弧誤報。因此，必須采用一種濾波機制來消除電弧誤判。

　　? 確保串聯和并聯電弧均得到處理，完整檢測可能需要(也可能不需要)多個獨立電路。

　　? 確保電子電路也能自動或手動禁用光伏陣列和電網連接，以便阻止火災擴散。

　　? 本文討論了多項內容，總結如下：

　　 光伏逆變器的電弧檢測是對新開發太陽能光伏逆變器的一項要求。

　　 起弧分析或電弧檢測主要是在電流域展開。

　　 測試都是在直流域中展開，采用符合UL1699B指令的試驗裝置，它具有兩個固體電極，大電流(7 A至14 A)通過其中。然后將其分開，直至電弧產生;再繼續分開，直至距離足夠遠，電弧停止。

　　 最大功率點跟蹤(MPPT)在電弧檢測中可發揮重要作用，開發解決方案時應予以考慮。

　　 電弧檢測可以在較低頻譜(100 kHz區域)中進行分析。一種可能的電弧檢測解決方案是使用100 kHz頻譜的帶通濾波器和ADSP-CM40系列內置ADC。

　　 目前市場上已有AFCI產品，其專門設計用于檢測交流電路中的電弧特征。

　　光伏逆變器的電弧檢測必須包含一種預測電弧發生的方法，以便在持續電弧發生之前或持續電弧的壽命極早階段提供預警，并且能關斷電弧源。然后平穩地關斷光伏逆變器，防止火災和逆變器受損(如可能)。

　　圍繞電弧預測需要做更多研究和分析。

　　參考文獻：

　　Haeberlin，Heinrich。光伏直流陣列中的電弧——潛在危險和可能的解決方案。瑞士國際會議，2007年。

　　Norum，Lars E;Schimpf，Fritz。防止光伏系統產生電弧的可能性。挪威科技大學(NTNU)，2009年。

　　Norum，Lars E;Schimpf，Fritz。直流布線光伏系統中的電弧識別。挪威科技大學(NTNU)，2009年。

　　Sclocchi，Michele。危險電弧故障檢測。National Semiconductor，2011年。

　　adsp-cm40x硬件參考。ADI公司，2015年。

　　再生能源發電網頁。ADI公司，2016年。

　　作者簡介

　　Martin Murnane是愛爾蘭利默里克市ADI公司太陽能光伏團隊成員。之前曾任職于ADI公司汽車團隊。加入ADI公司之前，他曾從事過能源循環利用系統中應用開發(Schaffner Systems)、基于Windows的應用軟件/數據庫開發(Dell Computers)以及采用應變計技術的產品開發(BMS)等領域的工作。他擁有利默里克大學電子工程學位和工商管理碩士學位。