[发明专利]一种直流故障电弧检测方法

说明书

技术领域

本发明针对直流故障电弧检测提出一种新方法，有效区分是否发生故障电弧，检测到发生故障电弧后及时报错，提高系统安全性，本发明可应用于直流功率变换器领域中，如UPS电池系统，光伏发电系统等。

背景技术

近年来，随着清洁能源、储能系统等快速发展，直流电力变换系统获得很大的发展，由于这些系统电流大、电压高从而更易产生故障电弧。

电弧是指流经大电流的导体，由于接头的不可靠连接或接头、导线绝缘退化，导致的接触不良，触点之间或触点与其他导体之间的不可靠连接而形成的放电现象。电弧是直流系统中导致火灾的主要原因，及时准确的侦测电弧的发生，直接影响直流系统的安全性和可靠性。

电弧包含串联拉弧和并联拉弧，前者指线缆之间的拉弧，后者指直流端对安全地的放电。本发明主要解决的是串联拉弧。

光伏发电系统就是这种高电压大电流的直流应用。随着光伏产业的高速增长，安装的光伏系统设备越来越多。投入运行的光伏发电设备逐渐老化和人为安装过程中的疏忽给光伏系统的安全性带来挑战。光伏系统直流侧电压随光伏面板的配置可高达几百上千伏，如果产生故障电弧，由于没有过零点保护，直流电弧比交流电弧更加危险。光伏系统的光伏面板受到阳光持续照射产生能量，如果产生故障电弧而没有及时觉察并切断线路，面板给电弧提供了源源不断的能量，对输电线路和光伏设备本身都会造成巨大损伤，严重时会引起火灾，危及生命安全。

基于安全可靠考虑，越来越多的直流应用对直流拉弧提出检测要求，有些已被强制要求执行，如美国电工法规NEC2011年版开始要求针对光伏发电系统装置电弧故障侦测断路器。针对NEC中有关直流故障电弧检测的要求，UL1699B标准给出了详细的规定。该规定要求当逆变器检测到故障电弧时应提供可视的告警提示，该告警不能自动清除。电源断电重新上电后该告警应仍然显示，必须手动清除逆变器才能并网工作。逆变器需具有故障电弧手动自检功能，逆变器执行自检时必须有可视界面提示，若自检未通过，必须手动清除，否则此告警保存，断电重启后依然存在。UL1699B还对保护时间和外界环境等做了详细规范要求。

一方面，可靠准确的电弧检测对直流系统的安全性无疑是非常重要，另一方面，如何避免检测单元误侦测也是实际中的难点。如美国NEC2011要求，当检测单元发出拉弧告警后，光伏逆变器需停止发电并等待操作人员检测并手动清除才允许继续并网发电，因此误侦测会导致光伏发电系统频繁关机，影响系统发电收益。

目前常见的检测如下：

1、基于拉弧产生的射频噪音判断

WO95/25374中，根据直流电流电弧发生后，会产生一定频段的射频噪音，通过射频接收装置接收噪音信号，并进行一定分频处理，根据电弧发生前后的噪音幅值进行判断，从而侦测电弧是否发生。

由于电力电子设备本身会产生噪音，且电子设备使用日益广泛，因此此方案无法避免误侦测，且多个设备同时运行的话，无法准确判断和定位电弧产生的位置。

2、基于直流电流高频分量幅值变化的检测

Nationalinstrument公司提出根据直流电流频谱幅值进行判断

此方案的原理，同样是根据直流电弧产生后会对电流带来一定程度的高频噪音的原理，但检测方式是通过采集直流电流并对其进行快速傅里叶分解(FFT)，从而获取电流的幅频特性，通过判断电弧产生前后的一定频带的幅值差异，判断电弧是否产生。

此方案由于检测相对准确，成本低廉而被广泛采用。但缺点在于同样受制于电力电子电路本身和周围设备带来的噪音干扰，当设备本身的直流电流中的噪音信号较大，此方案便无法使用或者频繁误报。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够避免误侦测，且不会受制于电力电子电路本身和周围设备带来的噪音干扰的串联拉弧检测方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种直流故障电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、对高频电力电子变换器的输入电流进行采样、滤波和快速傅立叶变换，得到电流高频分量的幅频特性曲线；

第二步、在幅频特性曲线上选定至少一个包含开关频率或倍数频率的频段，计算该频段内的幅值的峰值D1以及幅值的平均值D2，根据峰值D1与平均值D2间的距离变化判断是否有电弧发生，若平均值D2向峰值D1靠近，则有电弧发生，否则，无电弧发生。