省部共建電工裝備可靠性與智能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）、河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）、浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院、天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員王堯、張彥風(fēng)、牛峰、趙雙樂(lè)、李奎，在2019年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“光伏直流電弧電磁輻射特性分析與測(cè)量方法”）指出，直流故障電弧是威脅光伏系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。

該文研究光伏直流電弧電磁輻射信號(hào)特征及測(cè)量方法，探索電弧電磁輻射用于光伏直流電弧故障診斷與定位的可行性。直流電弧電磁輻射在時(shí)域呈現(xiàn)為一系列間斷脈沖序列，其脈沖起始時(shí)刻與電弧電流突變時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，并且每個(gè)電磁輻射脈沖都是一個(gè)衰減的振蕩信號(hào)。

理論分析表明，電弧電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度與電弧電流變化率近似成正比，電弧電磁輻射頻譜大值所對(duì)應(yīng)頻率與電弧電磁輻射脈沖寬度近似成反比。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種用于電弧電磁輻射測(cè)量的三階Hilbert分形天線，其有效頻率范圍為210～800MHz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電弧電磁輻射強(qiáng)度與電流變化率的關(guān)系及其頻譜大值所對(duì)應(yīng)頻率與理論分析相吻合，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的正確性。此外，還分析了測(cè)量距離對(duì)電弧電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度的影響，為電弧故障定位策略研究奠定了基礎(chǔ)。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，截至2017年底我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已超過(guò)130GW，光伏發(fā)電為人們帶來(lái)綠色清潔能源的同時(shí)，其安全運(yùn)行問(wèn)題也受到外廣泛關(guān)注。由于接頭松動(dòng)、線纜老化等原因引起的直流電弧故障是影響光伏系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。

直流電弧不存在過(guò)零點(diǎn)，一旦產(chǎn)生很難熄滅，極易引起火災(zāi)事故。根據(jù)電弧發(fā)生位置，電弧故障可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類型。電弧相當(dāng)于一個(gè)非線性電阻，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)電弧故障時(shí)，電弧電流往往小于線路工作的正常電流，系統(tǒng)中的斷路器、熔斷器等保護(hù)裝置無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)。因此，光伏串聯(lián)直流電弧故障的識(shí)別與保護(hù)已成為外研究熱點(diǎn)。
現(xiàn)有光伏系統(tǒng)直流電弧故障保護(hù)方法主要基于故障電弧的電壓和電流特征。

有學(xué)者研究了光伏電池板不同工作點(diǎn)下，不同電極間隙以及不同位置處的電弧電壓和電流信號(hào)特征，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障電弧檢測(cè)方法。有學(xué)者研究了直流電弧產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中電弧電流變化規(guī)律，提出一種基于電源電壓突變的故障電弧檢測(cè)方法。有學(xué)者分析了光伏直流電弧電流的頻域特性，提出了一種基于多重判據(jù)的故障電弧檢測(cè)算法。有學(xué)者研究了直流電弧在空氣中放電時(shí)電弧電流的高頻特征，分析了電極材料和電弧電流大小對(duì)電弧電流高頻特性的影響。這些方法對(duì)光伏直流電弧故障起到一定的保護(hù)作用，但是中小功率光伏逆變器網(wǎng)側(cè)大多為非隔離設(shè)計(jì)，電弧故障檢測(cè)會(huì)受到來(lái)自逆變器高頻噪聲以及電網(wǎng)諧波的干擾，容易引起保護(hù)誤動(dòng)作。

為了解決現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足，近年來(lái)外學(xué)者開(kāi)始探索電弧電磁輻射信號(hào)用于電弧故障識(shí)別的可行性。

有學(xué)者研究了低氣壓下串聯(lián)直流電弧電磁輻射時(shí)頻域特征，結(jié)果表明直流電弧電磁輻射脈沖幅值與氣壓、電極形狀以及電極移動(dòng)速度等因素有關(guān)，選取了36～41MHz作為直流電弧電磁輻射的特征頻段。有學(xué)者通過(guò)電容耦合方式獲取電弧電磁輻射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測(cè)。有學(xué)者分析了電弧起始階段和穩(wěn)定燃燒階段的電弧能量，指出不同階段下電弧電磁輻射頻率范圍有所不同。有學(xué)者利用電網(wǎng)產(chǎn)生電弧故障，在距離90m處檢測(cè)到電弧電磁輻射，進(jìn)一步驗(yàn)證了將測(cè)量電磁輻射用于檢測(cè)電弧的可行性。然而，針對(duì)電弧故障電磁輻射的研究尚處于起步階段，當(dāng)前研究側(cè)重于電弧故障電磁輻射信號(hào)特征分析。

本文在分析電弧故障電磁輻射信號(hào)特征的基礎(chǔ)上，提出一種基于三階Hilbert分形天線的故障電弧電磁輻射測(cè)量方法，為電弧故障識(shí)別與定位策略研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 直流電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

首先，針對(duì)電弧燃弧起始階段，分析了光伏直流電弧電磁輻射特性。電弧電磁輻射為間斷脈沖序列，其脈沖起始點(diǎn)與電流突變時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，且每個(gè)電磁輻射脈沖為一個(gè)衰減振蕩信號(hào)。電弧電磁輻射強(qiáng)度與其電流變化率近似成正比，電弧電磁輻射頻譜大值對(duì)應(yīng)頻率與電弧振蕩脈沖寬度近似成反比。

其次，研究了電磁輻射測(cè)量方法，提出了一種用于電弧電磁輻射測(cè)量的三階Hilbert分形天線，在較小外形尺寸（僅有60mm×60mm）下實(shí)現(xiàn)了較大頻率測(cè)量范圍，其帶寬可達(dá)210～800MHz，并具有較好的回波損耗及接收方向性。

后，利用所設(shè)計(jì)的三階Hilbert分形天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，電弧電磁輻射與電流變化率的關(guān)系及其頻譜大值所對(duì)應(yīng)頻率與理論分析相吻合，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)，分析了電弧電流變化率以及測(cè)量距離對(duì)電弧電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度的影響，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及min-max歸一化處理方法有效避免了電弧信號(hào)隨機(jī)性的影響，為基于電弧電磁輻射信號(hào)的故障電弧定位策略研究奠定了基礎(chǔ)。

下一步準(zhǔn)備開(kāi)展基于電弧電磁輻射的電弧故障定位方法研究，采用天線陣列接收電弧故障信號(hào)，并用接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)時(shí)延進(jìn)行電弧故障定位研究。