简谈光伏系统拉弧电流

统计可靠数据显示因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首，大约有30%的火灾是由住宅电气线路老化或配置不合理造成的，并正以平均每年1%的速度持续上升。

在电气火灾中，电气短路引起的火灾事故又占一半以上。电气短路形式有2种：

导体间直接接触，如相与相之间、相与N 线之间短路,短路点往往被高温熔焊的金属短路,称为金属性短路。如图一中的老式线路碰线短路。

大短路电流能使断路器瞬时动作切断电源，火灾往往得以避免.

带电导体对地短路，是以电弧为通路的电弧性短路（故障电弧）。因短路电流受阻抗影响，电弧长时间延续，而2-10A的电弧电流就可以产生局部温度高达2000～4000℃，0.5A的电弧就足以引起火灾。如图二起弧的效果图。

由于对地故障引起的短路电流较小，不足以使一般断路器动作跳闸切断电源。所以故障电弧引起火灾危险远大于金属性短路。

如图三为典型电弧故障波形

当负载发生电弧故障时，电弧两端的电弧电压可视为恒定电压，其电弧电压约为10-40V，相应地负载两端的负载电压有所下降。如果负载保持不变，通过负载的电流随电压降低而减小。同时，电流的波形将显示为“肩膀”状。当负载两端的瞬时电压小于电弧电压时，电流不能在负载中流动。1曲线表征拉弧电流波形，2曲线表征拉弧电压波形。如图四所示，波形过零时的正弦电流信号失真是存在电弧的主要特征。

随着光伏技术的成熟和制造商扩大到新的市场，越来越多的户用小住宅以及商用光伏系统出现在生活当中。光伏系统也会发生有害的触电或火灾相关的灾难性事件，这些事件是由电弧引起的。可能发生在高压DC线路上，线路或电连接器故障。这些弧可以使电气设备带电，有潜在的触电风险。电弧还可能引起火灾，损坏电气设备或造成广泛的财产损失。

图五光伏电弧故障类型

在传统的太阳能电池阵列中，多个面板串联在一起，以一种称为中心或组串拓扑的方式连接到一个集中的DC到AC逆变器（见图六），多个面板串联成一个长串，每个逆变器通常系统携带200-600 V的电压。在每个逆变器与其连接的电路板之间需要进行电弧检测。

微型逆变器提供了另一种拓扑结构，其中每个光伏面板都有自己的逆变器（见图七）。微逆变器比组串的拓扑提供更大的灵活性，它们的模块化简化了安装。当安装需要扩展时，它们也易于伸缩。另外，每个微逆变器的直流电压低于80 V，直接交流电压输出，电压处在安全规范之内。不需要进行电弧检测。

虽然微逆变器越来越受欢迎，但现实是传统的太阳能安装方式仍然占据着99%的市场份额。微逆变器目前的装机成本更高。

那么，在光伏系统中，是如何去处理拉弧的呢？一方面IEC 62606（2013）标准内提到用AFDD（电弧故障检测装置）去对产生电弧的系统进行保护。另一方面表一是2011-2014 NEC的填摘要。

在2014 NEC中相比2011 NEC包含了一个重大变化，增加了第690.12条，适用于光伏（PV）系统的要求。NEC 2014第690.12条解决了适用于商业和住宅建筑的PV源电路的快速关机要求。针对光伏的拉弧故障专门提出了名为：Rapid Shutdown Systems（快速关机系统RSS）的检测系统。根据NEC 690.12（2014）的要求，UL 1699B 也标准化了关于RSS 的认证要求。

IEC 690.12条要求的RSS，由第一反应者/消防人员使用，在启动后10秒内将所有PV源电路释放到建筑物上或建筑物内。关机后，所得到的受控导体在任何两个导体和接地之间不得有超过30V或240VA。建筑物内的带电导体长度将限制在1.5米（5英尺）以内，建筑物外部的光伏阵列不超过3米（10英尺）。

目前市场上的RSS模型具体如下：

另外，除了将RSS安装在逆变器的后端之外，有部分厂家也提出安装在光伏组件后端的方案，如下图。

以上内容只针对光伏系统拉弧漏电的粗略谈论，如有不妥之处欢迎留言讨论指正。

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