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5．漏電流和漏電流保護(hù)器

生活中不經(jīng)意間觸摸到一些電氣的外殼，手會(huì)有一些麻麻的感覺。這個(gè)時(shí)候我們感覺到的就是漏電流。在物理學(xué)中，我們常說的導(dǎo)體和絕緣體的主要區(qū)別是電導(dǎo)率的不同，絕緣體也有很小的電導(dǎo)率。只是通常漏電流小得可以忽略不計(jì)。舊的家用電器和用電線路，因?yàn)殚L期使用，絕緣可能會(huì)老化而使漏電加大，造成安全隱患。

過去的光伏并網(wǎng)逆變器一般都會(huì)采用帶變壓器式的逆變器，包括在逆變器輸出端接工頻變壓器和在逆變器輸入端接高頻變壓器2種。雖然接壓器可以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和電氣隔離的作用，但也存在一些固有的缺點(diǎn)和不足，如工頻變壓器存在體積大、重量重、成本高等缺點(diǎn)；而高頻變壓器雖然體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因采用多級(jí)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)控制復(fù)雜，轉(zhuǎn)換效率低。為了去掉笨重的工頻變壓器和復(fù)雜的高頻變壓器，這幾年我們使用了無變壓器結(jié)構(gòu)的組串式單項(xiàng)或者三相逆變器。大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，但同時(shí)也帶來了一些新的問題。

例如，共模電流（在實(shí)際光伏并網(wǎng)設(shè)備中俗稱“漏電流”）、向電網(wǎng)注入直流分量等。由于在無變壓器光伏并網(wǎng)逆變器中沒有變壓器的隔離作用，電網(wǎng)與光伏陣列存在直接的電氣連接，而光伏陣列和地之間存在虛擬的寄生電容，因此形成了由寄生電容、濾波元件和電網(wǎng)阻抗組成的共模諧振回路。寄生電容上變化的共模電壓在這個(gè)共模諧振回路中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的共模電流（即漏電流），如下圖所示。

無變壓器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的共模電流會(huì)帶來很多問題和危害，如引起并網(wǎng)電流的畸變、對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾等，更為嚴(yán)重的是會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成重大威脅。因此一些國家對(duì)漏電流的要求進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，如德國的VDE－0126－1－1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，漏電流超過30mA時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須在0．3 S內(nèi)與電網(wǎng)斷開。因此漏電流抑制技術(shù)已經(jīng)成為分布式發(fā)電的一個(gè)新的問題。

5．1 解決漏電流危害的方式

抑制漏電流可以從逆變器本身解決，比如很多廠家提出如帶直流旁路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶交流旁路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、H5拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都采用單極性PWM調(diào)制控制策略，通過利用本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使主橋臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通，從而使直流側(cè)和交流側(cè)斷開，實(shí)現(xiàn)抑制漏電流的目的（單相機(jī)）。

對(duì)于三相全橋式拓?fù)�，采用傳統(tǒng)的SPWM法和SVPWM法是不能有效抑制漏電流的，很多廠家，比如古瑞瓦特10－33KW采用了改進(jìn)型SPWM算法，因能夠使共模電壓恒定，可以有效抑制漏電流。

由于目前的組串式逆變器多為高頻不隔離逆變器，漏電流影響還是比較嚴(yán)重的。由于逆變器在高頻切換時(shí)，部分輸出電流會(huì)經(jīng)由EMI Y電容流經(jīng)PV array的寄生電容后，再流回逆變器，因此只要EMI Y電容或PV array的寄生電容越大，所產(chǎn)生的高頻對(duì)地漏電流也就越大，以致使逆變器的輸出電流波形被影響的程度，也就越嚴(yán)重。

綜上，光伏系統(tǒng)中必須安裝漏電流保護(hù)裝置。

5．2 漏電保護(hù)器

漏電開關(guān)的正確稱呼為剩余電流保護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱RCD），是一種具有特殊保護(hù)功能（漏電保護(hù)）的空氣斷路器。它所檢測(cè)的是剩余電流，即被保護(hù)回路內(nèi)相線和中性線電流瞬時(shí)值的代數(shù)和（其中包括中性線中的三相不平衡電流和諧波電流）。為此，RCD的整定值，也即其額動(dòng)作電流IΔn，只需躲開正常泄漏電流值即可，此值以mA計(jì)，所以RCD能十分靈敏地切斷保護(hù)回路的接地故障，還可用作防直接接觸電擊的后備保護(hù)。

漏電保護(hù)器是一種利用檢測(cè)被保護(hù)電網(wǎng)內(nèi)所發(fā)生的相線對(duì)地漏電或觸電電流的大小，而作為發(fā)出動(dòng)作跳閘信號(hào)，并完成動(dòng)作跳閘任務(wù)的保護(hù)電器。在裝設(shè)漏電保護(hù)器的低壓電網(wǎng)中，正常情況下，電網(wǎng)相線對(duì)地泄漏電流（對(duì)于三相電網(wǎng)中則是不平衡泄漏電流）較小，達(dá)不到漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流值，因此漏電保護(hù)器不動(dòng)作。當(dāng)被保護(hù)電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生漏電或人身觸電等故障后，通過漏電保護(hù)器檢測(cè)元件的電流達(dá)到其漏電或觸電動(dòng)作電流值時(shí)，則漏電保護(hù)器就會(huì)發(fā)生動(dòng)作跳閘的指令，使其所控制的主電路開關(guān)動(dòng)作跳閘，切斷電源，從而完成漏電或觸電保護(hù)的任務(wù)。它除了空氣斷路器的基本功能外，還能在負(fù)載回路出現(xiàn)漏電（其泄漏電流達(dá)到設(shè)定值）時(shí)能迅速分?jǐn)嚅_關(guān)，以避免在負(fù)載回路出現(xiàn)漏電時(shí)對(duì)人員的傷害和對(duì)電氣設(shè)備的不利影響。

由于光伏系統(tǒng)的組件與大地之間有寄生電容的存在，在雨后或者夏季的清晨，組件與大地之間的絕緣阻抗降低。逆變器開機(jī)（繼電器閉合）后，產(chǎn)生了較大的漏電流，導(dǎo)致漏電保護(hù)器動(dòng)作，不能并網(wǎng)。這是一個(gè)常見的現(xiàn)象。當(dāng)太陽出來后，或者地面雨水蒸發(fā)完。系統(tǒng)恢復(fù)正常。

6．AFCI

AFCI：（Arc－Fault Circuit－Interrupter）即電弧故障斷路器。

它在傳統(tǒng)的斷路器的基礎(chǔ)上添加了對(duì)故障電弧起保護(hù)作用的功能，以防范電弧引發(fā)的火災(zāi)。它是一種電路保護(hù)裝置，其主要作用是為了防止由故障電弧引起的火災(zāi)。它有檢測(cè)并區(qū)別電器啟�；蜷_關(guān)時(shí)產(chǎn)生的正常電弧和故障電弧的能力，在發(fā)現(xiàn)故障電弧及時(shí)切斷電路。

AFCI的出現(xiàn)為用電安全提供了可靠的保障。它最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并逐步進(jìn)入人們的日常生活之中。故障電弧斷路保護(hù)技術(shù)（AFCI技術(shù)）可替代過去的漏電、過流、短路保護(hù)器，同時(shí)在家用電器的故障保護(hù)上。

下圖為AFCI采樣電路板，（古瑞瓦特40Kw逆變器內(nèi)部含）

由于組件接頭接點(diǎn)松脫、接觸不良、電線受潮、絕緣破裂等原因，直流線路可能產(chǎn)生電弧，組件系統(tǒng)電壓高達(dá)800－1000V．電弧產(chǎn)生的高溫極易導(dǎo)致鄰近的物質(zhì)達(dá)到燃點(diǎn)而發(fā)生火災(zāi)．UL以及NEC對(duì)80V以上的直流系統(tǒng)，都有AFCI的強(qiáng)制要求。

由于光伏系統(tǒng)火災(zāi)不能直接用水撲滅，預(yù)警和預(yù)防顯得十分重要。特別是彩鋼瓦屋面，維護(hù)人員不能容易的檢查出故障點(diǎn)和隱患。所以逆變器加裝AFCI功能是十分必要的。

6．1 電弧

電弧是兩個(gè)電極之間跨越某種絕緣介質(zhì)的持續(xù)放電現(xiàn)象，經(jīng)常伴隨著電極的局部揮發(fā)。典型的電弧是在陰、陽兩極之間的空氣間隔中形成的。電弧中心溫度一般為5000至15000攝氏度。電弧存在的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很高的電離氣壓，導(dǎo)致電弧被局限的任何地方都會(huì)釋放出高熱氣體和電極物質(zhì)粒子。

電力系統(tǒng)在正常工作時(shí)比如電機(jī)旋轉(zhuǎn)和插拔開關(guān)也會(huì)有電弧發(fā)生，稱為“好弧”（Good Are）。這些電弧是瞬時(shí)性的，不會(huì)持續(xù)存在，也并不影響線路和設(shè)備的正常工作，也不會(huì)引起火災(zāi)。所以發(fā)生“好弧”的情況下，通常認(rèn)為線路和設(shè)備是安全的，斷路器如果認(rèn)為發(fā)生了故障而斷開電路，稱為斷路器誤跳閘（UnwantedTrip）。誤跳閘影響設(shè)備正常運(yùn)行，是需要避免的。

線路因?yàn)榻^緣老化或者短路等原因而引起的預(yù)想外的線路電弧為故障電弧，也稱為“壞弧”（Bad Arc），分為以下2種類型：

串聯(lián)電弧

電弧僅在一條導(dǎo)線中燃燒。磨損的導(dǎo)線被外力拉開或者插座和鉸鏈觸點(diǎn)連接發(fā)生松動(dòng)所發(fā)生的故障電弧都屬于串聯(lián)電弧。串聯(lián)電弧故障電流由于受負(fù)載限制，不會(huì)超過導(dǎo)線的負(fù)荷。

并聯(lián)電弧

光伏系統(tǒng)中，直流線纜的絕緣皮被扎破或者被劃破。發(fā)生的電弧都屬于并聯(lián)電弧。

在空氣中電弧的溫度是非常高的，小電流的電弧溫度能夠達(dá)到大概6000K，而電流值越大，溫度也越高，下圖清楚顯示了兩者的關(guān)系。雖然這些溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到了易燃物的燃燒點(diǎn)，但是并不意味著遇到電弧易燃物一定會(huì)燃燒。電弧持續(xù)燃燒需要脆弱的能量平衡，所以當(dāng)有固體物質(zhì)阻攔了路徑時(shí)，小電流的電弧很容易熄滅。因此需要在一定的條件下，電弧才能持續(xù)燃燒，并引起火災(zāi)。

6．2 光伏系統(tǒng)的直流電弧

光伏系統(tǒng)的直流故障電弧現(xiàn)象是系統(tǒng)線路直流端在回路意外斷開后擊穿空氣而形成的弧光放電現(xiàn)象。

從微觀上講，當(dāng)兩電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，極間自由電子的運(yùn)動(dòng)能量撞擊空氣中的中性分子或原子并足以使其游離出更多帶負(fù)電的自由電子和帶正電的正離子時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。在該電場(chǎng)中，電子撞向陰極，而正離子撞向陽極。若正離子的能量能使陰極游離出新的電子，輝光放電就轉(zhuǎn)化為弧光放電，即形成電弧。由此可見，電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。

從宏觀來看，光伏系統(tǒng)的直流故障電弧現(xiàn)象可以發(fā)生。

在直流電路斷路器、光伏陣列的旁路二極管和電池連接處、接插件、熔斷器、逆變器等多處位置，若沒有采取及時(shí)的控制措施，持續(xù)的電弧將產(chǎn)生3000－7000℃的高溫，極易燒毀絕緣層和周圍可燃物而引起火災(zāi)。

6．2．1 電弧的檢測(cè)和分析

實(shí)際上，電弧具有多種物理特性，但是在現(xiàn)有技術(shù)條件下方便檢測(cè)的不多。如力學(xué)上，電弧燃燒會(huì)產(chǎn)生飛濺，但難以作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：熱學(xué)上，電弧燃燒會(huì)產(chǎn)生高溫，雖然現(xiàn)在已有測(cè)量局部熱點(diǎn)的技術(shù)，但對(duì)于大型光伏電站而言成本過高；聲學(xué)上，電弧燃燒會(huì)發(fā)出噪聲，該特性可用于匯流箱內(nèi)的電弧檢測(cè)，而其他位置的電弧不適合用此種方法檢測(cè)；光學(xué)上，電弧燃燒會(huì)發(fā)出特定頻段的可見光和紫外光，但與熱學(xué)和聲學(xué)特性相同，該方法不合適大型光伏電站的檢測(cè)。因此，電學(xué)特性成為目前技術(shù)條件下唯一可行的檢測(cè)方法，而電流特性因其良好傳播特性被作為重點(diǎn)研究的對(duì)象。

目前已知的逆變器電弧分析方法就是高頻傅立葉分析法，這種方法有98％的準(zhǔn)確性和0．1％的誤報(bào)率。光伏系統(tǒng)直流故障電弧的檢測(cè)涉及較多故障電弧的電壓與電流的頻域特性，而傅里葉分析是將信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)至頻域的常用工具。

本文不對(duì)具體的過于復(fù)雜的時(shí)域、頻域分析經(jīng)行分析和解釋。有興趣的同行可以在網(wǎng)絡(luò)上搜索相關(guān)的文章。

［1］Jay Johnson，Kenneth D．Blemel，F(xiàn)rancis Peter．Preliminary Photovoltaic Arc．Fault Prognostic

Tests using Sacrificial Fiber Optic Cabling［R］：Sandia Technical Report，SAND2013．1185，2013

［2］J．Johnson，B．Pahl，C．Luebkeet a1．Photovoltaic DC arc fault detector testingat Sandia National Laboratories［A］，2011

作者：張喆