隨著光伏發電技術的快速發展，光伏發電裝機容量不斷增長，截至2017年底我國光伏發電累計裝機容量已超過130GW，光伏發電為人們帶來綠色清潔能源的同時，其安全運行問題也受到國內外廣泛關注。由于接頭松動、線纜老化等原因引起的直流電弧故障是影響光伏系統安全運行的關鍵問題。

直流電弧不存在過零點，一旦產生很難熄滅，極易引起火災事故。根據電弧發生位置，電弧故障可以分為串聯型和并聯型兩種類型。電弧相當于一個非線性電阻，當發生串聯電弧故障時，電弧電流往往小于線路工作的正常電流，系統中的斷路器、熔斷器等保護裝置無法對其進行有效保護。因此，光伏串聯直流電弧故障的識別與保護已成為國內外研究熱點。

現有光伏系統直流電弧故障保護方法主要基于故障電弧的電壓和電流特征。

• 有學者研究了光伏電池板不同工作點下，不同電極間隙以及不同位置處的電弧電壓和電流信號特征，提出了一種基于BP神經網絡的故障電弧檢測方法。
• 有學者研究了直流電弧產生和發展過程中電弧電流變化規律，提出一種基于電源電壓突變的故障電弧檢測方法。
• 有學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的故障電弧檢測算法。
• 有學者研究了直流電弧在空氣中放電時電弧電流的高頻特征，分析了電極材料和電弧電流大小對電弧電流高頻特性的影響。

這些方法對光伏直流電弧故障起到一定的保護作用，但是中小功率光伏逆變器網側大多為非隔離設計，電弧故障檢測會受到來自逆變器高頻噪聲以及電網諧波的干擾，容易引起保護誤動作。

為了解決現有檢測方法的不足，近年來國內外學者開始探索電弧電磁輻射信號用于電弧故障識別的可行性。

• 有學者研究了低氣壓下串聯直流電弧電磁輻射時頻域特征，結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速度等因素有關，選取了36～41MHz作為直流電弧電磁輻射的特征頻段。
• 有學者通過電容耦合方式獲取電弧電磁輻射信號，實現電弧故障檢測。
• 有學者分析了電弧起始階段和穩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。
• 有學者利用電網產生電弧故障，在距離90m處檢測到電弧電磁輻射，進一步驗證了將測量電磁輻射用于檢測電弧的可行性。

然而，針對電弧故障電磁輻射的研究尚處于起步階段，當前研究側重于電弧故障電磁輻射信號特征分析。

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

圖1 直流電弧實驗平臺

總結

首先，針對電弧燃弧起始階段，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，其脈沖起始點與電流突變時刻相對應，且每個電磁輻射脈沖為一個衰減振蕩信號。電弧電磁輻射強度與其電流變化率近似成正比，電弧電磁輻射頻譜最大值對應頻率與電弧振蕩脈沖寬度近似成反比。

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

最后，利用所設計的三階Hilbert分形天線進行了實驗驗證。結果表明，電弧電磁輻射與電流變化率的關系及其頻譜最大值所對應頻率與理論分析相吻合，驗證了天線設計的正確性。同時，分析了電弧電流變化率以及測量距離對電弧電磁輻射信號強度的影響，采用實驗結果統計及min-max歸一化處理方法有效避免了電弧信號隨機性的影響，為基于電弧電磁輻射信號的故障電弧定位策略研究奠定了基礎。

下一步準備開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，并用接收信號強度和信號時延進行電弧故障定位研究。