ul1699b-2018光伏直流电弧故障电路保护安全标准

故障电弧对光伏电池系统的安全威胁光伏产品成本不断降低，且日益广泛地为家庭或公司所运用，在这种趋势下，光伏产品可能带来的火灾意外也更加引起大众的重视。

尤其自2006 年起，欧美陆续发生多起的光伏电池模块或系统火灾事件，造成程度不一的设备毁损，某国际知名大厂即为此展开全面性的产品召回与检修，以维护商誉。

根据这类意外的事后调查，我们发现多数电气火灾的发生原因都指向“故障电弧”。

鉴于此，本期内容包括故障电弧的种类及其发生原因，业界相应推出的光伏故障电弧断路器(PV AFCI)，2011 年美国电工法规® (NEC®) 针对PV AFCI 产品的规范动向，以及UL 为协助业者推出更安全的产品，正积极开发测试方法与机制等。

故障电弧的威胁一般来说，电弧是一种气体放电现象，指电流通过某些绝缘介质(例如空气) 所产生的瞬间火花，物理上可以依据“Paschen 定律”来估算。

而“故障电弧” 即是指这种放电现象发生在我们不希望发生的地方，同时其高热造成未预期的火灾事件。

光伏电池系统是一种直流电的发电装置，其造成的故障电弧称之为“直流故障电弧”，此与一般交流故障电弧最大不同处在于其没有相位改变所造成的闲歇性周期现象。

换句话说，一旦发生了直流故障电弧，高热现象将会维持直至电源来源消失。

由于故障电弧产生的高热可达摄氏1,000 度以上，因此不仅会造成周遭的绝缘物质分解或碳化而失去绝缘的功效，同时也容易导致邻近的物质达到燃点而被点燃起火，甚至有时故障电弧会造成金属导体熔化而喷发出高热的金属颗粒，而其一旦接触到可燃物质，也会造成严重的火灾意外。

故障电弧的防范针对光伏电池系统发生的故障电弧，总体归纳来看，主要可以分为两类：故障电弧的防范故障电弧断路器(AFCI) 是一种侦测与切断故障电弧的电子装置，其被视为近20 年来最重要的电气安全保护装置。

此产品是通过独特的传感器侦测电路中的电压或电流的讯号，比对是否与故障电弧的讯号相似，如果判定发生故障电弧现象，即会主动切断电源以消除故障电弧的状况。

UL1699B 标准分三部分，第一部分为相关知识背景介绍部分，规定几种设备、标准中所用术语等。

第二部分和第三部分为并列平行关系，第二部分针对光伏中的AFCI 、AFD 、ID ；第三部分针对集成电弧故障保护功能的逆变器、变换器和充电控制器。

针对直流电弧故障的检测研究，第二部分为重点和基础，介绍了直流电弧发生器的制作、电弧故障测试（误脱扣测试、操作抑制测试）的电路以及测试的要求。

第一部分适用范围：DC photovoltaic arc-fault circuit protection devices ，Photovoltaic 1000V 以下的光伏发电中包括：Photovoltaic (PV) dc arc-fault circuit-interrupters (AFCI), arc-fault detectors (AFD), interrupting devices (ID) and inverters, converters, and charge controllers with integral arc-fault circuit-interrupter protection光伏直流AFCI 、AFD 、ID 以及内部集成AFCI 保护的逆变器、转换器和充电控制器这几种装置的区别？第二部分7讲述了设备中元件间的间隙及测量方法。

包括两种场合：现场接线终端和非现场接线终端； A device shall comply with the requirements shown in Table 7.1 except that at field-wiring terminals the spacing shall be not less than 1/4 inch (6.4 mm) for devices rated 400 V and less, and not less than 1/2 inch (12.7 mm) for devices rated greater than 400 V betweenterminals not operating at the same potential.8讲了直接与太阳能跟踪活动部分连接的绝缘材料的要求9讲了终端的要求10 设备封闭要求11 接地要求12 电源，可以是商业照明、建筑内的电源、光伏发电电源。

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高汉林（１９６６—），男，高级工程师，主要从事低压电器结构与电弧研究。

许　峰（１９７１—），男，高级工程师，主要从事电力ＡＩ、能源网络与信息网络融合技术研究。

张　涵（１９７９—），女，硕士研究生，研究方向为低压直流故障电弧智能检测技术。

光伏系统直流故障电弧特性与检测装置研究高汉林１，　许　峰１，　张　涵２（１．上海永继电气股份有限公司，上海　２０１５１５；２．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安　７１００４９）摘　要：为避免故障电弧造成的危害，概述了国内外直流故障电弧相关标准及检测方法、产品，并分析方法及产品优缺点。

讨论了光伏阵列时变性、逆变器开关噪声等系统因素对故障电弧检测的干扰，基于ＭＡＴＬＡＢ仿真平台研究了故障电弧特性，利用时频变换方法提取特征，获取特征量。

最终以研制的一款工程样机在额定电压３７５Ｖ场景中进行测试。

为明确检测算法是否能避免开关噪声的干扰，在ＤＣ／ＤＣ故障电弧、逆变器负载故障电弧、逆变器负载正常启动３种条件下进行测试，结果表明所研制样机具有快速、准确切除故障的良好性能，切断故障所需时间约０．８５ｓ，符合ＵＬ１６９９Ｂ标准。

关键词：光伏系统；故障电弧；实验分析；产品研制中图分类号：ＴＭ５０１＋．２　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５ ８１８８（２０２２）１１ ００４６ ０８ＤＯＩ：１０．１６６２８／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５ ８１８８．２０２２．１１．００８ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤＣＡｒｃＦａｕｌｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅｉｎＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍＧＡＯＨａｎｌｉｎ１，　ＸＵＦｅｎｇ１，　ＺＨＡＮＧＨａｎ２（１．ＳｈａｎｇｈａｉＹｏｎｇｊｉＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１５１５，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｖｏｉｄｈａｚａｒｄｓｃａｕｓｅｄｂｙａｒｃｆａｕｌｔｓ，ｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆａｒｃｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈａｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｔｉｍｅｃｈａｎｇｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅＰＶａｒｒａｙａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｓｗｉｔｃｈｎｏｉｓｅ．ＢａｓｅｄｏｎＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅＤＣａｒｃｆａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄｂｙｔｉｍｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｑｕａｎｔｉｔｉｅｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｐｒｏｄｕｃｔｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｅｓｔｅｄｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｅｎａｒｉｏｗｉｔｈ３７５Ｖｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｈｅｃｋｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｒｃｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｂｅｔｔｅｒａｖｏｉｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｎｏｉｓｅ，ｔｈｅｔｅｓｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：ＤＣ／ＤＣａｒｃｆａｕｌｔ，ｉｎｖｅｒｔｅｒｌｏａｄａｒｃｆａｕｌｔ，ａｎｄｉｎｖｅｒｔｅｒｌｏａｄｎｏｒｍａｌｓｔａｒｔｕｐ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｓａｂｌｅｔｏｃｕｔｆａｕｌｔｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ｔｈｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｃｕｔｏｆｆｔｈｅｆａｕｌｔｓｉｓａｂｏｕｔ０．８５ｓ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔＵＬ１６９９Ｂｓｔａｎｄａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ；ａｒｃｆａｕｌｔ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ０　引　言随着全球可再生能源的日益紧缺，我国政府对可再生能源的开发利用加强重视。

第37卷第3期2021年3月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.37No.3Mar.2021——————————基金项目：中国博士后科学基金项目（2020M681928）。

Project Supported by the China Postdoctoral Science Foundation（2020M681928）.ABSTRACT ：As arc faults have become a common cause of electrical fire accidents in photovoltaic （PV ）systems ，it is of great significance to investigate a reliable DC arc fault detectionmethod to ensure the PV system operation and personal safety.In this paper ，an experimental platform of DC arc faults is builtin the PV system ，and typical arc fault current signals are collected.Next ，the stability analysis ，time-varying analysis ，correlation analysis and randomness analysis are carried out.Considering the global effective separation in whole arc faultburning stage ，less calculation loads and stronger anti-interference requirements ，Euler features are selected as theoptimal arc fault characteristic.Then an arc fault detection algorithm is constructed based on the above optimal Euler feature.The algorithm takes the multi-threshold judgment system as the core rule to discover the arc fault characteristic mode differentfrom the system transient processes.Finally ，the accuracy of the proposed arc fault detection algorithm is verified under conditions of different arc generation modes and system operating points ，and the result shows that the arc faults can be detected successfully in 0.5s under the conditions of different working points and arc generation modes of the photovoltaic system.KEY WORDS ：photovoltaic system ；DC arc fault ；feature extraction ；detection method ；hardware implementation 摘要：故障电弧是光伏系统电气火灾事故的常见原因，研究可靠的光伏系统直流故障电弧检测方法对保障系统运行和人身安全有重要意义。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202122419611.8(22)申请日 2021.10.08(73)专利权人 丰郅（上海）新能源科技有限公司地址 201114 上海市闵行区江月路999号5幢一层专利权人 国家电投集团宁波新能源投资有限公司(72)发明人 曾庆波　马宪军　杨秋利　乐名鹏　杜亮　张永　(51)Int.Cl.H02J 3/38(2006.01)H02S 50/00(2014.01)H02H 7/22(2006.01)(54)实用新型名称支持直流电弧保护的光伏发电系统(57)摘要本实用新型提供了支持直流电弧保护的光伏发电系统，涉及光伏发电领域。

支持直流电弧保护的光伏发电系统含逆变器和配备在逆变器的直流输入侧的电弧传感器，逆变器的直流输入侧由多级光伏组件供电。

电弧传感器感测到直流输入侧存在电弧故障时产生预警信号并将预警信号发送给逆变器，逆变器响应预警信号而停止输出交流电，从而切断逆变器的直流输入侧和交流输出侧之间的功率耦合关系。

权利要求书2页 说明书14页 附图5页CN 216215923 U 2022.04.05C N 216215923U1.一种支持直流电弧保护的光伏发电系统，其特征在于，包括：多级光伏组件；对多级光伏组件提供的输出功率执行直流到交流变换的一逆变器，该逆变器的直流输入侧由多级光伏组件供电；配备在该逆变器的直流输入侧的电弧传感器；所述电弧传感器感测到直流输入侧存在电弧故障时，其通知逆变器切断交流电的输出或者其直接关断设置在逆变器的交流输出侧的一个开关。

2.根据权利要求1所述的支持直流电弧保护的光伏发电系统，其特征在于：所述电弧传感器包括用于检测并行电弧或者检测串行电弧的传感器。

3.根据权利要求1所述的支持直流电弧保护的光伏发电系统，其特征在于：多级光伏组件直接串联连接，它们的输出电压叠加到母线上以供给直流输入侧。

基于卷积神经网络的光伏系统直流串联电弧故障检测焦治杰;李腾;王莉娜;牟龙华;Alexandra Khalyasmaa【摘要】本文提出一种新颖的基于卷积神经网络的光伏系统直流串联电弧故障检测方法.首先采用短时傅里叶变换提取电流信号的时频信息,以能量谱密度作为电流的时频联合能量函数,构造电流的时频谱图,然后以时频谱图中各时频点的能量谱密度作为卷积神经网络的输入,设计卷积神经网络算法实现电弧故障检测.经实验验证,所提出方法可清晰区分电弧故障电流特征和正常工作电流特征;在实验室测试中,所提出方法可准确地检测出光伏系统直流串联电弧故障.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2019(038)007【总页数】6页(P29-34)【关键词】光伏系统;串联电弧;直流电弧;短时傅里叶变换;卷积神经网络【作者】焦治杰;李腾;王莉娜;牟龙华;Alexandra Khalyasmaa【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;北京交通大学电气工程学院,北京100044;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;同济大学电子与信息工程学院,上海201804;乌拉尔联邦大学电气系统自动化学院,叶卡捷琳堡620002,俄罗斯【正文语种】中文【中图分类】TM930.121 引言随着光伏产业的不断发展，光伏系统老化引起的直流电弧故障问题日益突出[1-4]。

由于串联电弧故障电流相对来说较小，难以被保护装置检测到[5]，一旦发生，将对线路或设备造成危害[6]，甚至造成火灾[7-9]。

因此，需设置额外的串联电弧故障检测装置，目前，光伏系统直流串联电弧故障检测已引起国内外学者的广泛关注[10,11]。

目前，在飞机、电动汽车、直流低压配电柜等领域，对直流串联电弧故障检测已有深入研究[12]。

但是，由于光伏系统的输出特性受日照强度、温度和局部阴影的影响，光伏系统的直流电流特性与上述系统存在本质区别，因此，现有理论和方法并不能很好地适用于光伏系统直流串联电弧故障的检测。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2021.06.030可实现度可替代行业曲线appraisement industry王利栋1王颖21•大同煤矿集团有限公司同大科技研究院；2.国网河北省电力有限公司邯郸市肥乡区供电分公司影响力行业关联度王利栋（1985-）男，硕士，毕业于太原理工大学矿业工程专业，研究方向煤矿机电。

王颖（1991-）女，硕士，毕业于中国矿业大学（北京）电力电子与电力传动专业，研究方向为电力电子。

6直流故障电弧特性及检测方法直流配电应用越来越广泛，直流故障电弧是影响直流配电安全运行的重要因素。

本文参照UL1699B搭建了直流故障电弧模拟实验平台，分别采集了正常状态与电弧故障状态下的波形和数据，对电弧的电压和电流波形特征、随机特性、伏安特性及频谱特性进行了分析和总结，并探究了电弧电压、电弧电阻与电源电压、电极间距之间的关系。

基于直流故障电弧的时频特性提出了一种小波变换与奇异值分解相结合的直流故障电弧检测方法，通过分析和比较确定了奇异值的平均值、方差和均方根三个特征参数为检测判据。

仿真结果表明，正常状态与故障电弧状态的特征参数区分非常明显且不存在交叉。

所提检测方法对于研制直流故障电弧检测装置具有重要的理论指导价值。

直流供电具有线路成本低、输电损耗小、供电可靠性高等优点。

随着电力电子技术的发展，目前直流供电系统已经在电动汽车、航空航天、数据中心、船舶等多个领域得到了广泛应用。

另外光伏发电也是直接产生直流电后再经逆变后并入电网的。

实际上，打印机、变频空调、洗衣机、冰箱等大量的民用负荷也都是将交流电整流成直流后进行供电。

随着直流供电应用越来越多，直流供电中由于故障电弧导致的火灾或者供电安全事故也不断发生。

电弧是跨越某种绝缘介质的两个电极之间的持续放电现象，经常伴随着电极的挥发，是非常复杂的电磁反应过程。

根据电弧产生的方式及副作用情况可以分为正常电弧和故障电弧，通常情况下电器的正常开关、电机的旋转和插头插拔等操作引起的电弧属于正常电弧，它的特点是持续时间极短，不影响设备和线路的正常运行；而由连接松动、绝缘老化、短路等原因引起的电弧是故障电弧，故障电弧发生时产生的压力、辐射、弧根效应会造成设备严重损坏，同时高温、高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒逸出，造成人身伤害，甚至会引起火灾。

基于机器学习方法的直流电弧故障检测丁鑫;竺红卫;殷浩楠;王一闻【摘要】为了解决传统分析方法在直流供电系统中电弧故障检测的精确度不足及过程繁琐的问题,将直流电弧故障检测归为二分类问题,引入机器学习方法,通过直流电弧实验得到正常状态和电弧状态的数据,从时域中提取电流均值等4个特征,从频域中提取高频分量标准差等3个特征.利用提取到的特征对支持向量机(SVM)进行训练,利用求解得到的模型对测试数据集进行分类,分类准确率为94.483%.结果证明:所提方法能有效检测直流电弧故障,提高故障检测精度,且步骤精简,易于推广.%In order to solve the problems that in direct current(DC)power supply system,accuracy of arc fault detection is insufficient and the process is tedious with the traditional analysis method. The DC arc fault detection is classified into two classification problems while the machine learning method is used. The data of normal state and arc fault state are obtained by DC arc experiment. Extract four features from time domain,including the average current and so on. At the same time,extract three characteristics from frequency domain,such as standard deviation of high frequency component,etc. By training support vector machine(SVM)using the extracted features above,classification model is obtained. The accuracy of classification of the test data set by the model is 94. 483%,the result proves that this method can be used to detect DC arc fault effectively,improve detection precision,and can be popularized easily because of simple steps.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】5页(P123-127)【关键词】直流电弧;故障检测;特征提取;机器学习;支持向量机【作者】丁鑫;竺红卫;殷浩楠;王一闻【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310000;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310000;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310000;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310000【正文语种】中文【中图分类】TP391;TM501.2直流电源广泛应用于航天器的供电系统[1]、汽车的电气系统[2]，这些电力电子系统也是发生直流电弧故障的重灾区[3]，如果不能及时检测并排除故障，直流电弧将危害电源系统和控制系统，严重时还会引发火灾。

UL1699B标准分三部分，第一部分为相关知识背景介绍部分，规定几种设备、标准中所用术语等。

第二部分和第三部分为并列平行关系，第二部分针对光伏中的AFCI、AFD、ID；第三部分针对集成电弧故障保护功能的逆变器、变换器和充电控制器。

针对直流电弧故障的检测研究，第二部分为重点和基础，介绍了直流电弧发生器的制作、电弧故障测试（误脱扣测试、操作抑制测试）的电路以及测试的要求。

第一部分适用范围：DC photovoltaic arc-fault circuit protection devicesPhotovoltaic1000V以下的光伏发电中包括：Photovoltaic (PV) dc arc-fault circuit-interrupters (AFCI), arc-fault detectors (AFD), interrupting devices (ID) and inverters, converters, and charge contro llers withintegral arc-fault circuit-interrupter protection光伏直流AFCI、AFD、ID以及内部集成AFCI保护的逆变器、转换器和充电控制器这几种装置的区别？第二部分7讲述了设备中元件间的间隙及测量方法。

包括两种场合：现场接线终端和非现场接线终端；A device shall comply with the requirements shown in Table 7.1 except that at field-wiring terminalsthe spacing shall be not less than 1/4 inch (6.4 mm) fo r devices rated 400 V and less, and not less than1/2 inch (12.7 mm) for devic es rated greater than 400 V between terminals not operating at the samepot ential.8讲了直接与太阳能跟踪活动部分连接的绝缘材料的要求9讲了终端的要求10 设备封闭要求11 接地要求12 电源，可以是商业照明、建筑内的电源、光伏发电电源。