一、直流電弧檢測（DAI）技術概述

1. 直流電弧的特性與風險

• 產生場景：光伏系統中，匯流箱內的連接器松動、電纜絕緣破損、元件老化等易引發直流電弧。

• 危害：

• 電弧高溫（可達數千攝氏度）可能引發火災，燒毀匯流箱及周邊設備；

• 持續電弧會導致系統效率下降，甚至引發大規模停電；

• 傳統保護裝置（如熔斷器、斷路器）難以快速檢測直流電弧。

2. DAI 技術原理

• 檢測核心：通過分析電流、電壓波形的異常特征（如高頻諧波、電壓跌落、電流突變等）識別電弧。

• 關鍵算法：

• 頻域分析：電弧產生時會引入高頻噪聲（如 10kHz 以上頻段）；

• 時域分析：檢測電流 / 電壓的瞬態變化（如電弧間歇期的波形波動）；

• 機器學習模型：基于歷史數據訓練分類器（如 SVM、神經網絡），提升復雜場景下的檢測準確率。

二、DAI 在匯流箱中的應用場景

1. 匯流箱內部電弧檢測

• 重點監測位置：

• 電纜連接處（端子排、斷路器接口）；

• 光伏組串輸入支路的匯流節點；

• 防雷模塊、浪涌保護器等易損元件附近。

• 實時監測流程：

  mermaid

  graph LR
  A[匯流箱傳感器采集電流/電壓信號] --> B[DAI模塊預處理信號]B --> C[算法分析是否存在電弧特征]C -->|是| D[觸發聲光報警并切斷對應支路]C -->|否| E[繼續監測]

  
  

2. 多匯流箱組網協同檢測

• 分布式架構：多個匯流箱的 DAI 模塊通過通信總線（如 RS485、CAN）聯網，實現：

• 區域級電弧故障定位（快速識別故障匯流箱及支路）；

• 系統級風險預警（如某區域高頻電弧事件頻發時，提前排查共性隱患）。

三、DAI 對匯流箱安全性能的提升

1. 火災預防能力

• 快速響應：DAI 可在電弧產生后毫秒級內檢測到異常，比傳統熔斷器（秒級響應）快 1000 倍以上，大幅降低起火概率。

• 精準定位：通過支路級檢測，避免 “一刀切” 斷電，減少非故障區域的停機損失。

2. 系統可靠性增強

• 早期故障預警：識別潛在電弧隱患（如接觸不良導致的間歇性電弧），支持預防性維護，降低計劃外停機時間。

• 兼容性提升：DAI 模塊可集成至現有匯流箱控制系統，無需大規模改造硬件，適配新舊設備。

3. 符合行業標準與規范

• 要求：如 UL 1699B（光伏系統電弧故障保護標準）強制要求直流側配備電弧檢測裝置；

• 國內趨勢：中國光伏行業標準（如 NB/T 32004）逐步將 DAI 納入匯流箱安全設計的核心要求。

四、DAI 技術應用的挑戰與解決方案

1. 干擾抑制難題

• 挑戰：光伏系統中的逆變器開關噪聲、雷擊浪涌等易引發 DAI 誤報。

• 解決方案：

• 采用多傳感器融合（電流 + 電壓 + 溫度 + 局部放電檢測）；

• 優化算法過濾背景噪聲（如小波變換降噪、自適應閾值調整）。

2. 成本與復雜度平衡

• 挑戰：高端 DAI 芯片（如專用 AFCI 控制器）成本較高，中小型光伏項目部署意愿低。

• 解決方案：

• 開發國產化低成本方案（如基于 STM32 單片機的開源算法）；

• 集成 DAI 功能至匯流箱主控芯片，減少獨立硬件成本。

3. 現場測試與驗證

• 挑戰：真實電弧故障難以復現，測試場景有限。

• 解決方案：

• 使用電弧模擬裝置（如符合 UL 1699B 標準的測試設備）生成標準電弧波形；

• 建立現場故障數據庫，持續迭代算法模型。

五、典型案例與實施效果

1. 案例：某 100MW 光伏電站匯流箱改造

• 部署方案：為 1200 臺匯流箱加裝 DAI 模塊，組網接入電站 SCADA 系統。

• 效果：

• 投運 1 年內檢測到 15 次潛在電弧故障，均在起火前排除；

• 系統年度維護成本下降 20%，非計劃停機時間減少 85%。

2. 技術對比

六、未來發展趨勢

1. 智能化升級：結合 AI 算法（如深度學習）實現電弧類型識別（如串聯電弧 vs 并聯電弧），進一步提升檢測準確率。

2. 能源互聯網融合：DAI 數據接入電網級能源管理平臺，支持分布式光伏系統的安全態勢感知與協同調控。

3. 硬件創新：開發基于 MEMS 傳感器的微型化 DAI 模塊，降低體積與功耗，適配分布式光伏場景。

七、DAI 技術的關鍵性能指標

1. 檢測靈敏度

• 小電弧電流：需能檢測到1A 以下的微弱串聯電弧（如接觸不良初期的微小電弧）。

• 頻率響應范圍：覆蓋 10kHz~1MHz 頻段，以捕捉不同類型電弧的特征諧波。

2. 抗干擾能力

• 共模抑制比（CMRR）：需大于 80dB，抑制逆變器開關等共模干擾。

• 浪涌沖擊耐受：滿足 IEC 61000-4-5 標準（如 1.2/50μs 電壓浪涌，8/20μs 電流浪涌）下的誤報率≤0.1%。

3. 響應時間

• 報警延遲：從電弧產生到發出信號≤50ms。

• 切斷時間：配合固態繼電器（SSR）時，總動作時間≤100ms。

八、匯流箱 DAI 系統的設計要點

1. 傳感器選型

• 電流傳感器：

• 推薦使用霍爾電流傳感器（隔離性好，帶寬可達 200kHz）；

• 精度要求：±1% FS（滿量程），線性度≤0.5%。

• 電壓傳感器：

• 采用電阻分壓 + 隔離運放方案，帶寬≥50kHz，共模電壓抑制≥1000V。

2. 硬件架構設計

• 信號調理：包含低通濾波（濾除逆變器開關噪聲）、放大電路（適配 ADC 輸入范圍）。

• 處理器選擇：

• 簡單場景：采用 ARM Cortex-M4 單片機（如 STM32F7 系列）；

• 復雜場景：使用 FPGA（如 Xilinx Artix 系列）實現并行信號處理，提升實時性。

3. 軟件算法流程

初始化傳感器 → 實時采集信號 → 數字濾波（FIR/IIR） → 特征提取（RMS、FFT、峭度等） 
→ 電弧判別（閾值比較+機器學習模型） → 輸出控制信號

九、行業標準與認證要求

1. 標準

• UL 1699B：規定光伏系統直流側必須配備電弧故障保護裝置（AFCI），并通過標準電弧測試（如串聯電弧發生裝置生成的電弧波形）。

• IEC 62109-2：針對可再生能源發電系統的電力電子設備安全標準，要求電弧檢測裝置的誤報率≤1 次 / 1000 小時。

2. 國內認證

• CGC/GF 037：中國光伏認證中心要求匯流箱若宣稱具備電弧檢測功能，需通過 CNAS 認可實驗室的專項測試。

• GB/T 34936：《光伏發電系統電弧故障檢測裝置技術要求》明確了 DAI 的性能指標與測試方法。

十、實施建議與成本分析

1. 新建項目 vs 改造項目

2. 投資回報（ROI）分析

• 以 10MW 電站為例：

• 減少火災損失：避免潛在的數百萬元設備損毀與發電量損失；

• 維護成本降低：預防性維護可減少年度維護費用約 5 萬元；

• ROI 周期：通常≤2 年（取決于電站規模與當地電價）。

• 部署成本：約 12 萬元（120 臺匯流箱，單臺 1000 元）；

• 收益：

3. 運維策略

• 定期測試：每月通過模擬電弧發生器（如 Megger AFTC-100）對 DAI 模塊進行功能校驗；

• 數據存檔：存儲至少 1 年的電弧檢測歷史數據，用于趨勢分析與故障追溯。

十一、前沿技術探索

1. 無線 DAI 技術

• 采用無線電流傳感器（如基于 LoRa 的分布式節點），避免傳統有線布線的復雜性，適用于老舊電站改造。

2. 熱成像融合檢測

• 結合紅外熱像儀，通過溫度場異常（如電弧初期的局部溫升）輔助判斷，提升復雜環境下的檢測可靠性。

3. 邊緣計算與云端聯動

• 將 DAI 數據上傳至云端平臺，利用大數據分析識別區域性電弧風險模式（如某批次匯流箱頻發電弧故障，提示廠商召回）。

十二、風險提示

1. 過度依賴技術：DAI 不能替代常規的設備巡檢與接觸件緊固，需結合人工維護；

2. 通信中斷風險：組網式 DAI 系統需配備本地存儲與獨立報警功能，防止通信故障導致的保護失效；

3. 端環境影響：高溫、高濕或粉塵環境可能影響傳感器精度，需選擇寬溫域（-40℃~85℃）、防塵防潮的硬件方案。

總結