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基于ETAP的光伏系统直流弧闪计算

2025-01-07 123 上传者：管理员

摘要：目前仅NFPA 70E有直流弧闪的计算公式，NFPA 70E—2024中提供了Maximum Power法可对直流弧闪进行计算，但此法偏向保守，可能导致需要更高的个人保护装备和更长的工作距离。本文介绍目前国际上认可的直流弧闪计算方法，最后通过ETAP软件进行实际执行光伏项目的直流弧闪仿真计算。

关键词：
IEEE1584
NFPA 70E
光伏系统
火灾风险
直流弧闪
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光伏系统包含大量直流元件，直流弧闪产生的高温不仅会导致设备损坏和火灾风险，还可能威胁到操作人员的安全，并影响系统的整体性能。因此，应对光伏系统直流弧闪进行计算并采取有效的预防和保护措施，以减少这些危害的发生。

1、直流弧闪的主流计算方法

1.1直流弧闪计算公式

直流弧闪等效电路图如图1所示。

图1 直流弧闪等效电路图

分析直流弧闪主要是求Rarc和Varc，之后可用以下公式求弧闪功率和能量：

Rarc和Varc是弧闪计算的关键。

1.2 Maximum Power法

该方法基于以下概念：当电弧电压为系统电压的一半时，电弧中可能出现最大功率。基于此假设得以下公式：

式中，Iarc为直流电弧电流；Ibf为直流短路电流；Rarc为电弧电阻；Vsource为故障点直流电压。

1.3 Stokes&Oppenlander法

Stokes&Oppenlander基于对在敞开的空气电极之间自由燃烧的电弧在垂直和水平方向详尽研究，建立了过渡点处电弧电压和电流的模型[1]。该方法为基于多次实验结果所推导出的经验公式，如下：

式中，Varc为直流电弧电压；Iarc为直流电弧电流；Zg为电极间距；Rarc为电弧电阻，与Maximum Power法最大的不同在于弧闪电压位未知，无法直接求解，因此必须通过迭代方式[2]。

1.4 Paukert法

Paukert法用研究人员进行广泛的电弧试验电弧故障得来的数据建立电弧方程（只有高电流电弧方程在ETAP的直流电弧闪光得到运用）。此方法计算流程与Stokes&Oppenlander法相似，通过假设弧闪电流为初值，进行迭代求解。电弧电流范围为0.3A～100k A，超出此范围不建议使用此法[3]，这些方程式列于表1。

表1 100 A <Iarc< 100k A 的经验电弧公式

1.5 DGUV-I 203-077 Iterative法

该方法为德国标准，其公式主要如下：

式中，UNn为直流系统（网络）的标称电压；RN为直流系统的总欧姆电阻；PK为直流系统的短路功率（故障位置）；Ik DC为持续短路电流（故障位置金属性短路的短路电流的稳态值）。

式中，d为直流装置中的电极间隙。

其中i和i+1为连续迭代步骤：

为方便起见，假设初始值为：

但也要注意迭代偏差过小导致迭代中止。

式中，Warc为弧闪能量。

DGUV-I 203-077的迭代计算方法计算出的用于确定安全等级的是电弧能，和Maximum Power法、Stokes&Oppenlander法的入射能量不同。需要对比Warc和Warc,prot。Warc,prot计算公式如下：

式中，kT为传输系数，小型系统，带有侧墙、后墙和隔墙的取1;Warc,prot值见表2。

表2 Warc,prot值

若Warc≤Warc,prot＿APC1，则计算结果为APC1。可以参考DGUV-I 203-077规范。

2、ETAP仿真

ETAP 22.0.1版本支持5种计算方法：设方法1为Maximum Power法、方法2为Stokes&Oppenlander法、方法3为Paukert法、方法4为DGUV-I 203-077(Iterative）法、方法5为方法4的简易法，误差较大，本文不再细述。以ETAP法进行海南某化工项目光伏系统直流弧闪仿真。

海南某化工厂光伏发电项目主要使用了50k W和136k W两种逆变器。其中50k W逆变器主要使用270Wp多晶硅光伏电池板，136k W逆变器主要使用550Wp单晶硅电池板，具体规格如表3所示。

表3 Case A和Case C规格表

ETAP使用直流弧闪模块之前先需要进行直流负荷计算和短路电流计算，之后进行直流弧闪计算。ETAP建议使用Stokes&Oppenlander法并且使用计算模块中的Method2法。该法的优点是[4]:

1）它减少了最大功率方法的过度保守方法，因为它允许根据光伏阵列P-V短路曲线确定实际的电弧电流工作点。

2）它与Stokes&Oppenlander和Paukert方法相结合，这本身被认为是直流电弧闪光电流的“严格”或“详细”计算方法。这种方法是ETAP软件进行光伏阵列直流弧闪光计算的首选。

模块计算选择如图2所示。

图2 ETAP直流弧闪计算方法选择

通过海南项目两种规格逆变器及配置电池组对比，可以看到不比额定电流高多少。组装此类阵列以提供DC 1000V和几百安的负载电流且组件通过逆变器连接到AC 540V电源系统时，逆变器引起的短路将被快速保护装置清除，但来自光伏太阳能电池阵列提供的短路电流无法被隔离，将继续馈入故障。在这种情况下，2s的电弧时间是合适的[1]。因此，FCT取2s，辐照度取1000W/m2。

不同标准对应的分级等级是不同的，见图3。

1）若ETAP选用NPFA70E标准，则ETAP中的防护等级与NPFA70E的Arc-Flash PPECategory对应为：LEVEL A对应LEVEL 0(1.2cal/cm2);LEVEL B对应LEVEL1(4cal/cm2);LEVEL C对应LEVEL2(8cal/cm2);LEVEL D对应LEVEL3(25cal/cm2）。NFPA70E―2015版后取消了LEVEL 0(1.2cal/cm2）这个分级，现在ETAP中，LEVEL A对应2cal/cm2。

2）若ETAP选用与DGUV-I 203-077标准，则ETAP中的防护等级与DGUV-I 203-077的Arc-Flash PPECategory对应为：ETAP LEVELB(170k J）对应DGUV-I 203-077的APC1(168k J);ETAP LEVELC(345k J）对应DGUV-I 203-077的APC2(320k J);ETAP LEVELA为50k J。

图3 NPFA70E和DGUV-I 203-077能量等级

电池组件选择了英利的电池板，能看到电池板的发电功率、工作电流、开路电压、短路电流以及选择电池组串串联数量后的电池组串的电压及电流。太阳的辐照度一般取1000W/m2。电池板规格的选择，选择了270Wp的电池板；电池组串串联数量的选择，该组共有22个电池板串联，见图4。

图4 电池板规格的选择

图5为案例Case A,50k W逆变器原理图，图6为4种方法直流弧闪计算仿真结果局部图。

图5 50k W逆变器原理图

图6 Case A短路电流计算

图7为Case C的136k W逆变器原理图，图8为4种方法直流弧闪计算仿真结果局部图。

图7 136k W逆变器原理图

图8 Case C短路电流计算

Case A和Case C仿真结果对比表格如表4所示。

表中Case A并没有方法3 Paukert法的计算结果，原因是在Iarc<100A的情况下，Paukert法在ETAP软件中无法进行仿真。

上述结果均按辐照度取1000W/m2计算，Klement的文献[4]建议使用实际辐照度。因此以海南项目所在地洋浦为例，在ETAP中光伏组件参数的输入中，可以设置经纬度为，东经109.19°E，北纬19.73°N。同时，在ETAP中可输入该地区冬至日时间，则计算出辐照度约为900W/m2。这样在Source Model选取中可选Normal状态。仿真计算的结果数值均小于辐照度取1000W/m2时数值。

3、结束语

光伏系统直流弧闪计算的目的就是通过科学的方法评估和管理电气系统中的弧闪风险，帮助识别和分析高风险区域，通过模拟和评估各种缓解方法，降低风险并提高安全性以保护设备免受潜在的物理损害，同时确保人员安全和减少经济损失。本文归纳的某些方法是可以手算进行的，但精确计算还需通过商业专业软件如ETAP进行，得出相对准确的结果。无论在工程任何阶段均可帮助设计人员、业主、生产人员采取相应的预防措施。

参考文献:

[1]Das J C.弧闪故障危害与治理[M].王宾,译.北京:机械工业出版社,2018.

文章来源:杨鹏,游永熙.基于ETAP的光伏系统直流弧闪计算[J].电器工业,2025,(01):19-24.