浙江省質(zhì)量檢測科學(xué)研究院低壓電器檢測中心 ■ 王國忠 張正

北京鑒衡認(rèn)證中心 ■ 劉璇璇

0 引言

在全球能源安全和氣候問題日趨嚴(yán)峻的形勢下，太陽能作為地球上最豐富、分布最廣的可再生能源日益受到重視。近年，由于技術(shù)進(jìn)步、成本降低，以及財(cái)政部、能源局聯(lián)合啟動(dòng)“金太陽示范工程”的鼓勵(lì)，我國光伏產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，裝機(jī)量不斷攀升。根據(jù)國家能源局提供的數(shù)據(jù)，截止到2012年底，光伏發(fā)電裝機(jī)由基本空白增加到7 GW，預(yù)計(jì)2013年光伏發(fā)電裝機(jī)為10 GW[1]。

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)(或稱光伏電站)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，大量的低壓電器應(yīng)用于其輸電電路中，承擔(dān)保護(hù)、控制、隔離及連接電路等作用。光伏電站作為低壓電器應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，其較高的直流電壓(設(shè)計(jì)電壓可達(dá)1 000 V)和復(fù)雜的戶外使用環(huán)境，對(duì)低壓電器的工作性能，絕緣耐壓水平及分?jǐn)嗄芰μ岢隽诵碌囊?。若選用的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)不能滿足光伏電站的設(shè)計(jì)要求，會(huì)影響電站的可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸹馂?zāi)。本文主要分析安裝于直流側(cè)的光伏匯流箱(或光伏匯流柜)內(nèi)的低壓電器在光伏系統(tǒng)的適用性。

1 光伏電站運(yùn)行的環(huán)境與電路分析

研究低壓電器在光伏發(fā)電系統(tǒng)的適用性，首先要研究光伏電站運(yùn)行環(huán)境及其電路。對(duì)幾十家光伏電站現(xiàn)場檢測，其光伏電站的運(yùn)行環(huán)境及電路有如下特點(diǎn)。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境特性

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于戶外，經(jīng)受高溫、低溫、雨水，沙塵等惡劣環(huán)境的影響。如在我國新疆和田地區(qū)，極端高溫可達(dá)41.6 ℃。戶外安裝光伏匯流箱為了防止沙塵和雨水的危害，防護(hù)等級(jí)一般達(dá)到IP65，這又會(huì)導(dǎo)致散熱受到影響，某些地區(qū)匯流箱內(nèi)溫度可達(dá)50～60 ℃，選擇元器件時(shí)必須考慮溫度對(duì)低壓元器件工作性能的影響。

1.2 電路分析

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了降低輸電電路的能量損耗，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，一般采用若干光伏組件串聯(lián)的方式獲得高電壓；同時(shí)為了節(jié)約電纜，降低光伏電站的建設(shè)成本，采用若干個(gè)光伏組串并聯(lián)接入?yún)R流箱的方式，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，系統(tǒng)電壓由于逆變器技術(shù)的限制只能達(dá)到200～300 V，之后隨著逆變器額定工作電壓的提升可達(dá)到600～1 000 V；近年來甚至出現(xiàn)了1 100 V的逆變器，這意味著光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓可達(dá)到1 000 V以上。在我國，大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大系統(tǒng)電壓一般設(shè)計(jì)成700～800 V之間。

在光伏方陣中，光伏組串電流一般為幾至十幾安培，經(jīng)匯流箱匯總輸出后的光伏子方陣電流為幾十至幾百安培，根據(jù)需要光伏方陣中可能需要二次匯流達(dá)到上千安培。

光伏發(fā)電系統(tǒng)高直流電壓，大電流的電氣特性對(duì)低壓元器件的工作性能尤其是滅弧能力提出了較高要求。

2 光伏匯流箱內(nèi)裝低壓電器種類及其作用

光伏匯流箱是將光伏組串連接，實(shí)現(xiàn)光伏組串間并聯(lián)的箱體，并將必要的保護(hù)器件安裝在此箱體，實(shí)現(xiàn)匯流、保護(hù)的功能，也可能安裝監(jiān)控模塊對(duì)光伏組串的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。光伏匯流箱電氣原理如圖2所示。

由圖2可知，光伏匯流箱中安裝的器件主要有：熔斷器、斷路器或隔離開關(guān)、直流電涌保護(hù)器SPD；智能型匯流箱還裝有電源模塊、智能控制器、電壓傳感器、電流傳感器等。本文著重研討熔斷器、斷路器或隔離開關(guān)、浪涌保護(hù)器SPD的選型問題。

圖2 光伏匯流箱的電氣原理圖

低壓電器的作用包括：

1) 熔斷器：熔斷器在電路中起過流保護(hù)作用，其內(nèi)部由一根金屬絲或金屬片可熔體構(gòu)成，當(dāng)有大電流通過時(shí)，可熔體熔斷，切斷故障電路，保護(hù)設(shè)備及導(dǎo)線。

2) 斷路器：斷路器在電路中既可用作過流保護(hù)器件，也可作為開關(guān)器件來斷、開電路。光伏系統(tǒng)相當(dāng)于電流源，短路電流是標(biāo)稱額定電流的約1.25倍，因此，在光伏系統(tǒng)中，主要依靠斷路器的熱脫口器在電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)經(jīng)過一段時(shí)間后動(dòng)作，斷開電路。

3) 直流隔離開關(guān)：當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生電路故障需檢修時(shí)，切斷電路，對(duì)維修者與電源間起隔離作用。

4) 電涌保護(hù)器：用來限制瞬態(tài)過電壓和轉(zhuǎn)移電涌電流的器件。當(dāng)電路受到雷擊及開關(guān)過電壓影響時(shí)，電涌保護(hù)器由高阻變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，對(duì)地導(dǎo)通，泄放電流，保護(hù)設(shè)備。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓電器選型要點(diǎn)

基于光伏電站工作環(huán)境與電路特點(diǎn)，安裝在匯流箱內(nèi)的低壓電器有其特殊性。由于直流電弧的熄滅困難，在產(chǎn)品選型上尤其不能用交流產(chǎn)品替代。

3.1 太陽能光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器

用于保護(hù)光伏組串和光伏方陣的熔斷體，應(yīng)滿足光伏系統(tǒng)的使用要求。目前，國際電工委員會(huì)已制訂了IEC 60269-6 Low-voltage fuse-Part6:Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems，我國等同采用該標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 13539.6-2013也于2013年7月1日起實(shí)施，此標(biāo)準(zhǔn)中定義了“gPV型”熔斷體，增加了如下環(huán)境試驗(yàn)，模擬實(shí)際使用條件：

1) 根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)幅照度不同所產(chǎn)生電流不同的情況，在驗(yàn)證光伏熔斷體額定電流之前，需先經(jīng)受3 000個(gè)電流循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括15%In10s、40%In10s，接著15%In10s、75%In10s、15%In10s、100%In10s的循環(huán)，要求熔斷體本體不呈現(xiàn)破裂或裂紋。試驗(yàn)后，熔斷體的電阻在室溫條件不應(yīng)有超過10%的變化。

2) 根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)戶外使用環(huán)境的情況，要求光伏熔斷器進(jìn)行可接受熱感應(yīng)水平的驗(yàn)證，即熔斷體要經(jīng)受50個(gè)加熱和冷卻循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括15 min的-40 ℃±5 ℃和15 min的90 ℃±5 ℃，并增加了極端溫度(50 ℃)條件下的功能驗(yàn)證。

IEC 60269-6還對(duì)光伏熔斷體的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了重新規(guī)定，約定熔斷電流為1.13倍In，約定不熔斷電流為1.45倍In，這與工業(yè)用、家用、半導(dǎo)體用熔斷體均不同。

該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，規(guī)范了光伏熔斷器產(chǎn)品質(zhì)量的具體要求，提高了光伏熔斷器保護(hù)光伏組串電路的可靠性，因此光伏系統(tǒng)中應(yīng)選用符合GB/T 13539.6或 IEC 60269-6的光伏熔斷器。

3.2 直流斷路器或直流隔離開關(guān)

光伏匯流箱中直流斷路器或直流隔離開關(guān)應(yīng)選擇直流專用型，其額定電壓必須要大于等于光伏電站的最大系統(tǒng)電壓。光伏系統(tǒng)的最大開路電壓主要受溫度的影響，溫度越低開路越大，如表1所示，而其他類型的光伏組件必須依據(jù)制造商的電壓修正說明計(jì)算。

表1 單晶和多晶光伏組件的電壓修正因數(shù)

直流斷路器為了達(dá)到1 000 V工作電壓，通常采用4極串聯(lián)，串聯(lián)方式及導(dǎo)線截面積應(yīng)符合各制造商的要求，否則極易導(dǎo)致串聯(lián)點(diǎn)溫度過高，斷路器跳閘。針對(duì)光伏系統(tǒng)的直流斷路器一般使用較大滅弧室將電弧拉長增加電弧電阻及散熱能力，從而達(dá)到快速滅弧的效果。

考慮到IP65的使用及安裝環(huán)境，直流斷路器或隔離開關(guān)選型時(shí)要考慮高溫下的降容系數(shù)。例如，匯流箱的輸出總電流達(dá)到160 A，選用160 A的直流斷路器或隔離開關(guān)易發(fā)生無故障跳閘現(xiàn)象，降容系數(shù)的選擇可與制造商溝通確定。另外，安裝直流斷路器或隔離開關(guān)時(shí)，飛弧距離區(qū)域內(nèi)不能安裝其他元件，除非增設(shè)絕緣防護(hù)罩。

GB 14048.2《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》為斷路器通用標(biāo)準(zhǔn)，缺少對(duì)斷路器在光伏電站特殊領(lǐng)域的具體要求與考核。為規(guī)范光伏直流斷路器的考核方法，北京鑒衡認(rèn)證中心根據(jù)在光伏電站的環(huán)境及電氣特性，在CGCR 46045:2012《電子電氣產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 低壓直流斷路器》的附錄3中規(guī)定“光伏系統(tǒng)用低壓直流斷路器補(bǔ)充技術(shù)條件”。主要增加環(huán)境溫度變化循環(huán)試驗(yàn)與臨界負(fù)載電流試驗(yàn)考核。同時(shí)，根據(jù)光伏電站負(fù)載為近似阻性負(fù)載特點(diǎn)，對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正，這對(duì)直流產(chǎn)品滿足光伏電站要求具有深遠(yuǎn)意義。新增對(duì)光伏直流斷路器的具體試驗(yàn)方法如下：

1) 環(huán)境溫度變化循環(huán)試驗(yàn)方法：溫度變化時(shí)，溫度的上升和下降速率應(yīng)為(3±0.2) K/min，最低溫度為-40 ℃，最高溫度為+90 ℃。溫度達(dá)到后至少維持15 min，循環(huán)數(shù)應(yīng)為50。

這個(gè)試驗(yàn)是模擬匯流箱在戶外實(shí)際運(yùn)行時(shí)的性能。由于光伏電站環(huán)境溫度晚上可能達(dá)到-40 ℃，而白天匯流箱內(nèi)的溫度可能高達(dá)90 ℃(注：這與戶外地面溫度及匯流箱防護(hù)等級(jí)較高有關(guān))，這種高低溫度變化的考核，有利于檢驗(yàn)直流斷路器的內(nèi)裝各種材料在嚴(yán)酷溫度下其性能的符合性。

2) 臨界負(fù)載電流試驗(yàn)：臨界負(fù)載電流的定義是指在使用的條件范圍內(nèi)燃弧時(shí)間明顯延長的分?jǐn)嚯娏?。試?yàn)方法為在額定電壓下，試驗(yàn)電流應(yīng)為 5%In、10%In、25%In、50%In和 75%In；每個(gè)電流進(jìn)行10次合分操作，找出最大熄弧時(shí)間的電流，作為臨界負(fù)載電流(記錄波形和熄弧時(shí)間) ；緊接再在這個(gè)臨界負(fù)載電流下進(jìn)行100次的合分操作，試品應(yīng)經(jīng)常工作不應(yīng)持續(xù)起燃，熄弧時(shí)間應(yīng)不大于0.4 s。

這個(gè)試驗(yàn)考核目的為直流斷路器的結(jié)構(gòu)是否能滿足熄滅額定電流以下的所有直流電。現(xiàn)在大多數(shù)直流斷路器的滅弧原理采用觸頭串聯(lián)及柵片滅弧室結(jié)構(gòu)，由于試品在分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，作用于直流電弧的電磁力與電流大小有關(guān)，電流越大越有利于將電弧拉進(jìn)入滅弧室、電流越小越不利于將電弧拉進(jìn)入滅弧室，因此，有臨界負(fù)載電流這一現(xiàn)象。由于光伏直流輸出主要由陽光因素影響，電流的波動(dòng)性很大，因此，臨界負(fù)載電流試驗(yàn)有重要意義。

3.3 光伏電涌保護(hù)器SPD

從光伏匯流箱的電氣原理圖中可見，電涌保護(hù)器并聯(lián)在光伏直流側(cè)電路。光伏系統(tǒng)中不同于其他交流和直流系統(tǒng)，在SPD劣化時(shí)，最大也只能產(chǎn)生1.25倍正常工作電流。因此，只能使用那些專為光伏裝置設(shè)計(jì)的電涌保護(hù)器來保護(hù)安裝在直流側(cè)的光伏裝置，且應(yīng)滿足電涌保護(hù)器的短路耐受電流：IscWPV>Isc(匯流箱的短路輸出電流)，以確保電涌保護(hù)器失效后可脫離開主電路。

SPD的最大持續(xù)運(yùn)行電壓UCPV應(yīng)大于或等于在任何情況下的光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大開路電壓。電壓與溫度的修正關(guān)系詳見表1。

由于光伏電站的系統(tǒng)電壓會(huì)超過直流700 V，因此，匯流箱中SPD的安裝方式大多采用Y型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 Y型安裝方式示意圖

電涌保護(hù)器可能由于異常的高雷擊電流或反復(fù)的電涌沖擊超負(fù)荷而失效，因此電涌保護(hù)器應(yīng)具有脫離器和故障指示，且光伏匯流設(shè)備的監(jiān)控和控制系統(tǒng)中應(yīng)包含SPD工作狀態(tài)。

針對(duì)光伏防雷器的EN 50539-11 Low-voltage surge protective devices-Surge protective devices for specific application including d.c.-Part11:Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications于2013年發(fā)布實(shí)施，我國等同采用的國標(biāo)也正在制定中。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電系統(tǒng)的高直流電壓及復(fù)雜的使用環(huán)境，要求光伏匯流箱中應(yīng)選用太陽能光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器(gPV型)、直流斷路器或隔離開關(guān)、光伏專用防雷器。光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行，需要低壓電器的協(xié)調(diào)配合；低壓電器也應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以適應(yīng)光伏領(lǐng)域的發(fā)展需求。

[1] CGC/GF 002: 2010 (CNCA/CTS0001：2011) 光伏匯流箱技術(shù)規(guī)范[S].

[2] IEC60269-6 Low-voltage fuse-Part6: Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[3] GB14048.2-2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器[S].

[4] CGC-R46045:2012 電子電氣產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 低壓直流斷路器[S].

[5] FprEN 50539-11: June 2012 第11部分：應(yīng)用于光伏裝置SPD的要求與試驗(yàn)[S].