高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

直流熔斷器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

本文闡述了目前直流熔斷器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

直流熔斷器 光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能是一種儲(chǔ)量巨大的清潔可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量，但是太陽能也是一種低密度的平面能源， 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要數(shù)量巨大的太陽能電池板陣列進(jìn)行串并聯(lián)組合來達(dá)到所需功率。光伏發(fā)電站目前成本還偏高，效率函待提升，但是其作為可再生能源的作用與應(yīng)用前景正日益得到社會(huì)的普遍認(rèn)同。在中國未來的電力供應(yīng)中光伏發(fā)電將扮演重要的角色，預(yù)計(jì)到 2020 年累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到 30 GWp； 2050 年將達(dá)到 100 GWp。

光伏電站直流電壓一般設(shè)計(jì)為直流800～1 500 V，故光伏匯流箱中所安裝的大量電器元件主要為直流電器元件，是屬于直流低壓電器元件范疇。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以和電力系統(tǒng)進(jìn)行直接連接的一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，它可以為電力系統(tǒng)供給有功及無功的電能。此電能和電網(wǎng)的頻率相同，再以電壓源方式將電能送進(jìn)電力系統(tǒng)，而建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是大規(guī)模集中利用太陽能的有效方式。本文主要針對(duì)大型并網(wǎng)光伏電站中直流熔斷器的應(yīng)用問題進(jìn)行闡述。

在光伏系統(tǒng)的的短路保護(hù)中一般采用熔斷器或斷路器。熔斷器，俗稱保險(xiǎn)絲，相當(dāng)于過電流繼電保護(hù)裝置與開斷裝置合為一體的開關(guān)設(shè)備，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯；而且在直流系統(tǒng)中電感低，發(fā)生故障時(shí)電流變化率di/dt 很高，特別適合用于直流系統(tǒng)。因此一直以來光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)中，主要應(yīng)用熔斷器作為過電流保護(hù)?；趯?duì)未來中國光伏在電力供應(yīng)系統(tǒng)的占有率，直流熔斷器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用有巨大的市場(chǎng)潛力，特別是集中式光伏并網(wǎng)體系，匯流箱數(shù)量眾多，每個(gè)光伏組串均需要配置直流熔斷器保護(hù)回路來切除故障。而關(guān)于直流系統(tǒng)熔斷器在電網(wǎng)中應(yīng)用，需要注意以下幾點(diǎn)：熔斷器的特性必須要求具有精確的時(shí)間- 電流特性；有良好的抗老化能力；達(dá)到熔斷值時(shí)能夠快速熔斷；具有良好的切斷故障電流能力，有效切斷故障電流。直流不存在電壓的過零點(diǎn)，在斷開負(fù)載時(shí)往往有電弧產(chǎn)生，直流電弧燃弧時(shí)間長(zhǎng)，電弧能量大，熔斷器在熔斷時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)尖峰高電壓，如果熔斷器性能不佳，會(huì)直接影響同一直流母線上的其他負(fù)載。

光伏產(chǎn)業(yè)從600V發(fā)展到1000伏，再到現(xiàn)在興起的1500V，光伏的直流熔斷器性能也在不斷提升，對(duì)于目前1500v的新要求，市場(chǎng)上也已經(jīng)出現(xiàn)了相應(yīng)的產(chǎn)品。近些年，一些科研機(jī)構(gòu)通過對(duì)一些光伏發(fā)電企業(yè)的調(diào)研卻發(fā)現(xiàn)了發(fā)電站運(yùn)行中存在很多問題，其中與熔斷器應(yīng)用相關(guān)的問題有： 荒漠電站的集中式結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)體系，匯流箱的數(shù)量多，使用的熔斷器數(shù)目龐大，但是熔斷器的燒毀也較為嚴(yán)重，根據(jù)調(diào)查，1個(gè)10MW的光伏發(fā)電場(chǎng)一年更換的熔斷器多達(dá)800多個(gè)，對(duì)發(fā)電量的影響較大，增大了運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本；中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司關(guān)于光伏中應(yīng)用熔斷器失效率進(jìn)行擬合曲線，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的遞增，到第五年熔斷器的綜合失效率接近50%，顯然國內(nèi)光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié)在直流熔斷器的的應(yīng)用需要注意的問題方面經(jīng)驗(yàn)不足。

熔斷器在光伏電站中的應(yīng)用廣泛與其在應(yīng)用中居高的失效率形成巨大的落差，這與熔斷器行業(yè)特點(diǎn)密不可分。目前國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的直流熔斷器都能夠通過IEC60269-6或者UL2579中的相關(guān)測(cè)試，但是真正解決實(shí)際使用中存在的問題，卻并非易事。關(guān)鍵指標(biāo)如額定電流，額定電壓，溫升，功耗，熔斷性能，I^2T等隨著產(chǎn)品體系應(yīng)用的變化，均會(huì)發(fā)生一些變化，標(biāo)準(zhǔn)中熔斷與不熔斷電流中間的值會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間低倍過載，大電流以及低倍電流下的分?jǐn)嗄芰@些熔斷器關(guān)鍵的性能安全指標(biāo)，由于測(cè)試成本的壓力，很多廠家都難以進(jìn)行常規(guī)監(jiān)控。因此低倍過載存在的著火風(fēng)險(xiǎn)，熔斷時(shí)出現(xiàn)噴弧，是一些低成本直流熔斷器的常見問題。有些光伏電站環(huán)境比較惡劣，風(fēng)沙，濕度，長(zhǎng)日照，這些客觀條反而對(duì)相關(guān)器件提出了更高的可靠性要求。例如光伏電站晝夜溫差大，導(dǎo)致加速熔斷器熔絲的熱疲勞效應(yīng)而老化，通流能力下降，必然為熔斷器在光伏電站中的應(yīng)用帶來了巨大的安全隱患，而這也正是光伏電站高昂的運(yùn)維費(fèi)用的原因。因此熔斷器生產(chǎn)企業(yè)必須不斷關(guān)注熔斷器的性能與品質(zhì)，提高產(chǎn)品應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境中使用的性能，對(duì)產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題進(jìn)行全面的安全與環(huán)境測(cè)試，才能在光伏熔斷器領(lǐng)域中保持重要的地位。

鑒于光伏電站本身的昂貴組件，光伏電站也在考慮使用智能匯流箱來實(shí)現(xiàn)光伏電站的數(shù)字化，智能化，運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)控與建立數(shù)據(jù)庫是光伏電站未來發(fā)展的重要方向。智能匯流箱一次線路還是由匯流銅排、直流斷路器以及多個(gè)直流熔斷器組成，內(nèi)部加裝智能監(jiān)測(cè)單元模塊，監(jiān)測(cè)每一路光伏組件串聯(lián)回路的工作電流、電壓等工作狀態(tài)，并通過通訊模塊與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能化的過程通過對(duì)器件使用情況的監(jiān)督，數(shù)字化，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防雷、 母線、 光伏組串進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障診斷， 并具備與主站通訊的功能， 但是采樣的質(zhì)量、運(yùn)行的可靠性、 功能的豐富性目前還不能完全滿足。針對(duì)直流熔斷器，鑒于匯流箱內(nèi)產(chǎn)生弧光后， 弧光會(huì)以300m/s 的速度迸發(fā)，摧毀途中的物質(zhì)， 只要匯流箱不斷電， 弧光就會(huì)一直存在， 因此一些研究認(rèn)為很有必要加設(shè)弧光故障診斷。監(jiān)控模塊的日益成熟與應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累，相信此項(xiàng)會(huì)成為不同廠家熔斷器表現(xiàn)的“試金石”。除此之外，豐富的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品壽命與失效情況，為光伏電站直流熔斷器及其他器件更好的進(jìn)行選型與應(yīng)用控制提供更科學(xué)合理的依據(jù)。