光伏陣列保護用熔斷器的選擇分析(二)

好利來(中國)電子科技股份有限公司 ■ 賴文輝

隨著光伏發(fā)電的裝機容量的不斷攀升，光伏陣列的保護不斷得到重視。據(jù)了解，IEC 62548Ed.1.0《光伏(PV)發(fā)電機組裝置和安全要求》(《Installation and safety requirements for photovoltaic(PV) generators》)的CDV(委員投票稿)在2011年9月16日已投票通過，其CCDV(Draft Circulated as Committee Draft with Vote)也計劃在今年7月份IEC中央辦公室發(fā)布，也就是說，關鍵的技術層面內(nèi)容已確定，正式標準估計在2012年下半年或2013年將會發(fā)布。另外，光伏熔斷器標準IEC 60269-6Ed.1.0的再次修改也在進行中。新標準的誕生和已有標準的修改，都體現(xiàn)了最新的技術要求，體現(xiàn)了先進性，很值得工程技術人員研究重視，保證選型設計更合理和可靠。

IEC 62548覆蓋了功率50W以上、開路電壓30V以上的所有光伏發(fā)電機組。對IEC 62548標準中涉及的過電流保護部分歸納如下：

一 過電流保護的的必要性

光伏陣列中發(fā)生在光伏板、光伏連接箱或光伏板接線部分的短路以及發(fā)生在光伏陣列接線的接地故障，都可能產(chǎn)生過電流。光伏系統(tǒng)中的故障電流不能斷開其中的過電流保護器件的光伏陣列，將有可能產(chǎn)生電弧；對于光伏板和相關設備制造商要求提供過電流保護的，要按其要求提供保護；對于制造商沒有規(guī)定過電流保護的則要依照IEC 62548標準的要求設置過電流保護。

光伏熔斷器標準IEC 60269-6中還提出，光伏逆變器故障產(chǎn)生的回擊電流，若在光伏熔斷器的額定分斷能力范圍內(nèi)，光伏熔斷器也能提供保護，避免對陣列電纜和光伏板的損害。

二 過電流保護熔斷體和熔斷器支持件的選擇

考慮到溫度越低光伏板的開路電壓越大的特點，光伏陣列、光伏子陣列、光伏串和光伏板的最大電壓，應根據(jù)安裝地點預期的最低氣溫按光伏板制造商的說明來修正；對于光伏板制造商沒有提供修正方法的，應依照標準要求修正確定光伏陣列的最大電壓。IEC 62548標準中規(guī)定的修正系數(shù)如表1所示。

應用于光伏陣列保護的熔斷體應符合以下要求：

(1) 額定電壓大于等于根據(jù)安裝地點預期最低氣溫按光伏板制造商的說明或表1修正得出的最大電壓；

表1 單晶硅和多晶硅光伏板最大電壓修正系數(shù)

(2) 直流熔斷體；

(3) 如果存在故障電流，則額定分斷能力不低于來自光伏陣列和其他連接的電源(如電池、發(fā)電機和電網(wǎng)的故障電流)；

(4) 符合IEC 60269-6標準并適合PV過電流和短路保護的型號。

應用于光伏陣列保護的熔斷體支持件應符合以下要求：

(1) 額定電壓大于等于根據(jù)安裝地點預期最低氣溫按光伏板制造商的說明或表1修正得出的最大電壓；

(2) 額定電流大于等于對應熔斷體的額定電流；

(3) 保護等級適合安裝地點且不低于IP 2X。

三 過電流保護熔斷體額定電流的選擇和安裝位置要求等

對于光伏串的保護，熔斷器應安裝在光伏串導線連接到光伏子陣列導線的位置，如子陣列匯流箱等光伏匯流箱位置，且正負極位置都要安裝，如圖1所示。熔斷體的額定電流應在(1.4～2.4)Isc-MOD的范圍內(nèi)，Isc-MOD為光伏板或光伏串在標準測試條件下的短路電流，是光伏板制造商規(guī)定在產(chǎn)品銘牌上的規(guī)格值。在此要注意的是，對于一些光伏板，在其工作的前幾周或前幾個月，其Isc-MOD比定義值要高。

對于光伏子陣列的保護，熔斷器應安裝在光伏子陣列導線連接到光伏陣列導線的位置，如光伏陣列匯流箱等光伏連接箱位置，且正負極位置都要安裝，如圖1所示。熔斷體的額定電流應在(1.25～2.40)Isc-ARRAY的范圍內(nèi)，Isc-ARRAY為光伏子陣列在標準測試條件下的短路電流，其值為光伏串短路電流Isc-MOD的n倍，n是子陣列中并列的光伏串數(shù)。

對于整個光伏陣列的保護，熔斷器應安裝在光伏陣列導線和應用電路導線連接位置，一般安裝在電池和電池組與充電控制器之間，并盡可能靠近電池位置安裝。如圖1所示，熔斷器是用于保護系統(tǒng)和導線，防止其他地點光伏陣列或其他連接的電源，如電池或電池組等故障電流的流入。若熔斷體的額定值靠近下限選定，則對光伏陣列導線和充電控制器都提供保護，這時，光伏陣列和充電充電控制器之間的光伏陣列導線無需再設置保護。同樣正負極位置都要安裝。該位置熔斷體的額定電流應在(1.25～2.40)Isc-ARRAY的范圍內(nèi)，Isc-ARRAY為光伏陣列在標準測試條件下的短路電流，其值為光伏串短路電流Isc-MOD的N倍，N為陣列中并列的光伏串總數(shù)。對于額定電流很大的，可能沒有對應的熔斷器規(guī)格，通常采用過電流保護繼電器等其他過電流保護器件。

鑒于相關的IEC 62548標準內(nèi)容已基本確定，而IEC 60269-6標準本身需要完善，IEC對2010年出版的IEC 60269-6光伏系統(tǒng)保護用熔斷器標準作了再次修改。修訂稿(CD)已經(jīng)發(fā)出給各成員國，最主要的變化包括兩點：一是修改額定電流為32A以下(含32A)的熔斷體的約定熔斷電流和約定不熔斷電流。原來要求熔斷體通過1.45倍額定電流時，應在1h內(nèi)熔斷，且通過1.13倍額定電流時不應在1h內(nèi)熔斷；修改后，要求通過1.35倍額定電流時應在1h內(nèi)熔斷，且通過1.05倍額定電流時不應在1h內(nèi)熔斷。修改后，對于額定電流32A以內(nèi)的光伏熔斷體，IEC規(guī)格和UL規(guī)格幾乎完全相同。另一點是在其附錄[光伏熔斷體保護光伏組件串和光伏方陣應用指南]中，增加了熔斷體額定電流值選擇指導，其內(nèi)容即為上述歸納出的IEC 62548標準中關于過電流保護額定電流的選擇方法等。

標準的變化反映出兩個需要重視的問題：一是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板的發(fā)電量設計一般不會超出11A，通常應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)匯流箱的熔斷器的額定電流規(guī)格不會超出20A，應用最多的是在8～15A范圍內(nèi)，所以都屬于其約定熔斷電流和約定不熔斷電流參數(shù)要調(diào)整的系列范圍。也就是說，對于匯流箱中保護光伏串的熔斷器要求在更小的故障電流條件下就能斷開，原來要求當故障電流大小為熔斷體的額定電流值的1.45倍時，熔斷體應在1h內(nèi)斷開，現(xiàn)在IEC則希望要求故障電流為其額定電流值的1.35倍時熔斷體就在1h內(nèi)斷開，這樣對光伏板的保護將更為有效，當然也對熔斷體提出了更高的要求。所以，從保護有效性和可靠性考慮，匯流箱中的熔斷器應優(yōu)先選擇那些電流為額定電流值的1.35倍時就能在1h內(nèi)熔斷的斷熔斷體。現(xiàn)在這些要求更高并被UL等第三方安規(guī)機構確證的產(chǎn)品有：BUSSMANN的PV-xA10、HOLLYLAND的HC10PV系列等。

圖1 光伏系統(tǒng)簡圖

要實現(xiàn)更安全可靠的保護，除優(yōu)先選擇約定熔斷電流更低的熔斷器外，對熔斷體額定值的大小選擇則是另一個需要重視的問題。對于應用于光伏串保護的熔斷器，UL標準NFPA 70TM National Electrical Code第690條“太陽能光伏系統(tǒng)”中提出，該熔斷體的額定電流應選擇≥1.56Isc，Isc為光伏串最低溫度時的最大短路電流，在此其熔斷體規(guī)格是UL標準的光伏熔斷體。對于IEC規(guī)格的光伏熔斷體，此前IEC沒有具有具體規(guī)定的相關標準，本文作者曾提出了對于IEC光伏熔斷體的額定電流按照1.42Isc選擇，見文獻[3]。現(xiàn)在IEC 62548標準中提出光伏陣列過電流保護的安全要求，并作出詳細規(guī)定，這樣，對于IEC規(guī)格的光伏熔斷器的應用就有了一個明確的指導規(guī)范，將有利于廣大從事光伏系統(tǒng)的設計工程師設計借鑒，保證選型設計更合理、可靠。

[1] IEC 62548Ed.1.0CDV, Installation and safety requirements for photovoltaic (PV) generators[S].

[2] IEC 60269-6A1Ed.1, Low-voltage fuses-Part 6:Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[3] 賴文輝. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列保護用熔斷器的選擇分析[J].太陽能, 2011, 9: 19－20.

[4] NFPA 70-2008, National electrical code¨ [S].

[5] GB/T 16895.32－2008/IEC 60364-7-712: 2002, 建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場所的要求 太陽能光伏(PV)電源供電系統(tǒng)[S].