淺析低壓電器在光伏發電系統的適用性

浙江省質量檢測科學研究院低壓電器檢測中心 ■ 王國忠 張正

北京鑒衡認證中心 ■ 劉璇璇

0 引言

在全球能源安全和氣候問題日趨嚴峻的形勢下，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，由于技術進步、成本降低，以及財政部、能源局聯合啟動“金太陽示范工程”的鼓勵，我國光伏產業得到飛速發展，裝機量不斷攀升。根據國家能源局提供的數據，截止到2012年底，光伏發電裝機由基本空白增加到7 GW，預計2013年光伏發電裝機為10 GW[1]。

隨著光伏發電系統(或稱光伏電站)在國內的推廣應用，大量的低壓電器應用于其輸電電路中，承擔保護、控制、隔離及連接電路等作用。光伏電站作為低壓電器應用的一個嶄新領域，其較高的直流電壓(設計電壓可達1 000 V)和復雜的戶外使用環境，對低壓電器的工作性能，絕緣耐壓水平及分斷能力提出了新的要求。若選用的產品技術指標不能滿足光伏電站的設計要求，會影響電站的可靠運行，嚴重時甚至會引起火災。本文主要分析安裝于直流側的光伏匯流箱(或光伏匯流柜)內的低壓電器在光伏系統的適用性。

1 光伏電站運行的環境與電路分析

研究低壓電器在光伏發電系統的適用性，首先要研究光伏電站運行環境及其電路。對幾十家光伏電站現場檢測，其光伏電站的運行環境及電路有如下特點。

1.1 光伏發電系統的環境特性

太陽能光伏發電系統安裝于戶外，經受高溫、低溫、雨水，沙塵等惡劣環境的影響。如在我國新疆和田地區，極端高溫可達41.6 ℃。戶外安裝光伏匯流箱為了防止沙塵和雨水的危害，防護等級一般達到IP65，這又會導致散熱受到影響，某些地區匯流箱內溫度可達50～60 ℃，選擇元器件時必須考慮溫度對低壓元器件工作性能的影響。

1.2 電路分析

在光伏發電系統中，為了降低輸電電路的能量損耗，提高系統的發電效率，一般采用若干光伏組件串聯的方式獲得高電壓；同時為了節約電纜，降低光伏電站的建設成本，采用若干個光伏組串并聯接入匯流箱的方式，如圖1所示。

圖1 光伏發電系統的結構示意圖

光伏產業發展初期，系統電壓由于逆變器技術的限制只能達到200～300 V，之后隨著逆變器額定工作電壓的提升可達到600～1 000 V；近年來甚至出現了1 100 V的逆變器，這意味著光伏發電系統的系統電壓可達到1 000 V以上。在我國，大型光伏發電系統的最大系統電壓一般設計成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，根據需要光伏方陣中可能需要二次匯流達到上千安培。

光伏發電系統高直流電壓，大電流的電氣特性對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，實現光伏組串間并聯的箱體，并將必要的保護器件安裝在此箱體，實現匯流、保護的功能，也可能安裝監控模塊對光伏組串的工作狀態進行監測。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、直流電涌保護器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、浪涌保護器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作用，其內部由一根金屬絲或金屬片可熔體構成，當有大電流通過時，可熔體熔斷，切斷故障電路，保護設備及導線。

2) 斷路器：斷路器在電路中既可用作過流保護器件，也可作為開關器件來斷、開電路。光伏系統相當于電流源，短路電流是標稱額定電流的約1.25倍，因此，在光伏系統中，主要依靠斷路器的熱脫口器在電流達到一定數值時經過一段時間后動作，斷開電路。

3) 直流隔離開關：當負載側發生電路故障需檢修時，切斷電路，對維修者與電源間起隔離作用。

4) 電涌保護器：用來限制瞬態過電壓和轉移電涌電流的器件。當電路受到雷擊及開關過電壓影響時，電涌保護器由高阻變為低阻狀態，對地導通，泄放電流，保護設備。

3 光伏發電系統低壓電器選型要點

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

3.1 太陽能光伏系統保護用熔斷器

用于保護光伏組串和光伏方陣的熔斷體，應滿足光伏系統的使用要求。目前，國際電工委員會已制訂了IEC 60269-6 Low-voltage fuse-Part6:Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems，我國等同采用該標準的GB/T 13539.6-2013也于2013年7月1日起實施，此標準中定義了“gPV型”熔斷體，增加了如下環境試驗，模擬實際使用條件：

1) 根據光伏發電系統幅照度不同所產生電流不同的情況，在驗證光伏熔斷體額定電流之前，需先經受3 000個電流循環，每個循環包括15%In10s、40%In10s，接著15%In10s、75%In10s、15%In10s、100%In10s的循環，要求熔斷體本體不呈現破裂或裂紋。試驗后，熔斷體的電阻在室溫條件不應有超過10%的變化。

2) 根據光伏發電系統戶外使用環境的情況，要求光伏熔斷器進行可接受熱感應水平的驗證，即熔斷體要經受50個加熱和冷卻循環，每個循環包括15 min的-40 ℃±5 ℃和15 min的90 ℃±5 ℃，并增加了極端溫度(50 ℃)條件下的功能驗證。

IEC 60269-6還對光伏熔斷體的時間常數進行了重新規定，約定熔斷電流為1.13倍In，約定不熔斷電流為1.45倍In，這與工業用、家用、半導體用熔斷體均不同。

該標準的實施，規范了光伏熔斷器產品質量的具體要求，提高了光伏熔斷器保護光伏組串電路的可靠性，因此光伏系統中應選用符合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

光伏匯流箱中直流斷路器或直流隔離開關應選擇直流專用型，其額定電壓必須要大于等于光伏電站的最大系統電壓。光伏系統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制造商的電壓修正說明計算。

表1 單晶和多晶光伏組件的電壓修正因數

直流斷路器為了達到1 000 V工作電壓，通常采用4極串聯，串聯方式及導線截面積應符合各制造商的要求，否則極易導致串聯點溫度過高，斷路器跳閘。針對光伏系統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，從而達到快速滅弧的效果。

考慮到IP65的使用及安裝環境，直流斷路器或隔離開關選型時要考慮高溫下的降容系數。例如，匯流箱的輸出總電流達到160 A，選用160 A的直流斷路器或隔離開關易發生無故障跳閘現象，降容系數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時，飛弧距離區域內不能安裝其他元件，除非增設絕緣防護罩。

GB 14048.2《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》為斷路器通用標準，缺少對斷路器在光伏電站特殊領域的具體要求與考核。為規范光伏直流斷路器的考核方法，北京鑒衡認證中心根據在光伏電站的環境及電氣特性，在CGCR 46045:2012《電子電氣產品認證實施規則 低壓直流斷路器》的附錄3中規定“光伏系統用低壓直流斷路器補充技術條件”。主要增加環境溫度變化循環試驗與臨界負載電流試驗考核。同時，根據光伏電站負載為近似阻性負載特點，對時間常數進行修正，這對直流產品滿足光伏電站要求具有深遠意義。新增對光伏直流斷路器的具體試驗方法如下：

1) 環境溫度變化循環試驗方法：溫度變化時，溫度的上升和下降速率應為(3±0.2) K/min，最低溫度為-40 ℃，最高溫度為+90 ℃。溫度達到后至少維持15 min，循環數應為50。

這個試驗是模擬匯流箱在戶外實際運行時的性能。由于光伏電站環境溫度晚上可能達到-40 ℃，而白天匯流箱內的溫度可能高達90 ℃(注：這與戶外地面溫度及匯流箱防護等級較高有關)，這種高低溫度變化的考核，有利于檢驗直流斷路器的內裝各種材料在嚴酷溫度下其性能的符合性。

2) 臨界負載電流試驗：臨界負載電流的定義是指在使用的條件范圍內燃弧時間明顯延長的分斷電流。試驗方法為在額定電壓下，試驗電流應為 5%In、10%In、25%In、50%In和 75%In；每個電流進行10次合分操作，找出最大熄弧時間的電流，作為臨界負載電流(記錄波形和熄弧時間) ；緊接再在這個臨界負載電流下進行100次的合分操作，試品應經常工作不應持續起燃，熄弧時間應不大于0.4 s。

這個試驗考核目的為直流斷路器的結構是否能滿足熄滅額定電流以下的所有直流電。現在大多數直流斷路器的滅弧原理采用觸頭串聯及柵片滅弧室結構，由于試品在分斷電流時，作用于直流電弧的電磁力與電流大小有關，電流越大越有利于將電弧拉進入滅弧室、電流越小越不利于將電弧拉進入滅弧室，因此，有臨界負載電流這一現象。由于光伏直流輸出主要由陽光因素影響，電流的波動性很大，因此，臨界負載電流試驗有重要意義。

3.3 光伏電涌保護器SPD

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

SPD的最大持續運行電壓UCPV應大于或等于在任何情況下的光伏發電系統的最大開路電壓。電壓與溫度的修正關系詳見表1。

由于光伏電站的系統電壓會超過直流700 V，因此，匯流箱中SPD的安裝方式大多采用Y型結構，如圖3所示。

圖3 Y型安裝方式示意圖

電涌保護器可能由于異常的高雷擊電流或反復的電涌沖擊超負荷而失效，因此電涌保護器應具有脫離器和故障指示，且光伏匯流設備的監控和控制系統中應包含SPD工作狀態。

針對光伏防雷器的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年發布實施，我國等同采用的國標也正在制定中。

4 結語

光伏發電系統的高直流電壓及復雜的使用環境，要求光伏匯流箱中應選用太陽能光伏系統保護用熔斷器(gPV型)、直流斷路器或隔離開關、光伏專用防雷器。光伏發電系統可靠安全運行，需要低壓電器的協調配合；低壓電器也應不斷進行技術改進，以適應光伏領域的發展需求。

[1] CGC/GF 002: 2010 (CNCA/CTS0001：2011) 光伏匯流箱技術規范[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 低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器[S].

[4] CGC-R46045:2012 電子電氣產品認證實施規則 低壓直流斷路器[S].

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