大面積光伏旁路二極管擊穿事故分析研究

湖北省電力勘測設計院有限公司 ■ 鐘泰軍 康慨 李慧

0 引言

2017年我國光伏年發電量高達1069億kWh，截至2017年11月底，我國光伏累計裝機量達125.79 GW。根據國家能源局提供的規模發展指標，到2020年底，光伏發電裝機容量有望達到 1.5 億 kW[1]。

隨著光伏發電規模的擴大，光伏廠區的占地面積不斷增加，暴露在曠野、山區中的光伏陣列極易遭受雷電沖擊。目前光伏電站的防雷接地措施主要是防直擊雷，借助接閃帶、避雷針、接地系統等防雷措施，直擊雷能夠得到較好的防御[2]。但是，光伏廠區附近發生雷擊時，空間分布的變化電磁場將會在光伏陣列導體回路產生感應過電壓[3]，文獻[4-7]表明，在距離適中的情況下，光伏組串回路中雷電感應過電壓可能高達數千伏。目前，光伏組件并無防感應雷的措施，光伏組件旁路二極管抗過電壓能力較差，但電磁感應過電壓對光伏組件的危害不容忽視，輕則會影響電能質量和轉換效率，重則會大面積燒毀光伏組件[8-9]。

針對某30 MW光伏發電站投運期間出現的一起大規模光伏組件旁路二極管擊穿事故，本文通過對故障現場的光伏組件、電纜絕緣、接地、防雷組件進行詳細巡查與檢測，理論分析結合現場實驗，逐一排查了二極管擊穿事故的原因；并分析了組串間的電壓差、反灌電流對事故二極管及熔斷器的二次傷害。研究發現，雷電感應過電壓會導致光伏組件旁路二極管擊穿，天氣晴朗后，反灌電流會進一步燒毀接線盒。最后，論證了增設防感應雷措施的必要性。

1 事故現場檢測

1.1 事故背景介紹及光伏組件檢測

該光伏電站發生事故的情況：7月9-15日，僅將光伏回路接入匯流箱，未并網運行。7月9日晚至10日早上，整夜均有大雨，7月10日凌晨03∶00～05∶00場區周邊伴有多次強烈雷電，其中有兩處直擊雷距離場區較近，東側的一處直擊雷距離光伏場區1.5 km(1#直擊雷)，雷電強度為64.7 kA，陡度為10.9；西側的一處直擊雷距離光伏場區2.1 km(2#直擊雷)，雷電強度為73 kA，陡度為7.7。具體如圖1所示。

圖1 光伏電站與直擊雷

該光伏場區共有30個分區。7月12日天氣晴朗，發現9區光伏組件接線盒有異常后，當日對該區所有分區光伏組件進行了排查，除A4、A6、B6匯流箱下光伏組件接線盒有異常外，未發現其他異常的光伏組件接線盒，且光伏組件各項電氣參數均正常。據統計，A4、A6、B6匯流箱下共有233塊光伏組件接線盒存在旁路二極管擊穿現象，經測試，這些二極管無開路電壓或開路電壓過低，并伴有接線盒鼓出甚至燒毀的情況，如圖2、圖3所示。

A1匯流箱回路有電纜破損現象和放電痕跡，但A1匯流箱下所有光伏組件無旁路二極管擊穿現象，如圖4所示。9區光伏組件接線盒異常統計結果如表1所示。

圖2 接線盒鼓出圖

圖3 接線盒燒毀圖

圖4 9區A1匯流箱電纜破損放電痕跡圖

表1 9區光伏組件接線盒異常統計表

以同樣的方式對11區進行了排查，共發現46塊光伏組件接線盒出現異常，具體如表2所示。

表2 11區組件接線盒異常統計表

1.2 事故線路絕緣測試

對所有故障回路的1×4 mm2和2×50 mm2電纜進行絕緣測試，未發現絕緣性變差的現象，也未出現電纜接地和短路現象。

1.3 通信線路檢查

檢查發現， 4區、6區、7區、8區、9區、10區及11區的箱變測控裝置中的RS485通信芯片處有明顯的弧光燒損現象，通信芯片損毀率達23.3%；4區、9區、10區、11區的CPU存在損壞現象。經排查，所有通信的弱電回路與其他強電回路均分開敷設，未見強電線路與弱電線路混合的情況，故排除由于電磁干擾、強弱電之間放電造成通信芯片燒毀的可能。

2 光伏組件熔斷器、接線盒的毀壞原理及其性能測試

結合現場相關情況可知，故障光伏組件背板未出現燒焦痕跡，且光伏組件未出現碎裂現象；將故障接線盒切除后發現，光伏組件可正常工作。測試發現，出現故障的光伏組件旁路二極管被擊穿。

2.1 熔斷器燒毀原理

熔斷器串聯于電路中，當過載或短路電流通過時，熔斷器內部金屬熔體會因發熱而熔斷，從而斷開電路。通過查詢Bussmann公司的PV-15A熔斷器的產品手冊，繪制其安-秒特性曲線，如圖5所示。

2.2 接線盒中二極管擊穿的原因分析

二極管的I-V特性曲線如圖6所示。

圖6中，A為正向導通臨界點；B為反向擊穿臨界點；UBR為反向擊穿電壓，當電壓超出UBR時，二極管被反向擊穿，I-V曲線就會變成一條垂直于橫坐標軸的直線，電流以tan90°的斜率爆發式增大，二極管燒毀。

圖5 熔斷器安-秒特性曲線

圖6 二極管I-V特性曲線

由圖6可知，光伏組件接線盒中二極管擊穿的原因主要有以下3種[10]：

1)正向擊穿：短路電流大于正向擊穿電流，即正向電流大于20 A。

2)電壓反向擊穿：反向電壓大于45±5 V，二極管反向擊穿。然而，電壓擊穿具備瞬時性，不一定會燒毀接線盒。

3)過熱反向擊穿：溫度高時，旁路二極管漏電流會急劇增加，從而反向擊穿。過熱擊穿必然伴隨著接線盒燒毀事故。

2.3 性能測試

本工程中光伏組件旁路二極管擊穿電壓為45±5 V，擊穿電流為20 A。為詳細了解熔斷器與二極管的工作特性，進行了以下現場實驗。

2.3.1 模擬組串壓差實驗

逆變器不運行時，對某個直流柜中的某個組串進行遮擋實驗，被遮擋組串的開路電壓為660 V，正常組串的開路電壓為820 V，同一直流柜中所有組串并聯連接。經測定，所形成的反灌電流為1.5 A，熔斷器、二極管均正常工作。

2.3.2 模擬組件串聯、并聯壓差實驗

模擬了6塊組件串聯后與1塊組件并聯后的壓差實驗，即240 V回路與40 V回路并聯。經測試，接通后組串電壓為43.7 V，電流為6.0 A，持續時間超過5 h后，二極管未出現擊穿。

2.3.3 模擬反灌電流實驗

將5組2塊組件串聯的回路(1#～5#)和1組1塊組件的回路(6#)進行并聯，獲得2倍的壓差，即80 V的開路電壓與40 V的開路電壓并聯，并進行以下實驗：

1)輻照度較小時的相關實驗。不串接熔斷器，反灌電流為20 A、持續運行時間為0.5 h與反灌電流為16 A、持續運行時間為1.5 h時，二極管均未出現擊穿、無燒毀現象。將6#組件串接15 A的熔斷器，電流由15.9 A持續上升至28 A，40 s后熔斷器熔斷，二極管未擊穿。

2)輻照度較大時的相關實驗。反灌電流保持為44 A，約10 s后接線盒出現冒煙和鼓出現象。用6#組串串接15 A的熔斷器進行實驗，反灌電流保持為44 A時，熔斷器迅速熔斷，用時約為3 s，但二極管未擊穿。

在保持壓差不變的前提下，增加2個2塊組件串聯的回路(7#、8#)，反灌電流保持為62 A，約4.5 s后接線盒燒毀。用6#組件串接15 A的熔斷器進行實驗，反灌電流保持為62 A時，熔斷器熔斷，用時約為1 s，但二極管未擊穿。

3)模擬高反灌電流實驗(二極管已失效)。對旁路二極管失效的光伏組件進行實驗，反灌電流保持為44 A，約1.6 s后接線盒出現冒煙和鼓出現象；反灌電流保持為62 A時，約0.7 s后接線盒燒毀。

當二極管燒毀速度比熔斷器熔斷速度慢時，熔斷器熔斷后，終止了對二極管的損害，二極管不會繼續燒毀。若二極管已經失效，二極管燒毀速度會大幅升高；且反灌電流越大，燒毀時間越短。當反灌電流大于62 A時，可能在熔斷器動作前二極管就已燒毀。

3 事故原因排查與分析

3.1 正向擊穿二極管的可能性分析

300 W的光伏組件，其銘牌顯示短路電流為8.91 A 、額定工作電流為8.37 A。導致該光伏組件二極管正向電流過大的原因可能是線間短路或接地短路造成的。

單串組件在開路狀態下單極接地不會產生接地電流，兩極短路接地電流不會大于8.91 A，不會造成二極管擊穿。

匯流狀態下短路及接地分為以下幾種情況：

1)光伏組件正、負極反接。經現場排查，未出現光伏組件正、負極反接的情況。

圖7 匯流單元短路示意圖

2)匯流電纜或匯流箱內部短路或接地。當一級匯流電纜(1×4 mm2)或二級匯流電纜(2×50 mm2)正、負極短路時，如圖7所示。離網狀態下，500 kW逆變器下的組串電流都會流向短路點。若按逆變器60%容量計算短路電流，則其電流值不小于593 A，在該電流下一級和二級匯流電纜均會被燒毀。

匯流電纜在開路狀態的單極接地不會產生接地電流，兩極接地可視為短路狀態。同時對現場匯流電纜進行絕緣檢測和觀察后，未發現短路、接地及燒毀現象。因此，可以排除一級和二級匯流電纜短路或接地造成光伏組件旁路二極管擊穿的可能。

圖8 光伏組件串接示意圖

圖9 1 MW光伏單元連接示意圖

3)組串間短路或接地短路產生的過電流。現場光伏系統的接線如圖8和圖9所示。

組串內多點接地相當于在兩點、多點間形成接地通路，致使接地通路內的光伏組件退出運行，則兩端接地點與匯流排之間的光伏組件承受的電壓差ΔU、反灌電流I可表示為：

式中，f為組串中靠近匯流排的接地點(端點接地點)與匯流排之間的光伏組件數。

式中，Ire為一級匯流排中單回路正常運行的組串供給的反灌電流，Ifn為300 W光伏組件銘牌上顯示的短路電流。

根據2.3節的測試記錄，當反漏電流大于62 A且燒毀速度足夠快時，有可能燒毀接線盒。但是，光伏廠區大面積的不同組串都出現多點接地事故的概率很低，且現場電纜檢測未發現組串電纜接地現象。因此，可排除組件內單點、多點接地造成反灌電流過大而燒毀接線盒的可能。

3.2 反向電壓擊穿二極管的可能性分析

由圖10可知，每個光伏組件均有3根旁路二極管串聯，若單根二極管的擊穿電壓為40 V，則1塊光伏組件的旁路二極管擊穿電壓為120 V。因此，必須大于2400 V的電壓才能擊穿1個組串中的20塊光伏組件。根據表1中的統計數據可知，20塊光伏組件的組串支路多達10個，現場任何一種工況均不會頻繁的產生2400 V的電壓差，因此，可以排除正常工況下反向過電壓造成大量組串支路組件旁路二極管全部燒毀的可能。

圖10 單塊光伏組件結構圖

3.3 過熱反向擊穿二極管的可能性分析

電流持續過大、溫度較高、接線盒散熱效果不佳時，可能會因為過熱導致旁路二極管反向擊穿。本項目中，故障分布區域相對較為集中，光伏組件旁路二極管擊穿現象比較規律，故障二極管數目較多，同時出現過熱事故的概率較低。

3.4 雷電電磁脈沖的可能性分析

故障發生期間，凌晨04∶25～04∶42在光伏場區周邊有雷擊放電現象，其中1#直擊雷和2#直擊雷距離光伏廠區較近，雷電感應過電壓可能導致本次故障。

經調查，光伏組件旁路二極管失效事故區域主要集中在雷電感應通道上，且位于靠近直擊雷的場區邊緣位置。現場測量發現，故障光伏組件所在區域的接地電阻為0.8 Ω，遠小于光伏場區接地電阻的要求(4 Ω)，可以排除接地不良或接地電阻過大導致過電壓擊穿光伏組件的可能。另一方面，光伏場區的接地網溝較淺，接地扁鋼裸露在土壤外，未進行覆土埋設；接地溝多為灰巖土質，一定程度上增加了雷電電磁脈沖引發事故的幾率。

圖11 接線盒損壞的光伏組件分布圖

3.5 其他異常現象分析

在無不合理接線且無強電干擾等情況下，光伏電站23.3%的區域出現箱變測控裝置的RS485通信芯片弧光燒損或芯片損毀現象，同時出現多個CPU損壞的現象，如圖12所示。結合通信芯片毀壞區域與感應雷通道位置圖，進一步佐證感應雷入侵是造成此次事故的原因。

3.6 排查結果

經過對事故的現象分析，故障因素排查，光伏組件旁路二極管、匯流回路熔斷器故障機理分析，通信芯片損毀與雷電調查分析等，初步判定雷電電磁脈沖壓是最有可能的事故原因。

圖12 通信板損毀情況圖

4 驗證

1)假設由于雷電沖擊造成超出二極管反向耐受電壓的感應電壓，電纜完好時，感應過電壓擊穿光伏組件旁路二極管，且二極管擊穿現象出現在靠近1#、2#直擊雷的場區的可能性更大。這與實際事故現象保持一致(故障區域集中在1#和2#直擊雷的雷電通道附近的9區、11區)。

2)另一方面，電纜損壞的線路，由于電纜絕緣破損，感應過電壓通過破損位置對地放電，電纜破損位置出現了灼燒痕跡，感應過電壓對地放電時旁路二極管被擊穿的可能性降低。故障現場電纜破損的A1回路無二極管燒毀現象，與理論推導一致。

3)本次雷電發生在雷雨天氣，光伏組件并未發電或發電功率極低；由于逆變器未并網，線路中存在的電流為組串之間的反灌電流。由于雷雨天氣，所有的光伏組件發電功率極低，甚至不發電，反灌電流較小，所以雷擊發生后的當天并未及時發現二極管的異常。

4)天氣晴朗后，光伏組件正常發電，故障組串間存在電壓差額，會造成較大的電流反灌現象。

4.1 組串中個別旁路二極管擊穿

天氣晴朗時，光伏組件工作在額定狀態下，僅少數幾個光伏組件旁路二極管會被擊穿，如圖13所示。

圖13 組串中個別旁路二極管擊穿圖

假設一級匯流排的電壓保持在額定電壓時，該失效旁路二極管中通過的電流為該組串的輸出電流 I′：

式中，P為單塊光伏組件額定功率；m為組串中光伏組件的個數；d為組串中旁路失效的光伏組件總數；UN為匯流排額定電壓；IN為光伏組件額定電流。

組串中3～6塊光伏組件旁路二極管擊穿現象約占事故回路總數的20%。根據公式(3)可知，經過故障二極管的電流不足以進一步燒毀二極管。

4.2 組串中大量旁路二極管擊穿

組串中大量旁路二極管擊穿圖如圖14所示。

圖14 組串中大量旁路二極管擊穿圖

單個組串中20塊光伏組件旁路二極管擊穿的事故現象最為頻繁，占事故回路總數的50%。組串中光伏組件旁路二極管全部擊穿，相當于一級匯流排短路。匯流排上的正常回路都將與故障組串回路之間形成反灌電流。

設n為同一個逆變器下組串中20塊光伏組件旁路二極管均擊穿的回路總數，則：

9區A逆變器內直流開關跳閘前的反灌電流為：

9區B逆變器內直流開關跳閘前的反灌電流為：

11區A逆變器內直流開關跳閘前的反灌電流為：

假設燒毀二極管所需能量恒定，則可知不同反灌電流下的燒毀時間；同時查詢熔斷器的I-V特性曲線，可得熔斷器的斷開時間，具體如表3所示。

表3 不同反灌電流時，二極管燒毀時間與熔斷器斷開時間

二極管的燒毀過程與熔斷器的熔斷過程同步進行，某個組串中的光伏組件旁路二極管完全擊穿的情況下，其反灌電流類似一級匯流排短路。由表3可知，組串完全擊穿的反灌電流能夠在熔斷器斷開前燒毀二極管。熔斷器斷開后，保護了光伏線路和光伏組件，充分驗證了組串回路安裝熔斷器的必要性。

組串中，8～12塊光伏組件旁路二極管事故現象約占事故回路總數的30%。組串中存在3～6塊光伏組件旁路二極管事故現象約占事故回路總數的20%。由于A4、A6、B6、A5匯流箱都存在組串完全擊穿現象，類似一級匯流排短路，所以其他失效二極管所在組串的反灌電流得到限制，被燒毀的可能性大幅降低，這與表1的統計數據基本一致。

5 總結與建議

本項目針對某30 MW光伏電站大范圍二極管擊穿事故進行了分析研究，得到以下結論：

1)雷電感應過電壓擊穿雷電通道附近區域光伏組件的旁路二極管。

2)天氣晴朗后，光伏組件旁路二極管擊穿的組串出現電壓差與反灌電流。反灌電流必須足夠大且持續時間足夠長，才能燒毀二極管。

3)反灌電流對二極管的燒毀過程與熔斷器的熔斷過程同步進行，只有二極管燒毀速度大于熔斷器熔斷速度時，才能燒毀二極管。熔斷器斷開后，終止了反灌電流對光伏設備、光伏組件的損害，驗證了組串回路安裝熔斷器的必要性。

4)需增加現場防直擊雷和感應雷的措施，如局部區域設避雷針、大型金屬良好接地、1×4 mm2電力電纜用金屬軟套管進行防護、2×50 mm2電纜和其他電力電纜將金屬鎧裝層進行接地、通信電纜用金屬軟套管進行防護、電纜禁止與接地扁鋼并溝埋設、盡快進行全場接地工作并進行驗收等。