非隔離型光伏逆變器電氣安全距離設計

西安麥格米特電氣有限公司 劉 勇

深圳麥格米特電氣股份有限公司 李 志

光伏逆變器是一種雙向電源系統的電力電子設備，一般輸入和輸出電壓高、戶外使用、非隔離，因此電氣安全隔離設計至關重要。本文從光伏逆變器的安全應用角度，提出光伏逆變器需要絕緣設計的位置，針對絕緣設計的位置，結合絕緣類型、工作電壓、海拔、材料等級、暫態電壓、沖擊電壓等應用場景，進行絕緣設計分析和設計，使之滿足光伏逆變器的電氣安全距離設計要求及現場的安全應用。光伏逆變器是將光伏（PV）太陽能電池板產生的可變直流電壓轉換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，可以并網到輸電系統，亦可供離網的電網或負載使用。

光伏逆變器是一種雙向電源系統，其具有以下特點：（1）輸入側為PV電源系統，輸出側為AC電源系統，且輸入和輸出電路不隔離。（2）光伏逆變器的輸入和輸出電壓較高，一般輸入電壓為500～1000 Vdc，最高到1500 Vdc，輸出電壓一般為220～400 Vac，最高達800 Vac。（3）逆變器在戶外使用，使用環境較惡劣。因此，光伏逆變器特殊的電氣特性及應用場景，決定了光伏逆變器需要進行良好的電氣安全絕緣和電氣安全距離設計。

1 光伏逆變器電氣絕緣和防護設計要求

光伏逆變器在目前的大部分應用中，通過金屬外殼對帶電部件進行隔離和絕緣，外部僅有絕緣的輸入和輸出線纜及可觸及的外部通訊線纜。從電氣絕緣和安全的設計要素考慮，需要進行絕緣設計的部位包括帶電部件對機殼的安全絕緣和帶電部件對外部通訊電路的安全絕緣。光伏逆變器與一般的電氣工業產品一樣，其電氣絕緣設計需要達到加強或雙重絕緣的設計要求，接大地被認為是能提供一重保護。因此，系統帶電部件到接地外殼的絕緣需要達到基本絕緣的設計要求，帶電部件到外部可觸及通訊電路要求達到加強或雙重絕緣的要求。

2 光伏逆變器電氣絕緣系統分析

光伏逆變器系統主要包括BOOST升壓電路、逆變電路、控制電路及外部通訊電路。從圖1看出，光伏逆變器的PV輸入升壓電路和逆變器輸出電路之間沒有隔離，而控制電路需要采用BOOST電路及逆變電路的電壓、電流并對這些開關電路進行控制。從電路功能、簡化設計、節約成本的角度考慮，一般不再對輸入輸出帶電電路與控制電路進行特別的隔離和絕緣設計，而是統一按功能絕緣進行設計。

圖1 光伏逆變器電氣絕緣示意圖

金屬防護外殼在正常操作過程中容易觸及，屬于可觸及的部件。從安全角度考慮，光伏逆變器常常設計為I類設備，因此，金屬外殼必須可靠接地，達到冗余接地設計和保護接地截面積的要求，即帶電部件和金屬接地外殼之間必須滿足基本絕緣的電氣安全和距離設計。外部通訊電路需要在各個系統之間進行通訊，而且需要接到通訊中心進行管理和維護。通訊電路不接地，一般作為II類絕緣結構存在，因此，通訊電路和帶電部件需要進行加強絕緣的電氣安全和距離設計。經過上述分析，從圖1看出，1和2為需要進行電氣安全和距離設計的位置，3和4屬于功能絕緣的位置。

表1 電壓電路的絕緣電壓要求

3 電氣安全距離設計

3.1 電氣間隙設計

（1）系統電壓的確定

由于光伏逆變器為雙向電源系統，電氣安全距離的確定以系統電壓為參考電壓。PV測的系統電壓為PV側開口電壓。交流輸出的連接一般具有TN、TT、IT三種連接方式。對于TN、TT系統，系統電壓為相對地電壓。對于IT系統，相電壓對虛擬中點的電壓作為決定沖擊電壓的系統電壓，而相與相電壓作為決定暫態過電壓的系統電壓。

（2）過電壓等級類型的決定

電氣間隙除了需要考慮系統電壓外，還要考慮系統中承受的過電壓類型。對于光伏逆變器，其直流側定義為II類過電壓等級。對于交流測，如果直接連接到電網則定義為過電壓等級OVC IV；如果通過升壓隔離變壓器并網，則電網側的過電壓等級定義為OVC III。

（3）沖擊電壓和暫態瞬變的決定

對于開口電壓為1000 V的PV輸入電壓，380 V交流輸出電壓的光伏逆變器。從PV測看，其工作電壓為1000 Vdc；從交流測看，工作電壓為380 Vac，其電壓一般為電網所鉗位。

對于連接到TN系統的電網，光伏逆變器交流測系統電壓為220 V，如果直接并網，根據IEC62109-1及表1，其決定的沖擊電壓為6000 V，決定的暫態過電壓為2120 Vdc/1500 Vac；對于直流側1000 Vdc， 根據IEC62109-1及表1進行插值，決定的沖擊電壓為4464 V。決定電氣間隙設計時，根據交直流不同的工作電壓、沖擊電壓、暫態電壓三者取最嚴酷者進行設計。

對于連接到IT系統的電網，決定沖擊電壓時，光伏逆變器交流測系統電壓為220 V，這類系統一般非直接并網，按表1，則決定的沖擊電壓為4000 V。決定暫態電壓時，光伏逆變器交流測系統電壓為380 V，根據IEC62109-1及表1，決定的暫態電壓為2550 Vdc/1800 Vac；對于直流側1000 Vdc，根據IEC62109-1及表1，決定的沖擊電壓為4464 V。對于IT系統，決定電氣間隙設計時，同樣是根據交直流不同的工作電壓、沖擊電壓和暫態電壓三者取嚴酷者進行設計。

（4）海拔對電氣間隙設計的影響系數

一般標準定義的電氣間隙設計值是針對于2000 m海拔的設計數值，海拔因子為1。光伏逆變器由于其應用環境較復雜，往往會應用于較高的海拔，海拔對電氣間隙設計的影響系數也至關重要，根據IEC62109-1及表2，海拔對電氣間隙的影響系數如表2。

表2 電氣間隙的海拔影響因子

（5）電氣間隙設計

對于與連接到TN系統的電網，光伏逆變器交流測系統電壓為220 V，如果直接并網，決定的沖擊電壓為6000 V，決定的暫態電壓為2120 Vdc/1500 Vac；對于直流側1000 Vdc，決定的沖擊電壓為4464 V。按IEC62109-1及表3，6000 V沖擊電壓對應的電氣間隙設計值為5.5 mm；按IEC62109-1及表3，2121 Vdc暫態峰值電壓對應的電氣間隙設計值小于3.0 mm；PV側1000 V系統電壓對應的沖擊電壓為4464 V，按IEC62109-1及表3，4464 V沖擊電壓決定的電氣間隙設計值為3.8 mm；按IEC62109-1及表3，1000 V的工作電壓對應的電氣間隙為1.5 mm。因此，系統電氣間隙最終設計值取最嚴酷者為5.5 mm。對于4000 m海拔，系統電氣間隙設計值為5.5×1.29=7.1 mm。

表3 電氣間隙設計參考表

對于與連接到IT系統的電網，決定沖擊電壓時，光伏逆變器交流測系統電壓為220 V，如果非直接并網，則決定的沖擊電壓為4000 V；決定暫態電壓時，光伏逆變器交流測系統電壓為380 V，則決定的暫態電壓為2550 Vdc/1800 Vac；對于直流側1000 Vdc， 決定的沖擊電壓為4464 V。通過IEC62109-1及表3可以看出，由直流側4464 V沖擊電壓決定的電氣間隙為3.8 mm；由暫態峰值電壓2550 V決定的電氣間隙為3.0 mm；由交流測4000 V沖擊電壓決定的電氣間隙為3.0 mm；由系統最大工作電壓1000 V決定的電氣間隙為1.5 mm。因此，系統電氣間隙最終設計值為3.8 mm，對于海拔為4000 m，則系統電氣間隙設計值為3.8×1.29=5.0 mm。

加強絕緣的電氣間隙設計值為上述基本絕緣沖擊電壓的下一個沖擊電壓對應的電氣間隙設計數值。

3.2 爬電距離設計

（1）工作電壓的決定

針對PV輸入1000 Vdc，交流輸出380 Vac的光伏逆變器，其系統最大工作電壓有效值為1000 Vdc，此電壓作為爬電距離設計的參考電壓。

（2）材料等級的決定

從絕緣材料的漏電起痕指數來分類，絕緣材料的等級分為CTI I、CTI II、CTI IIIa、CTI IIIb。同一工作電壓下，不同絕緣材料的CTI等級對應不同的爬電距離設計數值。

對于陶瓷、玻璃等不會引起漏電起痕的絕緣材料，其爬電距離可以降低到電氣間隙的設計數值。但電氣間隙大于爬電距離時，將電氣間隙作為爬電距離設計數值。

對于PCB表面的爬電設計，其PCB CTI等級需要大于等于IIIa。

（3）污染等級的決定

光伏逆變器的應用環境一般為戶外，因此其污染等級為PD3。在戶外使用時，內部電路考慮防水和防塵設計，在外殼的防護等級大于IP54時，其內部電路的污染等級可以降低為污染等級PD2。

對于PCB內層的同層絕緣布線，一般按PD1的污染等級進行爬電距離設計，電氣間隙設計與PCB表面一致；或者按固體絕緣進行設計，滿足熱循環及絕緣測試的要求，此時將內層布線設計為1 mm進行熱循環試驗及絕緣試驗，如果測試通過，則內層可按1 mm進行固體絕緣設計，否則加大內層絕緣設計的距離并重新試驗，直到滿足試驗要求。PCB上下層的至少大于0.4 mm，以滿足絕緣穿透絕緣的設計要求。

（4）其他絕緣材料的考慮

對于光伏逆變器，除了PCB的絕緣部件外，還有變壓器絕緣材料、麥拉片絕緣膜等絕緣材料，這類材料一般沒有按絕緣材料CTI等級進行劃分，因此在按其他絕緣材料進行爬電距離設計時，一般按CTI IIIa、IIIb的材料等級進行爬電距離設計。

（5）爬電距離設計

針對1000 V輸入，380 V輸入的光伏逆變器，由于其最大工作電壓有效值為1000 Vdc. 因此對于PCB表層布線，需要滿足5 mm的基本絕緣要求，基本絕緣需要滿足1 mm/200 V的設計。對于其他絕緣材料，如隔離變壓器內部，由于其材料一般都為IIIa、IIIb，因此其爬電距離至少為10 mm；對于PCB內層的同層布線，1000 V工作電壓下，其爬電距離最小3.2 mm，如果計算的電氣間隙小于爬電距離，則PCB內層的同層之間的絕緣布線最小為3.2 mm，否則為電氣間隙設計數值；對于PCB各個層之間絕緣穿透距離，最小為0.4 mm或者至少2層的PP模達到雙重絕緣的要求。

爬電距離和電氣間隙設計值需要協調設計，即計算的爬電距離小于電氣間隙時，爬電距離應該上升到電氣間隙設計數值。加強絕緣的爬電距離為上述基本絕緣的爬電距離設計的2倍。

4 功能絕緣的安全距離設計

對于功能絕緣的設計，電氣間隙設計值為可以通過降一級過電壓等級進行設計，功能絕緣的爬電距離與基本絕緣的爬電距離設計值一樣。如果功能絕緣的設計值小于要求的數值，則需要PCB的阻燃等級達到V-0，PCB材料的CTI等級為IIIa及以上，并且滿足PCB短路試驗測試要求，即短路試驗后不發生著火或電氣絕緣損壞的情況。

針對圖1中3的位置，1000 V輸入電路的功能絕緣的距離需要達到5.0 mm的要求；圖1中4的位置，380 V輸出的功能絕緣的距離，在不考慮海拔時，至少要達到3.0 mm的設計要求。

結語：本文通過對一種非隔離的光伏逆變器的電氣絕緣系統進行分析，提出了絕緣設計的要求，并針對絕緣設計的要求進行電氣安全距離設計，能有效的保證光伏逆變器的電氣安全要求及絕緣可靠性要求。