商都天潤光伏電站匯流箱故障分析及解決方案

賈少榮 賈岳

摘? 要：光伏電站生產運行中匯流箱故障頻發，其中匯流箱通信故障在故障類型中占比最大，減少匯流箱通信故障十分必要。以光伏電站匯流箱運行記錄數據為依據，經實地調研并結合設備資料，分析得出匯流箱故障的主要原因是逆變器引入的高頻干擾和雷擊造成浪涌過電壓干擾，并提出相應措施。措施實施后能有效降低該光伏電站匯流箱故障發生頻率，對光伏電站減少設備故障頻次有借鑒意義。

關鍵詞：光伏電站匯流箱;通信故障分析;解決方案

中圖分類號：TM615;TP336? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0087-04

Fault Analysis and Solution of Junction Box in Shangdu

Tianrun Photovoltaic Power Station

JIA Shaorong，JIA Yue

（Three Gorges New Energy Siziwang Wind Power Co.，Ltd.，Ulanqab? 001800，China）

Abstract：In the production and operation of a photovoltaic power station，the junction box failure occurs frequently，and the communication failure of the junction box accounts for the largest proportion among the fault types. It is very necessary to reduce the communication failure of the junction box. Based on the operation record data of junction box in photovoltaic power station，through field investigation and combined with equipment data，it is concluded that the main causes of junction box fault are high-frequency interference introduced by inverter and surge overvoltage interference caused by lightning stroke，and corresponding measures are put forward. After the implementation of the measures，the failure frequency of the junction box of the photovoltaic power station can be effectively reduced，which has reference significance for the photovoltaic power station to reduce the frequency of equipment failure.

Keywords：junction box of photovoltaic power station;communication failure analysis;solution

0? 引? 言

光伏匯流箱作為電站的關鍵設備之一，實時采集和上傳光伏組件的電壓、電流等重要數據，起到承上啟下的作用，為分析、判斷光伏組件缺陷、故障提供可靠數據支持，對電站運行監控及各回路組件運行數據分析對比起到重要作用[1]。隨著通信技術的逐步發展，智能化、數字化、無人化將成為光伏電站的發展方向。因此，匯流箱設備的穩定性與其通信的可靠性顯得尤為重要。

1? 匯流箱故障問題

根據某光伏電站的現場調查，選取該光伏電站2月份至6月份時間段為參考并對故障類型作出分類。通過調取運行記錄，對光伏區280個匯流箱的運行情況進行匯總梳理，累計發生通信故障21次，支路熔斷器熔斷故障10次，防反二極管故障4次，斷路器跳閘故障2次，匯流箱燒毀故障1次，共計38次，如表1所示。

調查方式：查看運行記錄

根據匯流箱故障類型統計表顯示，故障類型中通信故障占總故障的55.26%，明顯高于其他幾類故障，且280個匯流箱通信故障月均4.2次，因此通信故障是造成光伏電站匯流箱故障率高的主要因素，給運行維護工作帶來諸多不便。

針對匯流箱通信故障頻發問題，通過調查該光伏站現場280臺匯流箱在2月至6月期間匯流箱故障數據統計分析如下，如表2所示。

根據表2，該光伏電場280臺匯流箱通信模塊燒毀故障月均1.8次，占通信總故障的42.86%，是造成通信系統故障次數偏高的主要原因。

2? 匯流箱通信故障原因分析

針對前節的統計調查，通過查閱相關資料和現場調研，分析可能引起匯流箱通信模塊發生故障因素有：電平幅值越限、逆變器運行時引入高頻干擾、感應電動勢干擾、雷電造成通信回路浪涌現象等，經逐一分析排查，結果如下。

2.1? 電平幅值越限

RS485標準定義了基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸速率和寬共模范圍的通信平臺[2]。RS485信號總線傳輸時，由于總線分布電感、電容及電阻的存在，信號傳輸有一定的延時，電壓與電流在傳輸過程中會產生一個與信號波方向相反的行波，稱為反射波。

反射波會造成信號振鈴、電平不穩、過沖等一系列問題。而電平幅值越限會使485芯片發熱損壞，更進一步會燒毀卡板。對RS485通信線的端差信號進行試驗分析，實測Vmax=2.76 V，Vmin=-2.31 V;對比485芯片手冊規定值，電平幅值實測值在規定范圍內，因此不具備損壞485芯片卡板的條件，該因素不作為造成通信故障的要因，故排除。

2.2? 逆變器運行時引入高頻干擾

共模電壓是逆變器運行過程中相對于地產生的，如果逆變器運行中未能有效抑制對共模電壓，產生的干擾信號則會通過匯流箱母線經斷路器輔助觸點開入、電源板輸出回路等途徑耦合到通信回路。

通過查閱3RM075L-8氣體放電管技術參數，在上升陡度為100 V/s和1 kV/μs的電壓作用下，放電管電壓初始放電值分別為（75±20%）V和700 V。經過對比，通信回路共模電壓峰值、上升速度滿足氣體放電管慢速放電動作條件，而氣體放電管長時間、持續性閃爍放電動作會使面板的溫度不斷升高導致氣體放電管損壞甚至燒毀整個PCB板。

2.3? 感應電動勢干擾

隨著白天光照強度不斷變化，匯流箱正負母排間電流不斷增加，電磁場強度逐漸增強，通信板兩端感應電動勢也會跟著變化，造成板件發熱燒毀。

通過現場測量5個匯流箱在光照峰值和低谷值時通信板兩端壓差，測量數據如表3所示。

從表3和圖1的分析可以看出光照峰值和低谷時通信板兩端壓差并沒有變化不明顯，由此可以看出光照增強感應電動勢干擾對匯流箱通信故障發生次數影響不大。

2.4? 通信回路浪涌過電壓干擾

雷擊、電力系統內部斷路器操作、負荷的投入切除等造成的系統內部狀態變化是設備產生浪涌等過電壓干擾的主要成因。

由于光伏電站所處地區海拔較高且設備多分布于光照充足的坡頂，因此匯流箱通信設備受雷雨季節雷電影響較大。當有雷電在設備附近活動時，通信回路形成浪涌等過電壓干擾，造成通信元件損壞。通過查閱運行記錄和有關資料，發現在雷雨季節發生通信故障次數明顯增多，表4為某光伏電站在該年3、4月和5、6月通信故障發生次數統計。

上表顯示，5、6月故障次數明顯增多，由此可以看出，雷電活動形成浪涌等過電壓干擾是造成匯流箱通信故障的主要原因之一。

綜上所述，造成匯流箱通信故障多的主要原因是逆變器引入的高頻干擾和雷擊造成浪涌過電壓干擾。

3? 解決方案

通過查閱匯流箱相關資料結合實地測試驗證，對造成匯流通信模塊故障的兩大要因，采取加裝防雷模塊和通信模塊增加接地線的方法來解決上述問題。

3.1? 加裝防雷模塊（浪涌保護器）

浪涌保護器通過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護電子設備，當電氣回路或通信線路中因外界干擾突然產生尖峰電流或電壓時，浪涌保護器能在極短時間內導通分流，避免浪涌對回路中其他設備損害[3]。當前匯流箱未安裝防雷模塊，起不到防止雷擊等原因造成的浪涌過電壓保護效果，在原有通信板供電電源側加裝防雷模塊，對通信設備形成防浪涌保護，如圖2、圖3所示。

3.2? 在通信模塊增加接地線

天潤光伏站現場RS485接線方式為通信柜側單端接地。GB 50217—2007《電力工程電纜設計規范》第3.6.9中規定：集成電路、微機保護的電流、電壓和信號的控制電纜屏蔽層，當電磁感應的干擾較大時，宜采用兩點接地;靜電感應的干擾較大，可用一點接地;雙重屏蔽或復合式總屏蔽，宜對內、外屏蔽分用一點、兩點接地[4]。根據設計規范，宜將RS485接線方式由單端接地改為雙端接地以減小或消除逆變器引入的高頻干擾。其優化后接地方式如圖4所示，實測RS485 A、B端共模數據如表5所示。優化后的RS485 A、B端共模干擾電壓無法滿足氣體放電管放電的電氣要求，且雙端接地后屏蔽層環流較低，通信信號正常。

4? 效果檢查

通過對280個匯流箱加裝防雷模塊，并對匯流箱接地方式進行改造后，我們對匯流箱通信故障追蹤觀察，統計后4個月匯流箱通信故障數據。計劃將通信模塊故障占比降低85%，通信模塊接地不良故障占比降低85%，通過理論計算得出匯流箱通信故障次數可降低為：

根據實際調查結果顯示（表6），流箱通信故障次數顯著降低，約為0.8/月·280個。通過對匯流箱加裝防浪涌模塊和加裝接地線，使雷電干擾和逆變器交流高頻干擾得到有效抑制，匯流箱通信故障明顯降低，證明針對性方案行之有效。

5? 結? 論

匯流箱作為光伏電站的重要設備，在匯流、防護及監測方面起到關鍵作用[5]。本文在實地調查內蒙古某光伏電站運行故障種類后，對故障占比較大的匯流箱通信故障原因進行分析，其主要成因是逆變器引入高頻電壓和雷雨天氣對電氣回路造成的浪涌過電壓干擾。通過對匯流箱通信模塊加裝地線和增設浪涌保護器的方法，有效減少了該光伏電站匯流箱通信故障的頻率，提高了設備運行的可靠性，直接地提高了發電廠生產運行的經濟效益，同時對其他光伏電站降低匯流箱故障頻率、提高其通信穩定性有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 任斌.光伏電站匯流箱通訊故障研究 [J].科學與財富，2018（17）：231-232.

[2] 程凱，孫克怡，曹偉，等.RS-485總線理論的應用與分析 [J].青島海洋大學學報（自然科學版），2003，33（5）：753-758.

[3] 陳裕祿.浪涌保護器的選擇應用 [J].通訊世界，2020，27（2）：174-175.

[4] 中國電力工程顧問集團西南電力設計院.電力工程電纜設計規范：GB50217-2007 [S].北京：人民出版社，2008.

[5] 魯錦鋒，王蒙，張婷，等.光伏匯流箱中RS485通訊抗干擾方法分析 [J].電子產品世界，2016，23（11）：57-58+72.

作者簡介：賈少榮（1983.04—），男，漢族，內蒙古烏蘭察布人，工程師，本科，研究方向：風力發電運維管理、電氣工程自動化;賈岳（1989.09—），男，漢族，內蒙古烏蘭察布人，工程師，本科，研究方向：風力發電技術及安全管理。