1500 V直流光伏發電系統中塑殼斷路器的性能研究

孫海濤，韓志剛，劉 毅

(施耐德電氣中國電力研發中心，上海 201203)

0 引言

光伏發電行業近年來得到了高速發展，光伏發電系統經歷了從600 V直流電壓到1000 V直流電壓，再到1500 V直流電壓的發展。1500 V直流光伏發電系統通過提升直流電壓降低了光伏電站的初始投資成本，為我國光伏行業走向平價上網時代提供了最好的助力[1]。

雖然成熟的1500 V直流光伏發電系統是光伏發電的降本利器，但由于1500 V是低壓直流配電系統中的最高電壓值，該高直流電壓值對光伏發電系統的安全運行提出了新的挑戰。相較于1000 V直流光伏發電系統，1500 V直流光伏發電系統的直流電壓提高了0.5倍，因此其對光伏發電系統的安全要求更高。

光伏發電系統作為低壓斷路器應用的一個嶄新領域，其較高的直流電壓和復雜的戶外使用環境，對低壓斷路器的工作性能、絕緣耐壓水平及分斷能力均提出了新要求。若選用的低壓斷路器的技術指標不能滿足光伏發電系統的設計要求，將會影響光伏發電系統的可靠運行，嚴重時甚至會引發火災?；诖?，本文從絕緣性能和全電流范圍內的分斷能力這2個方面，分析了1500 V直流光伏發電系統的高直流電壓對塑殼斷路器的特殊要求，并對比了單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的差異。

1 1500 V直流光伏發電系統對絕緣性能的要求

根據GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導則》中第3.6部分的要求，由于1500 V是低壓直流配電系統中的最高電壓值，相較于此前傳統的690 V交流配電系統，其在爬電距離和介電測試方面均有更高的要求。在1500 V直流配電系統的典型應用場景——光伏發電直流側，IEC 60364-7-712: 2017《Low voltage electrical installations—— Part 7-712: Requirements for special installations or locations——Solar photovoltaic (PV)power supply systems》中推薦采用Ⅱ類設備，參照GB/T 17045—2020《電擊防護裝置和設備的通用部分》中的定義。

由于IEC標準和UL標準對傳統的690 V交流配電系統與1500 V直流配電系統定義的爬電距離不同，因此對介電試驗電壓的要求也不同，具體對比如表1所示。表中：新產品是指全新的、未使用過的產品；試驗后產品是指根據標準中的流程進行試驗后的產品。

表1 不同配電系統在不同標準下的介電試驗電壓對比Table 1 Comparison of dielectric test voltage of different power distribution system under different standards

此外，長期的直流恒定磁場對絕緣材料絕緣性能產生的影響尚處于研究階段。

綜上可知，由于1500 V直流光伏發電系統為高直流電壓，因此在其采用的塑殼斷路器的設計中，不僅需要考慮新產品是否有足夠的爬電距離，還要考慮到產品若長期使用被污染后的有效爬電距離，以避免塑殼斷路器絕緣材料老化后發生介電擊穿的情況；以及需要考慮長期的直流恒定磁場對塑殼斷路器絕緣材料絕緣性能的影響。

2 時間常數對分斷能力的影響

由于在不同應用領域中直流配電系統的電路電感能量不同，因此其時間常數也不同[2]。時間常數對短路保護的影響非常大，現有的光伏發電相關標準中規定的時間常數為1 ms，但考慮到應用中電纜實際的線路長度和連接形式，時間常數通常要比1 ms大。

以雙斷點4P 250A/1500Vdc 塑殼斷路器( 下文簡稱為“雙斷點塑殼斷路器”)為研究對象，建立其短路分斷仿真模型。為了對比塑殼斷路器交流短路和直流短路時的結果，本仿真以其單極直流短路電流36 kA、系統額定工作電壓300 V(即36kA/300V)，對應的時間常數為15 ms作為假設條件。

雙斷點塑殼斷路器交流短路電流和直流短路電流的對比結果如圖1所示。

圖1 交流短路電流和直流短路電流的對比Fig. 1 Comparison of AC short circuit current and DC short circuit current

從圖1可以看出，由于雙斷點塑殼斷路器短路時限流，其實際達到的短路電流值比預期值低很多。直流短路電流的上升速度遠慢于交流短路電流的上升速度，且交流短路電流在3 ms時達到峰值，而直流短路電流在5.5 ms左右才達到峰值。

雙斷點塑殼斷路器的交流短路電弧電壓和直流短路電弧電壓的對比結果如圖2所示。

圖2 交流短路電弧電壓和直流短路電弧電壓的對比Fig. 2 Comparison of AC short circuit arc voltage and DC short circuit arc voltage

從圖2可以看出，相較于交流短路電弧電壓，直流短路電弧電壓的上升速度較為緩慢，且其燃弧時間也比交流短路的燃弧時間要長。

不同時間常數下直流短路的電流和電弧電壓對比如圖3所示。

圖3 不同時間常數下直流短路的電流和電弧電壓的對比Fig. 3 Comparison of current and arc voltage of DC short circuit with different time constants

從圖3可以看出，隨著時間常數從1 ms升高到5 ms，雙斷點塑殼斷路器的分斷時間越來越長，這意味著雙斷點塑殼斷路器越來越難切斷故障電流。

在36kA/300V條件下，不同時間常數時雙斷點塑殼斷路器的交流短路關鍵參數和直流短路關鍵參數的對比如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著時間常數的增大，直流短路的電弧能量顯著增大。

圖4 在36kA/300V條件下，不同時間常數時交流短路和直流短路的關鍵參數對比Fig. 4 Comparison of key parameters of AC short circuit and DC short circuit under different time constants at 36kA/300V

3 全電流范圍內的分斷能力

本文對全電流范圍內的分斷進行了定義，其主要包括以下4個部分：1)臨界負載電流；2)臨界過載電流；3)臨界分斷電流；4)極限分斷電流。全電流范圍內的分斷示意圖如圖5所示。圖中：In為塑殼斷路器的額定電流。

圖5 全電流范圍內的分斷示意圖Fig. 5 Schematic diagram of breaking within full current range

不同的電流均有各自的特點和分斷難點，下面進行詳細的分析。

3.1 臨界負載電流

臨界負載電流主要是指在光照不足時(比如清晨和傍晚)太陽電池回路出現的微小電流。臨界負載電流的特點是電流微小(4～64 A)，在不加永磁體的情況下，塑殼斷路器本身的氣吹和磁吹功能無法使電弧進入滅弧室，而是需要通過增加動觸頭開距來切斷電流。針對這一特點，

IEC 60947-2: 2016《Low-voltage switch gear and control gear——Part 2: Circuit-breakers》特別增加了附錄P 8.3.9的測試要求[3]。

對比雙斷點塑殼斷路器和單斷點3P 250A/1500Vdc塑殼斷路器(下文簡稱為“單斷點塑殼斷路器”)在臨界負載電流試驗下的燃弧時間，對比結果如圖6所示。

圖6 雙斷點塑殼斷路器和單斷點塑殼斷路器在臨界負載電流試驗下的燃弧時間對比Fig. 6 Comparison of arcing time between double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker under critical load current test

由于單斷點塑殼斷路器每一極只有1個斷口，所以需要通過增加產品高度來增大動觸頭開距，從而才能達到與雙斷點塑殼斷路器相同的切斷臨界負載電流的能力。

在達到相同臨界負載電流切斷效果的前提下，雙斷點塑殼斷路器與單斷點塑殼斷路器的尺寸及參數對比如表2所示。

從表2可以看出，單斷點塑殼斷路器需要更高的產品高度。

表2 在達到相同臨界負載電流切斷效果的前提下，雙斷點塑殼斷路器與單斷點塑殼斷路器的尺寸及參數對比Table 2 Comparison of dimensions and parameters of double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker under the premise of achieving the same critical load current cut-off effect

3.2 臨界過載電流和臨界分斷電流

臨界過載電流并不等同于臨界分斷電流。臨界分斷電流是指動觸頭剛好發生抖動時塑殼斷路器的電流，分斷的難點在于動觸頭僅微微抖動起弧，并未斥開，脫扣器也未打開機構，這時動觸頭間發生熱量集聚，造成動觸頭熔焊。臨界分斷電流的值一般約為15In。

臨界過載電流的值需要通過大量的試驗才能確定。一般以1 kA為間隔進行逐級試驗(1 kA為1級，最高不超過臨界分斷電流)，尋找燃弧時間最長時的電流。不同于臨界分斷電流試驗，臨界過載電流試驗的失敗現象并不是造成動觸頭熔焊，而是持續電弧燃燒，導致塑殼斷路器最終被燒毀。

雙斷點塑殼斷路器和單斷點塑殼斷路器在臨界過載電流為2 kA時的分斷示波對比圖如圖7所示?？梢钥闯觯瑔螖帱c塑殼斷路器在臨界過載電流為2 kA時出現了持續電弧燃燒的情況。

圖7 雙斷點塑殼斷路器和單斷點塑殼斷路器在臨界過載電流為2 kA時的分斷示波對比圖Fig. 7 Comparison diagram of breaking oscillogram of double breakpoint molded case circuit breaker and single breakpoint molded case circuit breaker when critical overload current is 2 kA

通過大量試驗發現，陰極電弧對臨界過載電流試驗存在較大影響。

電極的陰極和陽極弧根有不同的轉移方式，陽極弧根有跳躍通過阻擋物的能力，所以陽極弧根遇到臺階或間隙時，能一躍而下或一躍而過；而陰極弧根的運動是連續的，其只能沿著阻擋物表面連續運動[4]。短路試驗中，動觸頭分別接觸陽極和陰極時電弧的運動方式分別如圖8、圖9所示。圖中，t為電弧的運動時間，電弧產生時開始計時，此時t=0。

圖8 動觸頭接觸陽極時電弧的運動方式Fig. 8 Arc movement mode when moving contact contacts anode

圖9 動觸頭接觸陰極時電弧的運動方式Fig. 9 Arc movement mode when moving contact contacts cathode

從圖8、圖9可以發現，當動觸頭接觸陰極時，電弧更長，可以充分進入滅弧室，產生更高的電弧電壓；當動觸頭接觸陽極時，電弧很短，無法充分進入滅弧室，電弧電壓很低，弧根在動觸頭根部長時間停留，無法跳躍到滅弧柵片最上面的引弧角。

在各種接線方式下，雙斷點塑殼斷路器的8個斷口中必定有4個是長電弧、4個是短電弧，因此可以穩定分斷小電流。雙斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖如圖10所示。

圖10 雙斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖Fig. 10 Schematic diagram of polarity of moving contact of double breakpoint molded case circuit breaker

對于單斷點塑殼斷路器，其斷口必定出現2個長電弧和1個短電弧，或者是1個長電弧和2個短電弧。當采用“左正右負”進線方式時，單斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖如圖11所示；當采用“左負右正”進線方式時，單斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖如圖12所示。

圖11 采用“左正右負”進線方式時，單斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖Fig. 11 Schematic diagram of polarity of moving contact of single breakpoint molded case circuit breaker when“left positive and right negative”incoming line mode is adopted

圖12 采用“左負右正”進線方式時，單斷點塑殼斷路器的動觸頭接觸的極性示意圖Fig. 12 Schematic diagram of polarity of moving contact of single breakpoint molded case circuit breaker when “left negative and right positive”incoming line mode is adopted

從圖11、圖12中可以看出，當單斷點塑殼斷路器的接線方式正好導致其斷口出現1個長電弧和2個短電弧時，很容易導致斷路器分斷困難。

3.3 極限分斷電流

極限分斷電流是指斷路器可以分斷的最大故障電流。

單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的極限分斷電流試驗的分斷示波圖對比如圖13所示。

從圖13可以看出：

圖13 單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的極限分斷電流試驗的分斷波形對比Fig. 13 Comparison of breaking waveforms of limit breaking current test between single breakpoint molded case circuit breaker and double breakpoint molded case circuit breaker

1)雙斷點塑殼斷路器的短路電弧電壓更高，且短路電弧電壓上升更快；

2)雙斷點塑殼斷路器對短路電流的限制效果更好；

3)雙斷點塑殼斷路器較高的電弧電壓和良好的限流能力，使其每次的分斷時間比單斷點塑殼斷路器的分斷時間縮短了約25%，大幅降低了動觸頭的損傷程度和塑殼斷路器內部的污染程度，從而使其后續的操作性能、溫升、介電試驗性能更佳。

單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的極限短路分斷的關鍵參數對比如表3所示。表中：Icu為額定極限短路分斷能力(電流值)；Ics為額定運行短路分斷能力(電流值)；Umax為最大電弧電壓；Ip為實際到達最大電流值；Tmb為電弧燃燒時間。

表3 單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的極限短路分斷的關鍵參數對比Table 3 Comparison of key parameters of limit short circuit breaking between single breakpoint molded case circuit breaker and double breakpoint molded case circuit breaker

4 結論

為適應1500 V直流光伏發電系統，本文結合理論標準和實驗數據，從絕緣性能和全電流范圍內的分斷能力2個方面，對1500 V直流光伏發電系統的高直流電壓對塑殼斷路器的特殊要求進行了研究。由于1500 V直流光伏發電系統對絕緣性能的更高要求，需要考慮塑殼斷路器在全電流范圍內的分斷性能。本文還對單斷點塑殼斷路器和雙斷點塑殼斷路器的差異進行了對比，研究結果表明：雙斷點塑殼斷路器的高度較小，相較于單斷點塑殼斷路器，同體積下，其短路電弧電壓高，分斷能力強；動觸頭分別接觸正、負極，其應對陰極短電弧的能力強。