不同型號光伏連接器間的匹配性研究

朱華

摘 要：通過對當前光伏電站中發生火災及設備失效等現象的調研與分析，發現很多火災和失效現象是由光伏組件連接器間互接或光伏組件連接器與匯流箱及逆變器的連接器間等不匹配造成。通過設計一系列的機械應力、環境應力、接觸阻抗等實驗來模擬光伏連接器的實際使用，并設計25種匹配方案進行測試研究。研究結果表明：光伏連接器的接觸電阻變化率體現直流拉弧的概率，有6種非原配光伏連接器在實驗后的接觸電阻增大率接近或超過100%，光伏連接器的直流拉弧概率極大，有非常大的火災風險；有7種非原配光伏連接器在實驗后的接觸電阻變化率小于10%，其發生直流拉弧概率沒有增大。該結論可為進一步解決實際應用和建立連接器匹配標準提供理論和實驗依據，提高光伏電站火災預防能力，并規范光伏連接器市場。

關鍵詞：光伏電站；光伏連接器；匹配性；直流拉弧

中圖分類號：TM642+.3 文獻標志碼：A

0? 引言

眾所周知，目前中國光伏產業在全球處于遙遙領先地位，光伏組件制造能力和光伏發電裝機量均為全球第一，2022年中國光伏組件產量達288.7 GW，同比增長58.8%。2022年全球光伏發電新增裝機量達230 GW，同比增長35.3%，累計裝機量約為1156 GW；其中，中國2022年新增裝機量為87.41 GW，同比增加59.3%，占全球新增裝機量的40%左右。

然而，在裝機量和光伏組件產量如此巨大的情況下，光伏連接器被越來越多地發現存在直流拉弧、熔斷等各類問題，甚至導致出現很嚴重的火災。光伏發電系統發生火災的原因可分為直流電弧故障和光伏組件局部過熱。與交流電弧相比，直流電弧故障更加危險，因為一旦電弧形成，直流電弧沒有過零點，著火后就會持續燃燒，很難熄滅，而且設備很容易被燒毀。美國、德國和意大利的統計數據表明，大量的光伏發電系統直流電弧故障事件已導致火災和重大損失的發生[1-2]。當光伏組件著火時，不僅會導致發電量減少，還會排放有毒氣體（例如HF、HCl），從而造成財產損失、人員傷害甚至出現死亡[3-4]。根據文獻[5]的統計，光伏電站火災事故一半以上是由直流電弧引起的。隨著光伏組件功率越來越大，光伏發電系統直流側的功率和電流也隨之增大。根據焦耳定律，電流每增加1倍，短路點的熱效應增加4倍，引起火災的風險也大幅增加。2009年，美國加利福尼亞州一家零售店的屋頂光伏發電系統發生火災，損壞了1826塊光伏組件[6]。同年，荷蘭又記錄了15起與光伏組件相關的火災事件[7]。2012年，德國戈赫的一個倉庫發生了與光伏組件相關的火災，燒毀了約4000 m2的屋頂面積[8]。2013年，美國新澤西州的一個食品倉庫發生了另一起重大火災事件，倉庫屋頂覆蓋了7000塊光伏組件[8]。在2020年4月至2021年6月期間，亞馬遜公司在某47個安裝有太陽能設施的北美站點中，至少有6個經歷了“嚴重的火災或電弧閃光事件”，影響了12.7%的相關設施使用[9]。

1? 測試評估方案背景

在光伏電站中，光伏連接器是光伏發電系統中各個部件間必不可少的連接部件，如圖1中（紅框部分）所示，其起著承上啟下的中間連接作用，連接著光伏組件、匯流箱、逆變器、匯流線纜等幾乎所有關鍵部件。因此連接器是光伏系統中極其重要的互聯部件。然而，在一個大型的光伏電站中，通常會使用不同廠家的光伏組件、匯流箱及逆變器，不同廠家的光伏組件可能導致連接器來自不同廠家或采用不同型號。即使光伏組件來自于同一廠家，也會由于廠家考慮到原材料供應鏈等原因，導致同一型號光伏組件可能配置不同型號的連接器。此外，光伏組件用連接器與匯流箱或逆變器用連接器也經常出現廠家和型號不一致的情況，所以在同一個光伏電站中，常看到互聯的連接器來自兩個不同的廠家或不同的型號。

通過調查國內外光伏電站各類事故，特別是火災事故，發現有相當大一部分是由于連接器間互聯部分的連接不可靠，接觸電阻過大，密封性不嚴密等原因造成直流拉弧，過熱等現象，最終導致連接器熔融，甚至有火災發生，如圖2所示。

通過對火災等事故進一步分析，發現發生該類事故的主要原因有：

1） 不同型號連接器互相搭配使用，導致正負極連接器使用線纜線徑不一致，以及正負極插緊時會出現較大縫隙的情況，如圖3所示。

2） 連接器使用了不互配的線纜（連接正負極連接器的兩端線纜外徑、金屬股數等均不相同），如圖4所示。

3） 連接器的螺帽擰緊時緊度不一，導致連接器的密封性變差及內部接插金屬件間接觸不可靠，如圖5所示。

4） 連接器在電站現場裝配時，漏裝了連接器

尾部密封部件，或存在不同型號的正負極螺帽規格尺寸不一致的情況，如圖6所示。

5） 線纜和光伏連接器安裝連接不可靠，線纜連接頭從接口處斷裂甚至脫離，經過現場具體分析，原因是現場散裝連接器和線纜裝配時，線纜剝線裸露金屬長度不夠，現場缺少安裝指導工藝文件，如圖7所示。

2? 測試評估方案流程及意義

2.1? 測試評估方案流程

針對以上第2）～5）點原因進行分析，發現主要是由于光伏電站安裝過程中質量管控不到位，光伏電站現場裝配工藝要求不完善，現場安裝環境條件不滿足要求及裝配工具不合適等原因造成，這些都可以理解為人為原因。

在常規大型光伏電站中，由于光伏部件可能來自不同廠家，導致出現光伏組件型號不一致，同一型號光伏組件上自帶不同型號的連接器，連接器的正負極部分不是同一配對型號等情況，這樣有可能會因兩個互聯連接器間的失配而導致接觸電阻過大，引起火災。該現象是系統性的，不是連接器自身質量原因導致的。

通過以上研究和分析，根據光伏連接器的結構和正負極連接匹配要求，考慮了光伏連接器在戶外長期因高低溫應力環境，腐蝕環境，濕度等環境應力影響下，在長期使用后可能導致正負極連接器間接觸電阻急劇增大的現象，也考慮了光伏連接器在戶外由于機械應力的作用下導致連接不可靠的現象，制定了評估光伏連接器匹配性測試程序，具體如圖8所示：

測試程序說明：外觀檢查：連接器是否有開裂、變形、變色、裝配不完全等異常；B1：測量正負極連接器連接后的接觸電阻[10]；額定電流：使正負極連接好的連接器通35 A電流，1 h后，用紅外相機測量連接器本體溫度分布；機械操作：插拔速度約0.01 m/s，在連接器分開的位置停留約30 s，需插拔共1000次；干熱測試：測試條件為90 ℃，5 h；溫度變化：測試要求為TC 200，共200個循環；濕熱測試：測試條件為90 ℃，95 RH，1000 h[11]；腐蝕測試：根據ISO 22479：2019《 Corrosion of metals and alloys ——Sulfur dioxide test in a humid atmosphere （fixed gas method）》的濕度及一般凝結二氧化硫測試，實驗持續時間為24 h[12]。

2.2? 測試評估方案意義

該測試評估方案主要是針對上述光伏連接器現象而給出的測試評估方案。

若該測試評估方案科學可行，即可在使用前就評估不同型號連接器是否可互配使用，其現實意義如下：

1） 對于當前大裝機容量的光伏電站而言，可以預先評估是否存在火災風險，避免由于連接器失配導致事故發生，達到預防和整改目的；

2） 對于即將建設的新光伏電站，通過該評估方案的連接器是否可互配使用，可以使光伏電站現場有更多的采購選擇；

3） 可以促進光伏連接器產品互配的標準化和通用性，引導光伏產業更加安全，健康的發展；

4） 可以進一步規范光伏連接器市場，防止不規范產品使用，特別是不符合匹配性要求的散裝光伏連接器進入終端市場。

3? 實驗驗證

根據以上測試方案，該測試實驗選取了5個廠家的成套連接器為實驗對象，5個廠家的成套連接器分別取名為A+/A-、B+/B-、C+/C-、D+/D-、E+/E-，每個廠家的樣品數量各5套（所有連接器所帶線纜長度均為5 cm，剝線長度均為1 cm）。為充分分析這5家（5組）連接器的正負極間混搭使用后的現象，現設計混搭匹配方案，共25種，以評估其所有搭配可能使用的情況，如表1所示。

對這5組共25種搭配，在經過如上測試方案中的系列測試后（圖8），得出實驗結果，如表2所示。

根據表2中的實驗結果及現象，得出結論如下：

1） 從匹配方案1、6、11、16、21來看，同一廠家的原配連接器組在實驗結束后的接觸電阻變化率最小，這些匹配方案下的最大接觸電阻變化率為28.26%；

2） 從除原配（匹配方案1、6、11、16、21）外的20組連接器匹配方案數據來看，其接觸電阻總體上比原配方案的接觸電阻大，其最大接觸電阻變化率為124.23%，有6組光伏連接器在實驗后，其接觸電阻增大接近或超過100%，有7組光伏連接器在實驗后，接觸電阻變化率小于10%；

3） 從各種匹配方案下所拍的紅外圖像看，溫度大小與其接觸電阻可以一一對應，即接觸電阻大的連接器匹配方案，其連接器溫度也相對較高，可以證明該方法科學有效，能體現實際工況；

4） 從匹配方案14、18、22的數據來看，也并非所有非原配連接器方案的接觸電阻都會大幅增大，其最大接觸電阻變化率僅為2.56%。

4 結論

本文通過對光伏連接器設計一系列的機械應力、環境應力、接觸阻抗等實驗來模擬其實際使用情況，并設計了25種匹配方案進行實驗。實驗結果顯示：

1）有6種（占連接器匹配方案的24%）非原配光伏連接器在實驗后，其接觸電阻增大率接近或超過100%，這種連接器的直流拉弧概率極大，有非常大的火災風險；

2）有7種（其連接器匹配組合占比28%）非原配光伏連接器在實驗后，接觸電阻變化率小于10%，其發生直流拉弧概率沒有增大；

3）由實驗結果可以分析出，該實驗方法科學有效，其數據能體現實際應用工況；

4）接觸電阻是評價連接器連接是否可靠的重要參數，因此建議將該參數寫入連接器標準的額定值的要求中。

[參考文獻]

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STUDY ON MATCHING BETWEEN DIFFERENT?TYPES OF PV CONNECTORS

Zhu Hua

（UL Solutions office in Suzhou，Suzhou 215122，China）

Abstract：Through research and analysis of the current occurrence of fires and power station failures in PV power plants，it has been found that many fires and failure phenomena are caused by interconnections between PV module connectors or mismatches between PV module connectors，combiner boxes，and inverters. This article simulates the actual use of PV connectors by designing a series of mechanical stress，environmental stress，contact resistance and other experiments，and designs twenty-five matching schemes for testing and research. The research results indicate that the change rate of contact resistance of PV connectors reflects the probability of DC arcing. Six types of non original PV connectors have a contact resistance increase rate close to or exceeding 100% after the experiment，and the probability of DC arcing of PV connectors is extremely high，with a very high fire risk；There are seven types of non original PV connectors whose contact resistance change rate is less than 10% after the experiment，and their probability of DC arcing does not increase. This conclusion can provide theoretical and experimental basis for further solving practical applications and establishing connector matching standards，improving the fire prevention ability of PV power plants，and standardizing the PV connector market.

Keywords：PV power station；PV connector；matching；DC arcing