浅析低压电器在光伏发电系统的适用性

浙江省质量检测科学研究院低压电器检测中心 ■ 王国忠 张正

北京鉴衡认证中心 ■ 刘璇璇

0 引言

在全球能源安全和气候问题日趋严峻的形势下，太阳能作为地球上最丰富、分布最广的可再生能源日益受到重视。近年，由于技术进步、成本降低，以及财政部、能源局联合启动“金太阳示范工程”的鼓励，我国光伏产业得到飞速发展，装机量不断攀升。根据国家能源局提供的数据，截止到2012年底，光伏发电装机由基本空白增加到7 GW，预计2013年光伏发电装机为10 GW[1]。

随着光伏发电系统(或称光伏电站)在国内的推广应用，大量的低压电器应用于其输电电路中，承担保护、控制、隔离及连接电路等作用。光伏电站作为低压电器应用的一个崭新领域，其较高的直流电压(设计电压可达1 000 V)和复杂的户外使用环境，对低压电器的工作性能，绝缘耐压水平及分断能力提出了新的要求。若选用的产品技术指标不能满足光伏电站的设计要求，会影响电站的可靠运行，严重时甚至会引起火灾。本文主要分析安装于直流侧的光伏汇流箱(或光伏汇流柜)内的低压电器在光伏系统的适用性。

1 光伏电站运行的环境与电路分析

研究低压电器在光伏发电系统的适用性，首先要研究光伏电站运行环境及其电路。对几十家光伏电站现场检测，其光伏电站的运行环境及电路有如下特点。

1.1 光伏发电系统的环境特性

太阳能光伏发电系统安装于户外，经受高温、低温、雨水，沙尘等恶劣环境的影响。如在我国新疆和田地区，极端高温可达41.6 ℃。户外安装光伏汇流箱为了防止沙尘和雨水的危害，防护等级一般达到IP65，这又会导致散热受到影响，某些地区汇流箱内温度可达50～60 ℃，选择元器件时必须考虑温度对低压元器件工作性能的影响。

1.2 电路分析

在光伏发电系统中，为了降低输电电路的能量损耗，提高系统的发电效率，一般采用若干光伏组件串联的方式获得高电压；同时为了节约电缆，降低光伏电站的建设成本，采用若干个光伏组串并联接入汇流箱的方式，如图1所示。

图1 光伏发电系统的结构示意图

光伏产业发展初期，系统电压由于逆变器技术的限制只能达到200～300 V，之后随着逆变器额定工作电压的提升可达到600～1 000 V；近年来甚至出现了1 100 V的逆变器，这意味着光伏发电系统的系统电压可达到1 000 V以上。在我国，大型光伏发电系统的最大系统电压一般设计成700～800 V之间。

在光伏方阵中，光伏组串电流一般为几至十几安培，经汇流箱汇总输出后的光伏子方阵电流为几十至几百安培，根据需要光伏方阵中可能需要二次汇流达到上千安培。

光伏发电系统高直流电压，大电流的电气特性对低压元器件的工作性能尤其是灭弧能力提出了较高要求。

2 光伏汇流箱内装低压电器种类及其作用

光伏汇流箱是将光伏组串连接，实现光伏组串间并联的箱体，并将必要的保护器件安装在此箱体，实现汇流、保护的功能，也可能安装监控模块对光伏组串的工作状态进行监测。光伏汇流箱电气原理如图2所示。

由图2可知，光伏汇流箱中安装的器件主要有：熔断器、断路器或隔离开关、直流电涌保护器SPD；智能型汇流箱还装有电源模块、智能控制器、电压传感器、电流传感器等。本文着重研讨熔断器、断路器或隔离开关、浪涌保护器SPD的选型问题。

图2 光伏汇流箱的电气原理图

低压电器的作用包括：

1) 熔断器：熔断器在电路中起过流保护作用，其内部由一根金属丝或金属片可熔体构成，当有大电流通过时，可熔体熔断，切断故障电路，保护设备及导线。

2) 断路器：断路器在电路中既可用作过流保护器件，也可作为开关器件来断、开电路。光伏系统相当于电流源，短路电流是标称额定电流的约1.25倍，因此，在光伏系统中，主要依靠断路器的热脱口器在电流达到一定数值时经过一段时间后动作，断开电路。

3) 直流隔离开关：当负载侧发生电路故障需检修时，切断电路，对维修者与电源间起隔离作用。

4) 电涌保护器：用来限制瞬态过电压和转移电涌电流的器件。当电路受到雷击及开关过电压影响时，电涌保护器由高阻变为低阻状态，对地导通，泄放电流，保护设备。

3 光伏发电系统低压电器选型要点

基于光伏电站工作环境与电路特点，安装在汇流箱内的低压电器有其特殊性。由于直流电弧的熄灭困难，在产品选型上尤其不能用交流产品替代。

3.1 太阳能光伏系统保护用熔断器

用于保护光伏组串和光伏方阵的熔断体，应满足光伏系统的使用要求。目前，国际电工委员会已制订了IEC 60269-6 Low-voltage fuse-Part6:Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems，我国等同采用该标准的GB/T 13539.6-2013也于2013年7月1日起实施，此标准中定义了“gPV型”熔断体，增加了如下环境试验，模拟实际使用条件：

1) 根据光伏发电系统幅照度不同所产生电流不同的情况，在验证光伏熔断体额定电流之前，需先经受3 000个电流循环，每个循环包括15%In10s、40%In10s，接着15%In10s、75%In10s、15%In10s、100%In10s的循环，要求熔断体本体不呈现破裂或裂纹。试验后，熔断体的电阻在室温条件不应有超过10%的变化。

2) 根据光伏发电系统户外使用环境的情况，要求光伏熔断器进行可接受热感应水平的验证，即熔断体要经受50个加热和冷却循环，每个循环包括15 min的-40 ℃±5 ℃和15 min的90 ℃±5 ℃，并增加了极端温度(50 ℃)条件下的功能验证。

IEC 60269-6还对光伏熔断体的时间常数进行了重新规定，约定熔断电流为1.13倍In，约定不熔断电流为1.45倍In，这与工业用、家用、半导体用熔断体均不同。

该标准的实施，规范了光伏熔断器产品质量的具体要求，提高了光伏熔断器保护光伏组串电路的可靠性，因此光伏系统中应选用符合GB/T 13539.6或 IEC 60269-6的光伏熔断器。

3.2 直流断路器或直流隔离开关

光伏汇流箱中直流断路器或直流隔离开关应选择直流专用型，其额定电压必须要大于等于光伏电站的最大系统电压。光伏系统的最大开路电压主要受温度的影响，温度越低开路越大，如表1所示，而其他类型的光伏组件必须依据制造商的电压修正说明计算。

表1 单晶和多晶光伏组件的电压修正因数

直流断路器为了达到1 000 V工作电压，通常采用4极串联，串联方式及导线截面积应符合各制造商的要求，否则极易导致串联点温度过高，断路器跳闸。针对光伏系统的直流断路器一般使用较大灭弧室将电弧拉长增加电弧电阻及散热能力，从而达到快速灭弧的效果。

考虑到IP65的使用及安装环境，直流断路器或隔离开关选型时要考虑高温下的降容系数。例如，汇流箱的输出总电流达到160 A，选用160 A的直流断路器或隔离开关易发生无故障跳闸现象，降容系数的选择可与制造商沟通确定。另外，安装直流断路器或隔离开关时，飞弧距离区域内不能安装其他元件，除非增设绝缘防护罩。

GB 14048.2《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》为断路器通用标准，缺少对断路器在光伏电站特殊领域的具体要求与考核。为规范光伏直流断路器的考核方法，北京鉴衡认证中心根据在光伏电站的环境及电气特性，在CGCR 46045:2012《电子电气产品认证实施规则 低压直流断路器》的附录3中规定“光伏系统用低压直流断路器补充技术条件”。主要增加环境温度变化循环试验与临界负载电流试验考核。同时，根据光伏电站负载为近似阻性负载特点，对时间常数进行修正，这对直流产品满足光伏电站要求具有深远意义。新增对光伏直流断路器的具体试验方法如下：

1) 环境温度变化循环试验方法：温度变化时，温度的上升和下降速率应为(3±0.2) K/min，最低温度为-40 ℃，最高温度为+90 ℃。温度达到后至少维持15 min，循环数应为50。

这个试验是模拟汇流箱在户外实际运行时的性能。由于光伏电站环境温度晚上可能达到-40 ℃，而白天汇流箱内的温度可能高达90 ℃(注：这与户外地面温度及汇流箱防护等级较高有关)，这种高低温度变化的考核，有利于检验直流断路器的内装各种材料在严酷温度下其性能的符合性。

2) 临界负载电流试验：临界负载电流的定义是指在使用的条件范围内燃弧时间明显延长的分断电流。试验方法为在额定电压下，试验电流应为 5%In、10%In、25%In、50%In和 75%In；每个电流进行10次合分操作，找出最大熄弧时间的电流，作为临界负载电流(记录波形和熄弧时间) ；紧接再在这个临界负载电流下进行100次的合分操作，试品应经常工作不应持续起燃，熄弧时间应不大于0.4 s。

这个试验考核目的为直流断路器的结构是否能满足熄灭额定电流以下的所有直流电。现在大多数直流断路器的灭弧原理采用触头串联及栅片灭弧室结构，由于试品在分断电流时，作用于直流电弧的电磁力与电流大小有关，电流越大越有利于将电弧拉进入灭弧室、电流越小越不利于将电弧拉进入灭弧室，因此，有临界负载电流这一现象。由于光伏直流输出主要由阳光因素影响，电流的波动性很大，因此，临界负载电流试验有重要意义。

3.3 光伏电涌保护器SPD

从光伏汇流箱的电气原理图中可见，电涌保护器并联在光伏直流侧电路。光伏系统中不同于其他交流和直流系统，在SPD劣化时，最大也只能产生1.25倍正常工作电流。因此，只能使用那些专为光伏装置设计的电涌保护器来保护安装在直流侧的光伏装置，且应满足电涌保护器的短路耐受电流：IscWPV>Isc(汇流箱的短路输出电流)，以确保电涌保护器失效后可脱离开主电路。

SPD的最大持续运行电压UCPV应大于或等于在任何情况下的光伏发电系统的最大开路电压。电压与温度的修正关系详见表1。

由于光伏电站的系统电压会超过直流700 V，因此，汇流箱中SPD的安装方式大多采用Y型结构，如图3所示。

图3 Y型安装方式示意图

电涌保护器可能由于异常的高雷击电流或反复的电涌冲击超负荷而失效，因此电涌保护器应具有脱离器和故障指示，且光伏汇流设备的监控和控制系统中应包含SPD工作状态。

针对光伏防雷器的EN 50539-11 Low-voltage surge protective devices-Surge protective devices for specific application including d.c.-Part11:Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications于2013年发布实施，我国等同采用的国标也正在制定中。

4 结语

光伏发电系统的高直流电压及复杂的使用环境，要求光伏汇流箱中应选用太阳能光伏系统保护用熔断器(gPV型)、直流断路器或隔离开关、光伏专用防雷器。光伏发电系统可靠安全运行，需要低压电器的协调配合；低压电器也应不断进行技术改进，以适应光伏领域的发展需求。

[1] CGC/GF 002: 2010 (CNCA/CTS0001：2011) 光伏汇流箱技术规范[S].

[2] IEC60269-6 Low-voltage fuse-Part6: Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems[S].

[3] GB14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器[S].

[4] CGC-R46045:2012 电子电气产品认证实施规则 低压直流断路器[S].

[5] FprEN 50539-11: June 2012 第11部分：应用于光伏装置SPD的要求与试验[S].