直流熔断器在光伏发电系统中的应用

高 琳

东莞市贝特电子科技股份有限公司

直流熔断器在光伏发电系统中的应用

高 琳

东莞市贝特电子科技股份有限公司

本文阐述了目前直流熔断器在光伏发电系统中的应用情况。

直流熔断器 光伏发电系统

太阳能是一种储量巨大的清洁可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，但是太阳能也是一种低密度的平面能源， 在光伏发电系统中需要数量巨大的太阳能电池板阵列进行串并联组合来达到所需功率。光伏发电站目前成本还偏高，效率函待提升，但是其作为可再生能源的作用与应用前景正日益得到社会的普遍认同。在中国未来的电力供应中光伏发电将扮演重要的角色，预计到 2020 年累计装机将达到 30 GWp； 2050 年将达到 100 GWp。

光伏电站直流电压一般设计为直流800～1 500 V，故光伏汇流箱中所安装的大量电器元件主要为直流电器元件，是属于直流低压电器元件范畴。并网光伏发电系统可以和电力系统进行直接连接的一种光伏发电系统，它可以为电力系统供给有功及无功的电能。此电能和电网的频率相同，再以电压源方式将电能送进电力系统，而建设大型并网光伏电站是大规模集中利用太阳能的有效方式。本文主要针对大型并网光伏电站中直流熔断器的应用问题进行阐述。

在光伏系统的的短路保护中一般采用熔断器或断路器。熔断器，俗称保险丝，相当于过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，其价格优势明显；而且在直流系统中电感低，发生故障时电流变化率di/dt 很高，特别适合用于直流系统。因此一直以来光伏发电系统保护中，主要应用熔断器作为过电流保护。基于对未来中国光伏在电力供应系统的占有率，直流熔断器在光伏发电中的应用有巨大的市场潜力，特别是集中式光伏并网体系，汇流箱数量众多，每个光伏组串均需要配置直流熔断器保护回路来切除故障。而关于直流系统熔断器在电网中应用，需要注意以下几点：熔断器的特性必须要求具有精确的时间- 电流特性；有良好的抗老化能力；达到熔断值时能够快速熔断；具有良好的切断故障电流能力，有效切断故障电流。直流不存在电压的过零点，在断开负载时往往有电弧产生，直流电弧燃弧时间长，电弧能量大，熔断器在熔断时刻会出现尖峰高电压，如果熔断器性能不佳，会直接影响同一直流母线上的其他负载。

光伏产业从600V发展到1000伏，再到现在兴起的1500V，光伏的直流熔断器性能也在不断提升，对于目前1500v的新要求，市场上也已经出现了相应的产品。近些年，一些科研机构通过对一些光伏发电企业的调研却发现了发电站运行中存在很多问题，其中与熔断器应用相关的问题有： 荒漠电站的集中式结构光伏并网体系，汇流箱的数量多，使用的熔断器数目庞大，但是熔断器的烧毁也较为严重，根据调查，1个10MW的光伏发电场一年更换的熔断器多达800多个，对发电量的影响较大，增大了运营维护的成本；中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司关于光伏中应用熔断器失效率进行拟合曲线，统计结果显示，随着时间的递增，到第五年熔断器的综合失效率接近50%，显然国内光伏并网环节在直流熔断器的的应用需要注意的问题方面经验不足。

熔断器在光伏电站中的应用广泛与其在应用中居高的失效率形成巨大的落差，这与熔断器行业特点密不可分。目前国内相关企业的直流熔断器都能够通过IEC60269-6或者UL2579中的相关测试，但是真正解决实际使用中存在的问题，却并非易事。关键指标如额定电流，额定电压，温升，功耗，熔断性能，I^2T等随着产品体系应用的变化，均会发生一些变化，标准中熔断与不熔断电流中间的值会造成长时间低倍过载，大电流以及低倍电流下的分断能力这些熔断器关键的性能安全指标，由于测试成本的压力，很多厂家都难以进行常规监控。因此低倍过载存在的着火风险，熔断时出现喷弧，是一些低成本直流熔断器的常见问题。有些光伏电站环境比较恶劣，风沙，湿度，长日照，这些客观条反而对相关器件提出了更高的可靠性要求。例如光伏电站昼夜温差大，导致加速熔断器熔丝的热疲劳效应而老化，通流能力下降，必然为熔断器在光伏电站中的应用带来了巨大的安全隐患，而这也正是光伏电站高昂的运维费用的原因。因此熔断器生产企业必须不断关注熔断器的性能与品质，提高产品应对恶劣环境中使用的性能，对产品在实际应用中可能遇到的问题进行全面的安全与环境测试，才能在光伏熔断器领域中保持重要的地位。

鉴于光伏电站本身的昂贵组件，光伏电站也在考虑使用智能汇流箱来实现光伏电站的数字化，智能化，运用实时监控与建立数据库是光伏电站未来发展的重要方向。智能汇流箱一次线路还是由汇流铜排、直流断路器以及多个直流熔断器组成，内部加装智能监测单元模块，监测每一路光伏组件串联回路的工作电流、电压等工作状态，并通过通讯模块与上位机通讯，实现整个光伏电站的远程监控。智能化的过程通过对器件使用情况的监督，数字化，已经可以实现对防雷、 母线、 光伏组串进行简单的故障诊断， 并具备与主站通讯的功能， 但是采样的质量、运行的可靠性、 功能的丰富性目前还不能完全满足。针对直流熔断器，鉴于汇流箱内产生弧光后， 弧光会以300m/s 的速度迸发，摧毁途中的物质， 只要汇流箱不断电， 弧光就会一直存在， 因此一些研究认为很有必要加设弧光故障诊断。监控模块的日益成熟与应用数据的积累，相信此项会成为不同厂家熔断器表现的“试金石”。除此之外，丰富的数据可以预测相关产品寿命与失效情况，为光伏电站直流熔断器及其他器件更好的进行选型与应用控制提供更科学合理的依据。