大面积光伏旁路二极管击穿事故分析研究

湖北省电力勘测设计院有限公司 ■ 钟泰军 康慨 李慧

0 引言

2017年我国光伏年发电量高达1069亿kWh，截至2017年11月底，我国光伏累计装机量达125.79 GW。根据国家能源局提供的规模发展指标，到2020年底，光伏发电装机容量有望达到 1.5 亿 kW[1]。

随着光伏发电规模的扩大，光伏厂区的占地面积不断增加，暴露在旷野、山区中的光伏阵列极易遭受雷电冲击。目前光伏电站的防雷接地措施主要是防直击雷，借助接闪带、避雷针、接地系统等防雷措施，直击雷能够得到较好的防御[2]。但是，光伏厂区附近发生雷击时，空间分布的变化电磁场将会在光伏阵列导体回路产生感应过电压[3]，文献[4-7]表明，在距离适中的情况下，光伏组串回路中雷电感应过电压可能高达数千伏。目前，光伏组件并无防感应雷的措施，光伏组件旁路二极管抗过电压能力较差，但电磁感应过电压对光伏组件的危害不容忽视，轻则会影响电能质量和转换效率，重则会大面积烧毁光伏组件[8-9]。

针对某30 MW光伏发电站投运期间出现的一起大规模光伏组件旁路二极管击穿事故，本文通过对故障现场的光伏组件、电缆绝缘、接地、防雷组件进行详细巡查与检测，理论分析结合现场实验，逐一排查了二极管击穿事故的原因；并分析了组串间的电压差、反灌电流对事故二极管及熔断器的二次伤害。研究发现，雷电感应过电压会导致光伏组件旁路二极管击穿，天气晴朗后，反灌电流会进一步烧毁接线盒。最后，论证了增设防感应雷措施的必要性。

1 事故现场检测

1.1 事故背景介绍及光伏组件检测

该光伏电站发生事故的情况：7月9-15日，仅将光伏回路接入汇流箱，未并网运行。7月9日晚至10日早上，整夜均有大雨，7月10日凌晨03∶00～05∶00场区周边伴有多次强烈雷电，其中有两处直击雷距离场区较近，东侧的一处直击雷距离光伏场区1.5 km(1#直击雷)，雷电强度为64.7 kA，陡度为10.9；西侧的一处直击雷距离光伏场区2.1 km(2#直击雷)，雷电强度为73 kA，陡度为7.7。具体如图1所示。

图1 光伏电站与直击雷

该光伏场区共有30个分区。7月12日天气晴朗，发现9区光伏组件接线盒有异常后，当日对该区所有分区光伏组件进行了排查，除A4、A6、B6汇流箱下光伏组件接线盒有异常外，未发现其他异常的光伏组件接线盒，且光伏组件各项电气参数均正常。据统计，A4、A6、B6汇流箱下共有233块光伏组件接线盒存在旁路二极管击穿现象，经测试，这些二极管无开路电压或开路电压过低，并伴有接线盒鼓出甚至烧毁的情况，如图2、图3所示。

A1汇流箱回路有电缆破损现象和放电痕迹，但A1汇流箱下所有光伏组件无旁路二极管击穿现象，如图4所示。9区光伏组件接线盒异常统计结果如表1所示。

图2 接线盒鼓出图

图3 接线盒烧毁图

图4 9区A1汇流箱电缆破损放电痕迹图

表1 9区光伏组件接线盒异常统计表

以同样的方式对11区进行了排查，共发现46块光伏组件接线盒出现异常，具体如表2所示。

表2 11区组件接线盒异常统计表

1.2 事故线路绝缘测试

对所有故障回路的1×4 mm2和2×50 mm2电缆进行绝缘测试，未发现绝缘性变差的现象，也未出现电缆接地和短路现象。

1.3 通信线路检查

检查发现， 4区、6区、7区、8区、9区、10区及11区的箱变测控装置中的RS485通信芯片处有明显的弧光烧损现象，通信芯片损毁率达23.3%；4区、9区、10区、11区的CPU存在损坏现象。经排查，所有通信的弱电回路与其他强电回路均分开敷设，未见强电线路与弱电线路混合的情况，故排除由于电磁干扰、强弱电之间放电造成通信芯片烧毁的可能。

2 光伏组件熔断器、接线盒的毁坏原理及其性能测试

结合现场相关情况可知，故障光伏组件背板未出现烧焦痕迹，且光伏组件未出现碎裂现象；将故障接线盒切除后发现，光伏组件可正常工作。测试发现，出现故障的光伏组件旁路二极管被击穿。

2.1 熔断器烧毁原理

熔断器串联于电路中，当过载或短路电流通过时，熔断器内部金属熔体会因发热而熔断，从而断开电路。通过查询Bussmann公司的PV-15A熔断器的产品手册，绘制其安-秒特性曲线，如图5所示。

2.2 接线盒中二极管击穿的原因分析

二极管的I-V特性曲线如图6所示。

图6中，A为正向导通临界点；B为反向击穿临界点；UBR为反向击穿电压，当电压超出UBR时，二极管被反向击穿，I-V曲线就会变成一条垂直于横坐标轴的直线，电流以tan90°的斜率爆发式增大，二极管烧毁。

图5 熔断器安-秒特性曲线

图6 二极管I-V特性曲线

由图6可知，光伏组件接线盒中二极管击穿的原因主要有以下3种[10]：

1)正向击穿：短路电流大于正向击穿电流，即正向电流大于20 A。

2)电压反向击穿：反向电压大于45±5 V，二极管反向击穿。然而，电压击穿具备瞬时性，不一定会烧毁接线盒。

3)过热反向击穿：温度高时，旁路二极管漏电流会急剧增加，从而反向击穿。过热击穿必然伴随着接线盒烧毁事故。

2.3 性能测试

本工程中光伏组件旁路二极管击穿电压为45±5 V，击穿电流为20 A。为详细了解熔断器与二极管的工作特性，进行了以下现场实验。

2.3.1 模拟组串压差实验

逆变器不运行时，对某个直流柜中的某个组串进行遮挡实验，被遮挡组串的开路电压为660 V，正常组串的开路电压为820 V，同一直流柜中所有组串并联连接。经测定，所形成的反灌电流为1.5 A，熔断器、二极管均正常工作。

2.3.2 模拟组件串联、并联压差实验

模拟了6块组件串联后与1块组件并联后的压差实验，即240 V回路与40 V回路并联。经测试，接通后组串电压为43.7 V，电流为6.0 A，持续时间超过5 h后，二极管未出现击穿。

2.3.3 模拟反灌电流实验

将5组2块组件串联的回路(1#～5#)和1组1块组件的回路(6#)进行并联，获得2倍的压差，即80 V的开路电压与40 V的开路电压并联，并进行以下实验：

1)辐照度较小时的相关实验。不串接熔断器，反灌电流为20 A、持续运行时间为0.5 h与反灌电流为16 A、持续运行时间为1.5 h时，二极管均未出现击穿、无烧毁现象。将6#组件串接15 A的熔断器，电流由15.9 A持续上升至28 A，40 s后熔断器熔断，二极管未击穿。

2)辐照度较大时的相关实验。反灌电流保持为44 A，约10 s后接线盒出现冒烟和鼓出现象。用6#组串串接15 A的熔断器进行实验，反灌电流保持为44 A时，熔断器迅速熔断，用时约为3 s，但二极管未击穿。

在保持压差不变的前提下，增加2个2块组件串联的回路(7#、8#)，反灌电流保持为62 A，约4.5 s后接线盒烧毁。用6#组件串接15 A的熔断器进行实验，反灌电流保持为62 A时，熔断器熔断，用时约为1 s，但二极管未击穿。

3)模拟高反灌电流实验(二极管已失效)。对旁路二极管失效的光伏组件进行实验，反灌电流保持为44 A，约1.6 s后接线盒出现冒烟和鼓出现象；反灌电流保持为62 A时，约0.7 s后接线盒烧毁。

当二极管烧毁速度比熔断器熔断速度慢时，熔断器熔断后，终止了对二极管的损害，二极管不会继续烧毁。若二极管已经失效，二极管烧毁速度会大幅升高；且反灌电流越大，烧毁时间越短。当反灌电流大于62 A时，可能在熔断器动作前二极管就已烧毁。

3 事故原因排查与分析

3.1 正向击穿二极管的可能性分析

300 W的光伏组件，其铭牌显示短路电流为8.91 A 、额定工作电流为8.37 A。导致该光伏组件二极管正向电流过大的原因可能是线间短路或接地短路造成的。

单串组件在开路状态下单极接地不会产生接地电流，两极短路接地电流不会大于8.91 A，不会造成二极管击穿。

汇流状态下短路及接地分为以下几种情况：

1)光伏组件正、负极反接。经现场排查，未出现光伏组件正、负极反接的情况。

图7 汇流单元短路示意图

2)汇流电缆或汇流箱内部短路或接地。当一级汇流电缆(1×4 mm2)或二级汇流电缆(2×50 mm2)正、负极短路时，如图7所示。离网状态下，500 kW逆变器下的组串电流都会流向短路点。若按逆变器60%容量计算短路电流，则其电流值不小于593 A，在该电流下一级和二级汇流电缆均会被烧毁。

汇流电缆在开路状态的单极接地不会产生接地电流，两极接地可视为短路状态。同时对现场汇流电缆进行绝缘检测和观察后，未发现短路、接地及烧毁现象。因此，可以排除一级和二级汇流电缆短路或接地造成光伏组件旁路二极管击穿的可能。

图8 光伏组件串接示意图

图9 1 MW光伏单元连接示意图

3)组串间短路或接地短路产生的过电流。现场光伏系统的接线如图8和图9所示。

组串内多点接地相当于在两点、多点间形成接地通路，致使接地通路内的光伏组件退出运行，则两端接地点与汇流排之间的光伏组件承受的电压差ΔU、反灌电流I可表示为：

式中，f为组串中靠近汇流排的接地点(端点接地点)与汇流排之间的光伏组件数。

式中，Ire为一级汇流排中单回路正常运行的组串供给的反灌电流，Ifn为300 W光伏组件铭牌上显示的短路电流。

根据2.3节的测试记录，当反漏电流大于62 A且烧毁速度足够快时，有可能烧毁接线盒。但是，光伏厂区大面积的不同组串都出现多点接地事故的概率很低，且现场电缆检测未发现组串电缆接地现象。因此，可排除组件内单点、多点接地造成反灌电流过大而烧毁接线盒的可能。

3.2 反向电压击穿二极管的可能性分析

由图10可知，每个光伏组件均有3根旁路二极管串联，若单根二极管的击穿电压为40 V，则1块光伏组件的旁路二极管击穿电压为120 V。因此，必须大于2400 V的电压才能击穿1个组串中的20块光伏组件。根据表1中的统计数据可知，20块光伏组件的组串支路多达10个，现场任何一种工况均不会频繁的产生2400 V的电压差，因此，可以排除正常工况下反向过电压造成大量组串支路组件旁路二极管全部烧毁的可能。

图10 单块光伏组件结构图

3.3 过热反向击穿二极管的可能性分析

电流持续过大、温度较高、接线盒散热效果不佳时，可能会因为过热导致旁路二极管反向击穿。本项目中，故障分布区域相对较为集中，光伏组件旁路二极管击穿现象比较规律，故障二极管数目较多，同时出现过热事故的概率较低。

3.4 雷电电磁脉冲的可能性分析

故障发生期间，凌晨04∶25～04∶42在光伏场区周边有雷击放电现象，其中1#直击雷和2#直击雷距离光伏厂区较近，雷电感应过电压可能导致本次故障。

经调查，光伏组件旁路二极管失效事故区域主要集中在雷电感应通道上，且位于靠近直击雷的场区边缘位置。现场测量发现，故障光伏组件所在区域的接地电阻为0.8 Ω，远小于光伏场区接地电阻的要求(4 Ω)，可以排除接地不良或接地电阻过大导致过电压击穿光伏组件的可能。另一方面，光伏场区的接地网沟较浅，接地扁钢裸露在土壤外，未进行覆土埋设；接地沟多为灰岩土质，一定程度上增加了雷电电磁脉冲引发事故的几率。

图11 接线盒损坏的光伏组件分布图

3.5 其他异常现象分析

在无不合理接线且无强电干扰等情况下，光伏电站23.3%的区域出现箱变测控装置的RS485通信芯片弧光烧损或芯片损毁现象，同时出现多个CPU损坏的现象，如图12所示。结合通信芯片毁坏区域与感应雷通道位置图，进一步佐证感应雷入侵是造成此次事故的原因。

3.6 排查结果

经过对事故的现象分析，故障因素排查，光伏组件旁路二极管、汇流回路熔断器故障机理分析，通信芯片损毁与雷电调查分析等，初步判定雷电电磁脉冲压是最有可能的事故原因。

图12 通信板损毁情况图

4 验证

1)假设由于雷电冲击造成超出二极管反向耐受电压的感应电压，电缆完好时，感应过电压击穿光伏组件旁路二极管，且二极管击穿现象出现在靠近1#、2#直击雷的场区的可能性更大。这与实际事故现象保持一致(故障区域集中在1#和2#直击雷的雷电通道附近的9区、11区)。

2)另一方面，电缆损坏的线路，由于电缆绝缘破损，感应过电压通过破损位置对地放电，电缆破损位置出现了灼烧痕迹，感应过电压对地放电时旁路二极管被击穿的可能性降低。故障现场电缆破损的A1回路无二极管烧毁现象，与理论推导一致。

3)本次雷电发生在雷雨天气，光伏组件并未发电或发电功率极低；由于逆变器未并网，线路中存在的电流为组串之间的反灌电流。由于雷雨天气，所有的光伏组件发电功率极低，甚至不发电，反灌电流较小，所以雷击发生后的当天并未及时发现二极管的异常。

4)天气晴朗后，光伏组件正常发电，故障组串间存在电压差额，会造成较大的电流反灌现象。

4.1 组串中个别旁路二极管击穿

天气晴朗时，光伏组件工作在额定状态下，仅少数几个光伏组件旁路二极管会被击穿，如图13所示。

图13 组串中个别旁路二极管击穿图

假设一级汇流排的电压保持在额定电压时，该失效旁路二极管中通过的电流为该组串的输出电流 I′：

式中，P为单块光伏组件额定功率；m为组串中光伏组件的个数；d为组串中旁路失效的光伏组件总数；UN为汇流排额定电压；IN为光伏组件额定电流。

组串中3～6块光伏组件旁路二极管击穿现象约占事故回路总数的20%。根据公式(3)可知，经过故障二极管的电流不足以进一步烧毁二极管。

4.2 组串中大量旁路二极管击穿

组串中大量旁路二极管击穿图如图14所示。

图14 组串中大量旁路二极管击穿图

单个组串中20块光伏组件旁路二极管击穿的事故现象最为频繁，占事故回路总数的50%。组串中光伏组件旁路二极管全部击穿，相当于一级汇流排短路。汇流排上的正常回路都将与故障组串回路之间形成反灌电流。

设n为同一个逆变器下组串中20块光伏组件旁路二极管均击穿的回路总数，则：

9区A逆变器内直流开关跳闸前的反灌电流为：

9区B逆变器内直流开关跳闸前的反灌电流为：

11区A逆变器内直流开关跳闸前的反灌电流为：

假设烧毁二极管所需能量恒定，则可知不同反灌电流下的烧毁时间；同时查询熔断器的I-V特性曲线，可得熔断器的断开时间，具体如表3所示。

表3 不同反灌电流时，二极管烧毁时间与熔断器断开时间

二极管的烧毁过程与熔断器的熔断过程同步进行，某个组串中的光伏组件旁路二极管完全击穿的情况下，其反灌电流类似一级汇流排短路。由表3可知，组串完全击穿的反灌电流能够在熔断器断开前烧毁二极管。熔断器断开后，保护了光伏线路和光伏组件，充分验证了组串回路安装熔断器的必要性。

组串中，8～12块光伏组件旁路二极管事故现象约占事故回路总数的30%。组串中存在3～6块光伏组件旁路二极管事故现象约占事故回路总数的20%。由于A4、A6、B6、A5汇流箱都存在组串完全击穿现象，类似一级汇流排短路，所以其他失效二极管所在组串的反灌电流得到限制，被烧毁的可能性大幅降低，这与表1的统计数据基本一致。

5 总结与建议

本项目针对某30 MW光伏电站大范围二极管击穿事故进行了分析研究，得到以下结论：

1)雷电感应过电压击穿雷电通道附近区域光伏组件的旁路二极管。

2)天气晴朗后，光伏组件旁路二极管击穿的组串出现电压差与反灌电流。反灌电流必须足够大且持续时间足够长，才能烧毁二极管。

3)反灌电流对二极管的烧毁过程与熔断器的熔断过程同步进行，只有二极管烧毁速度大于熔断器熔断速度时，才能烧毁二极管。熔断器断开后，终止了反灌电流对光伏设备、光伏组件的损害，验证了组串回路安装熔断器的必要性。

4)需增加现场防直击雷和感应雷的措施，如局部区域设避雷针、大型金属良好接地、1×4 mm2电力电缆用金属软套管进行防护、2×50 mm2电缆和其他电力电缆将金属铠装层进行接地、通信电缆用金属软套管进行防护、电缆禁止与接地扁钢并沟埋设、尽快进行全场接地工作并进行验收等。