1500 V直流光伏发电系统中塑壳断路器的性能研究

孙海涛，韩志刚，刘 毅

(施耐德电气中国电力研发中心，上海 201203)

0 引言

光伏发电行业近年来得到了高速发展，光伏发电系统经历了从600 V直流电压到1000 V直流电压，再到1500 V直流电压的发展。1500 V直流光伏发电系统通过提升直流电压降低了光伏电站的初始投资成本，为我国光伏行业走向平价上网时代提供了最好的助力[1]。

虽然成熟的1500 V直流光伏发电系统是光伏发电的降本利器，但由于1500 V是低压直流配电系统中的最高电压值，该高直流电压值对光伏发电系统的安全运行提出了新的挑战。相较于1000 V直流光伏发电系统，1500 V直流光伏发电系统的直流电压提高了0.5倍，因此其对光伏发电系统的安全要求更高。

光伏发电系统作为低压断路器应用的一个崭新领域，其较高的直流电压和复杂的户外使用环境，对低压断路器的工作性能、绝缘耐压水平及分断能力均提出了新要求。若选用的低压断路器的技术指标不能满足光伏发电系统的设计要求，将会影响光伏发电系统的可靠运行，严重时甚至会引发火灾。基于此，本文从绝缘性能和全电流范围内的分断能力这2个方面，分析了1500 V直流光伏发电系统的高直流电压对塑壳断路器的特殊要求，并对比了单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的差异。

1 1500 V直流光伏发电系统对绝缘性能的要求

根据GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》中第3.6部分的要求，由于1500 V是低压直流配电系统中的最高电压值，相较于此前传统的690 V交流配电系统，其在爬电距离和介电测试方面均有更高的要求。在1500 V直流配电系统的典型应用场景——光伏发电直流侧，IEC 60364-7-712: 2017《Low voltage electrical installations—— Part 7-712: Requirements for special installations or locations——Solar photovoltaic (PV)power supply systems》中推荐采用Ⅱ类设备，参照GB/T 17045—2020《电击防护装置和设备的通用部分》中的定义。

由于IEC标准和UL标准对传统的690 V交流配电系统与1500 V直流配电系统定义的爬电距离不同，因此对介电试验电压的要求也不同，具体对比如表1所示。表中：新产品是指全新的、未使用过的产品；试验后产品是指根据标准中的流程进行试验后的产品。

表1 不同配电系统在不同标准下的介电试验电压对比Table 1 Comparison of dielectric test voltage of different power distribution system under different standards

此外，长期的直流恒定磁场对绝缘材料绝缘性能产生的影响尚处于研究阶段。

综上可知，由于1500 V直流光伏发电系统为高直流电压，因此在其采用的塑壳断路器的设计中，不仅需要考虑新产品是否有足够的爬电距离，还要考虑到产品若长期使用被污染后的有效爬电距离，以避免塑壳断路器绝缘材料老化后发生介电击穿的情况；以及需要考虑长期的直流恒定磁场对塑壳断路器绝缘材料绝缘性能的影响。

2 时间常数对分断能力的影响

由于在不同应用领域中直流配电系统的电路电感能量不同，因此其时间常数也不同[2]。时间常数对短路保护的影响非常大，现有的光伏发电相关标准中规定的时间常数为1 ms，但考虑到应用中电缆实际的线路长度和连接形式，时间常数通常要比1 ms大。

以双断点4P 250A/1500Vdc 塑壳断路器( 下文简称为“双断点塑壳断路器”)为研究对象，建立其短路分断仿真模型。为了对比塑壳断路器交流短路和直流短路时的结果，本仿真以其单极直流短路电流36 kA、系统额定工作电压300 V(即36kA/300V)，对应的时间常数为15 ms作为假设条件。

双断点塑壳断路器交流短路电流和直流短路电流的对比结果如图1所示。

图1 交流短路电流和直流短路电流的对比Fig. 1 Comparison of AC short circuit current and DC short circuit current

从图1可以看出，由于双断点塑壳断路器短路时限流，其实际达到的短路电流值比预期值低很多。直流短路电流的上升速度远慢于交流短路电流的上升速度，且交流短路电流在3 ms时达到峰值，而直流短路电流在5.5 ms左右才达到峰值。

双断点塑壳断路器的交流短路电弧电压和直流短路电弧电压的对比结果如图2所示。

图2 交流短路电弧电压和直流短路电弧电压的对比Fig. 2 Comparison of AC short circuit arc voltage and DC short circuit arc voltage

从图2可以看出，相较于交流短路电弧电压，直流短路电弧电压的上升速度较为缓慢，且其燃弧时间也比交流短路的燃弧时间要长。

不同时间常数下直流短路的电流和电弧电压对比如图3所示。

图3 不同时间常数下直流短路的电流和电弧电压的对比Fig. 3 Comparison of current and arc voltage of DC short circuit with different time constants

从图3可以看出，随着时间常数从1 ms升高到5 ms，双断点塑壳断路器的分断时间越来越长，这意味着双断点塑壳断路器越来越难切断故障电流。

在36kA/300V条件下，不同时间常数时双断点塑壳断路器的交流短路关键参数和直流短路关键参数的对比如图4所示。

从图4可以看出，随着时间常数的增大，直流短路的电弧能量显著增大。

图4 在36kA/300V条件下，不同时间常数时交流短路和直流短路的关键参数对比Fig. 4 Comparison of key parameters of AC short circuit and DC short circuit under different time constants at 36kA/300V

3 全电流范围内的分断能力

本文对全电流范围内的分断进行了定义，其主要包括以下4个部分：1)临界负载电流；2)临界过载电流；3)临界分断电流；4)极限分断电流。全电流范围内的分断示意图如图5所示。图中：In为塑壳断路器的额定电流。

图5 全电流范围内的分断示意图Fig. 5 Schematic diagram of breaking within full current range

不同的电流均有各自的特点和分断难点，下面进行详细的分析。

3.1 临界负载电流

临界负载电流主要是指在光照不足时(比如清晨和傍晚)太阳电池回路出现的微小电流。临界负载电流的特点是电流微小(4～64 A)，在不加永磁体的情况下，塑壳断路器本身的气吹和磁吹功能无法使电弧进入灭弧室，而是需要通过增加动触头开距来切断电流。针对这一特点，

IEC 60947-2: 2016《Low-voltage switch gear and control gear——Part 2: Circuit-breakers》特别增加了附录P 8.3.9的测试要求[3]。

对比双断点塑壳断路器和单断点3P 250A/1500Vdc塑壳断路器(下文简称为“单断点塑壳断路器”)在临界负载电流试验下的燃弧时间，对比结果如图6所示。

图6 双断点塑壳断路器和单断点塑壳断路器在临界负载电流试验下的燃弧时间对比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

由于单断点塑壳断路器每一极只有1个断口，所以需要通过增加产品高度来增大动触头开距，从而才能达到与双断点塑壳断路器相同的切断临界负载电流的能力。

在达到相同临界负载电流切断效果的前提下，双断点塑壳断路器与单断点塑壳断路器的尺寸及参数对比如表2所示。

从表2可以看出，单断点塑壳断路器需要更高的产品高度。

表2 在达到相同临界负载电流切断效果的前提下，双断点塑壳断路器与单断点塑壳断路器的尺寸及参数对比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 临界过载电流和临界分断电流

临界过载电流并不等同于临界分断电流。临界分断电流是指动触头刚好发生抖动时塑壳断路器的电流，分断的难点在于动触头仅微微抖动起弧，并未斥开，脱扣器也未打开机构，这时动触头间发生热量集聚，造成动触头熔焊。临界分断电流的值一般约为15In。

临界过载电流的值需要通过大量的试验才能确定。一般以1 kA为间隔进行逐级试验(1 kA为1级，最高不超过临界分断电流)，寻找燃弧时间最长时的电流。不同于临界分断电流试验，临界过载电流试验的失败现象并不是造成动触头熔焊，而是持续电弧燃烧，导致塑壳断路器最终被烧毁。

双断点塑壳断路器和单断点塑壳断路器在临界过载电流为2 kA时的分断示波对比图如图7所示。可以看出，单断点塑壳断路器在临界过载电流为2 kA时出现了持续电弧燃烧的情况。

图7 双断点塑壳断路器和单断点塑壳断路器在临界过载电流为2 kA时的分断示波对比图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

通过大量试验发现，阴极电弧对临界过载电流试验存在较大影响。

电极的阴极和阳极弧根有不同的转移方式，阳极弧根有跳跃通过阻挡物的能力，所以阳极弧根遇到台阶或间隙时，能一跃而下或一跃而过；而阴极弧根的运动是连续的，其只能沿着阻挡物表面连续运动[4]。短路试验中，动触头分别接触阳极和阴极时电弧的运动方式分别如图8、图9所示。图中，t为电弧的运动时间，电弧产生时开始计时，此时t=0。

图8 动触头接触阳极时电弧的运动方式Fig. 8 Arc movement mode when moving contact contacts anode

图9 动触头接触阴极时电弧的运动方式Fig. 9 Arc movement mode when moving contact contacts cathode

从图8、图9可以发现，当动触头接触阴极时，电弧更长，可以充分进入灭弧室，产生更高的电弧电压；当动触头接触阳极时，电弧很短，无法充分进入灭弧室，电弧电压很低，弧根在动触头根部长时间停留，无法跳跃到灭弧栅片最上面的引弧角。

在各种接线方式下，双断点塑壳断路器的8个断口中必定有4个是长电弧、4个是短电弧，因此可以稳定分断小电流。双断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图如图10所示。

图10 双断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图Fig. 10 Schematic diagram of polarity of moving contact of double breakpoint molded case circuit breaker

对于单断点塑壳断路器，其断口必定出现2个长电弧和1个短电弧，或者是1个长电弧和2个短电弧。当采用“左正右负”进线方式时，单断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图如图11所示；当采用“左负右正”进线方式时，单断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图如图12所示。

图11 采用“左正右负”进线方式时，单断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图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

图12 采用“左负右正”进线方式时，单断点塑壳断路器的动触头接触的极性示意图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

从图11、图12中可以看出，当单断点塑壳断路器的接线方式正好导致其断口出现1个长电弧和2个短电弧时，很容易导致断路器分断困难。

3.3 极限分断电流

极限分断电流是指断路器可以分断的最大故障电流。

单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的极限分断电流试验的分断示波图对比如图13所示。

从图13可以看出：

图13 单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的极限分断电流试验的分断波形对比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)双断点塑壳断路器的短路电弧电压更高，且短路电弧电压上升更快；

2)双断点塑壳断路器对短路电流的限制效果更好；

3)双断点塑壳断路器较高的电弧电压和良好的限流能力，使其每次的分断时间比单断点塑壳断路器的分断时间缩短了约25%，大幅降低了动触头的损伤程度和塑壳断路器内部的污染程度，从而使其后续的操作性能、温升、介电试验性能更佳。

单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的极限短路分断的关键参数对比如表3所示。表中：Icu为额定极限短路分断能力(电流值)；Ics为额定运行短路分断能力(电流值)；Umax为最大电弧电压；Ip为实际到达最大电流值；Tmb为电弧燃烧时间。

表3 单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的极限短路分断的关键参数对比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 结论

为适应1500 V直流光伏发电系统，本文结合理论标准和实验数据，从绝缘性能和全电流范围内的分断能力2个方面，对1500 V直流光伏发电系统的高直流电压对塑壳断路器的特殊要求进行了研究。由于1500 V直流光伏发电系统对绝缘性能的更高要求，需要考虑塑壳断路器在全电流范围内的分断性能。本文还对单断点塑壳断路器和双断点塑壳断路器的差异进行了对比，研究结果表明：双断点塑壳断路器的高度较小，相较于单断点塑壳断路器，同体积下，其短路电弧电压高，分断能力强；动触头分别接触正、负极，其应对阴极短电弧的能力强。