光伏电站MC4连接器变色监视护套研究

中广核新能源贵州分公司 罗 康 杨明进 胡 曦 陈太刚 王 昊

光伏电站每一个环节都充斥着安全的不确定性，在系统建设期就应做好对光伏发电各个环节质量把关，处理光伏区故障时要确保各个项操作的正确。连接器类的小元件与光伏发电系统的融合，在光伏电站设计阶段、工程建设阶段甚至运维阶段产生的问题都因其过于应用广泛而常被忽视。当光伏发电单元运行发电时，在连接器导体内有电流通过时，连接器的接触电阻增大将导致导体运行温度增加，并超出该元件设计时所能承受的最高温度。此时连接器表面的绝缘材料将逐渐碳化，由绝缘体逐渐变为导体，最终发展为电气短路故障。在高温、高湿的环境中，潮湿空气易侵入MC4连接件，会加快导体因接触不良而发热、短路的发展速度，该环境中运行的MC4连接件更容易出现上述故障。

1 具有发热自检功能的光伏电站MC4连接器介绍

1.1 光伏电站MC4连接器现状调查

光伏组件以及MC4连接器长期暴露在风雨、烈日和极端的温度变化中，连接器须能适应这些恶劣环境，同时要做到防水、抗高温和对紫外线具有稳定性，还要做到绝缘保护、高载流能力及运行稳定性。其中，MC4连接器的低接触电阻也是重要考量指标。MC4连接器采用低电阻设计，其对内导体还须考虑电气连接部分具有适当电气连接接触压力配合，其绝缘部分还须考虑实现恰当的物理连接。

虽然不同厂家生产的MC4连接器外形多有不同，但整体框架和MC4连接器内导体的连接方式基本原理几近相同。现在市场中的MC4连接器材料用的是绝缘材质中的硬质塑料，为实现MC4连接器的设计和安装简便，利于同光伏组件配合使用、利于施工现场安装，逐渐成为MC4连接器的标准设计。尽量降低MC4连接器内连接导体的触电阻，同时降低整个光伏发电链路整体损耗，提升光伏发电各单元发电效率有着强有力的促进作用[1]。

1.2 自主专利的发热自检MC4连接器护套

随着光伏产业在市场中的发展，MC4连接器已经成为光伏发电行业中不可缺少的一个重要组成部分。本专利致力于在极端环境下，如在亚热带的夏季高温、热带高温潮湿、沙漠或盐碱等恶劣环境下，给出一种可为MC4连接器提供保护的护套解决方案，为上述环境中MC4连接器能够安全稳定运行提供支持。

经过对光伏电站全年排查，以现场实际实施验证为基础，开发了一款具备防潮能力和高温变色预警MC4连接护套，并且对其相应使用的连接器进行技术分析，考虑过低变温点变色层易受外界环境或者制程影响导致提前变色，增加故障MC4连接器发热故障判断的困难程度，创新性地设计了多款适用于不同环境温度下的MC4连接器变色胶带。这样MC4连接器护套具有较强的密封性，配合使用更适宜本区域环境温度下的变色护套，既能提升MC4连接器绝缘密封性，又能够达到对MC4连接器发热情况的监测。根据变色情况能快速判断该MC4连接器内部导体接触电阻情况，安排预防性检修。利用该护套能提升光伏电站MC4密封性，辅助快速查找存在发热隐患的MC连接器，整体提升光伏电站运行稳定性[2]。

图1 MC4连接器护套模型图

2 MC4连接器变色监视护套的功能

2.1 变色监视护套的变温点控制

将变色监视护套设置于MC4连接器易发热点进行测试，考虑到阻水密封胶与变色层材料粘连困难性，变色阻水胶带定位为变温、预警作用，封胶层为阻水作用，将上述两种材料分开进行贴合使用，最后再将阻水密封胶和变色层压合形成一体化操作。同时使用压敏胶，防止胶层厚度影响热传导，并适当调整变色层温度。试验初期因为MC4连接器发热情况不便于现场模拟，为充分保证变色胶带的试验可靠性，先期在烘箱内进行模拟试验。试验开始方案是控制烘箱加热温度对变色胶带进行加热，模拟MC4连接器内导体因接触不良而发热的工作温度对变色胶带颜色的影响。

验证方法：先在加热台上贴一层密封胶，再贴合变色胶带，然后控制加热台温度观察变色胶带变色情况。对变色胶带发生颜色、温度变化时间进行记录，针对MC4连接器运行环境温度不同的光伏电站，采取对变色胶带内参杂变色组份总量的不同来扩宽变色胶带的适应环境宽度。根据实验室测试和实际使用应用检测可发现，本自主专利的发热自检MC4连接器护套具有较宽的温变系数，同时具备较广的适应性，具备较强的推广应用能力。

变色胶带具备更广的变色温度，其对不同运行环境温度的光伏电站适用性更广，以此来降低变色材料的采购成本。同时针对试验范围内的光伏组件MC4护套的密封胶进行统一选型和设计，扩宽密封胶的适用范围。利用上述两种方案同步实施，能降低MC4连接器防潮变色护套的采购成本。当MC4连接器具备了在高温、高湿环境下能够不受环境湿度影响稳定运行时，且MC4连接器内部导体接触不良发热时变色胶带能反映出该隐患时，就能将光伏电站运行维护由“灭火”似的消缺提升至光伏电站隐患自主处理阶段。不但能提升光伏电站发电设备运行稳定性，更能提升光伏电站运行安全性，最终是提升了光伏电站的发电能力[3]。

2.2 保护高温下阻水功能

当环境温度升高且空气湿度较大、甚至是夏季雨后最恶劣的情况，环境温度较高且MC4连接器因内部导体虚接、MC4连接器运行温度逐渐升高时，也须保证阻水胶带的阻水功能，防止阻水胶带运行过程中发生开胶，导致潮湿空气进入MC4连接器引起其接地甚至短路的状况发生。在高温、高湿的试验环境下测试阻水胶带阻水功能时，时刻观察加热台的加热温度是否发生波动，而不能长时间的维持加热台的温度恒定。因MC4连接器内部导体虚接时其发热是恒定的，若因试验环境下加热、增湿过程中阻水胶带发生温度的动荡，将不能很好的模拟现场实际情况，导致试验数据出现偏差[4]。

试验时利用恒温加热台持续保持MC4连接器阻水胶带温度，确保不会因试验台湿度变化而发生温度动荡，持续记录并测量MC4连接器阻水胶带表面温度情况。此测试行为模拟光伏MC4连接器内部导体接触不良发热的状态，以及模拟光伏MC4连接器发热的热积累变温时间，以此变温时间来对MC4连接器温变护套的具体功能进行改进与研究。

如，在MC4连接器内部导体发热量少、热积累温度低时，MC4连接器变色护套保持稳定、降低故障误判率。随着时间推移、热积累温度的升高，光伏组件MC4连接器内部温度达到变色护套变色温度时颜色逐渐发生变化，将MC4连接器内导体接触不良的安全隐患体现出来。同时MC4连接器阻水胶带具有较高的热稳定性，如若夏季被雨淋湿、冬季雪花堆落在光伏组件MC4连接器上不能及时融化时，阻水胶带也将会发挥其优势，防止MC4连接器进水形成直流接地或光伏发电单元短路的几率。

3 MC4监视护套对绝缘材质的影响

3.1 MC4连接器变色护套温变特性试验注意事项

MC4连接器变色护套在研究的过程中，不仅要保证MC4连接器变色护套对高温有足够预警能力，还要注重其与MC连接器阻水胶带的贴合紧密性。如果因为变色护套与阻水胶带贴合不够紧密，MC4连接器内导体接触不良发热温度将部分被损耗掉，降低了变色护套对MC4连接器内导体接触不良检测的准确性，变色护套对MC4连接器内导体接触不良检测的准确性提升，更加强了MC4连接器运行时的稳定性[5]。

试验时可通过烘箱加热变色胶带外层，验证变色层与外界温度的变化是否均衡一致。如不是同时升温变色，则要加以修改变色护套参杂感温物质的均度，当变色护套外层的变色基本能达到与烘箱内空间温度变化相同时，变色护套的变色特性就能实现变色能力和MC4连接器表面温度相符合。变色护套在试验环境和工程实际应用环境均完成了该特性的实现。

试验最后需要注意变色护套的稳定考虑。因为变温层材料特性的不同，变色护套材料稳定性也是不同的。但是需要考虑胶带长时间在实际应用环境中，紫外线、早晚温度差、环境湿度等环境特性均会对变色护套运行稳定性造成影响。故通过烘箱加热模拟不同环境温度对变色胶带的影响时，要对上述环境特性进行考虑，以确定MC4连接器变色护套安全运行环境特性和温度，以增加MC4变色护套的耐热性以及稳定性。

3.2 MC4连接器阻水胶带材料的选取研究

针对于高温预警阻水胶带的研究，对其相关使用材料也要有选取考量。从组件到温度监控线和填充层都将要有严格的把控。内芯选取耐高温屏蔽导体线芯、半导电阻水胶带层、变色胶带以及密封胶，其中运行使用时防止：密封胶贴合时避免手直接接触胶体，避免因胶粘手导致胶与连接器贴合不紧。MC4连接器阻水胶带材料选取时，还需考虑若因为光伏电站运维人员未及时发现MC4连接器发热的故障隐患，导致MC4连接器长时间处于发热状态，MC4连接器阻水胶带需要有足够的热稳定性。不能因为MC4连接器阻水胶带能够实现阻水能力而丧失热稳定性，严防阻水胶带因为高温而碳化或高温燃烧，成为光伏电站运行的新安全隐患。

3.3 提升光伏电站发电能力

通过上述分析，自主专利的变色阻水MC4连接器护套，将光伏电站运行维护由“灭火式”的被动故障处理提升至光伏电站隐患整改。随着处理思路的变化，能够提升光伏电站运维的安全性和故障处理的效率，更重要的是光伏电站运维人员能够合理地选取隐患整改的时间，避开光伏电站辐照度较好的时间段进行隐患整改，降低电量损失，提升故障处理安全性。

光伏电站运行维护第一大的痛点不是故障处理，而是故障点的发现。尤其对于大型光伏电站要在光伏区去寻找到疑似MC4连接器发热安全隐患，犹如大海捞针。自主专利的变色阻水MC4连接器护套就是通过变色护套将存在发热安全隐患的MC4连接器标识出来，提高安全隐患发现的效率。

光伏电站运行维护第二大痛点就是每当进入天气变化比较频繁的夏季，MC4连接器时常发生进水短路造成逆变器停机，甚至引发光伏区火灾的安全风险。并且夏季光伏区辐照度较高，逆变器停机故障损失较大。自主专利的变色阻水MC4连接器护套就能很好的解决该痛点，将厂家成批量生产的MC4连接器阻水能力较差，或者施工时因工艺控制问题破坏了MC4连接器阻水能力等安全隐患充分避免，以提升MC4连接器运行稳定性。

自主专利的变色阻水MC4连接器护套充分抓住上述两个光伏电站运维过程中的痛点，找到一条事宜的解决方案，提升了光伏电站MC4连接器运行稳定性，降低了因为MC4连接器故障所导致的电量损失，总体能够提升光伏电站的发电能力。

4 结语

随着我国经济的快速发展，光伏能量随之出现在大家视野，光伏组件的消耗也在大幅度的增加，所有的能源基于环境与温度的影响逐渐被约束着，自主专利针对于发热的MC4护套能够对光伏发电成为未来可持续能源的目标做一个助推作用，使我们未来光伏产业运行维护时能更稳定、更高效。